數(shù)控機床加工中尺寸不穩(wěn)定故障的診斷與處理

馮云龍

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，西安 710068）

數(shù)控機床作為一種高效的機電一體化設(shè)備，自動化系數(shù)較高，涉及機床、電動機、計算機、檢測以及拖動控制等眾多技術(shù)。其中，機械傳動、電氣控制和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不夠合理時，容易導(dǎo)致數(shù)控機床在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)加工尺寸不穩(wěn)定的故障。此類故障的維修工作難度系數(shù)比較大，若采取的處理措施不夠規(guī)范和及時，會極大地影響數(shù)控機床的精度。

1 數(shù)控機床機械傳動方面的影響與處理

數(shù)控機床中的機械傳動裝置是非常重要的組成部分，主要包括伺服電機、絲杠、螺母及設(shè)備主軸承等。當其運行不暢時，會直接影響加工尺寸穩(wěn)定系數(shù)。因此，應(yīng)重點分析該裝置對于加工尺寸不穩(wěn)定性故障的影響，采取有針對性的處理措施，保證設(shè)備加工精度。

1.1 伺服電機與絲杠之間連接松動

一般來說，伺服電機與絲杠端頭之間的連接是由聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部帶有的脹緊套與鍵塊實現(xiàn)的，在進行軸運動時，若連接不夠緊密，則伺服電機與絲杠無法保持同步狀態(tài)，容易出現(xiàn)位置偏差[1]。針對此故障問題的維修與處理，應(yīng)在開展故障檢查工作時，提前在聯(lián)軸節(jié)上做出明顯標記，為后續(xù)位置移動判斷與對比提供有力依據(jù)。當伺服電機和絲杠快速移動時，受到慣性的影響，聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)的標記會有所移動，這證明二者存在連接松動問題。為解決此問題，不僅要擰緊聯(lián)軸節(jié)螺釘，還要將其打開，檢查內(nèi)部的磨損狀況，查看脹緊套是否能夠保持穩(wěn)定的脹緊狀態(tài)，軸運動是否存在較大振動。全方位檢查與排除上述問題后，才可以完全解決故障。

1.2 絲杠與螺母副間隙過大或磨損

滾珠絲杠與螺母副之間存在較大間隙，有可能是磨損或松動引起的，此種故障主要表現(xiàn)在數(shù)控機床加工零件時，伺服軸會出現(xiàn)異響。要消除絲杠與螺母副之間的間隙，可通過對雙螺母進行螺紋式與墊片式調(diào)整以及應(yīng)用齒差式消隙等手段。若滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力不同，所應(yīng)用的調(diào)整方法也會存在一定差異。對于內(nèi)循環(huán)的單螺母，一旦其因遭受磨損而導(dǎo)致間隙出現(xiàn)，后續(xù)便難以再預(yù)緊。而內(nèi)循環(huán)雙螺母的預(yù)緊力調(diào)節(jié)，則可以根據(jù)數(shù)控機床的加工需求隨時調(diào)整。

1.3 絲杠固定軸承磨損或調(diào)整不當

滾珠絲杠和螺母、導(dǎo)軌、滑塊發(fā)生異常潤滑問題時，都可能進一步增強伺服軸在運行過程中的阻力。絲杠的固定軸承是否保持在良好狀態(tài)下，其判斷標準為軸承是否在合理范圍內(nèi)做無規(guī)律運動?？上仍诮z杠的端頭位置放置滾珠，再在其上方放定千分表，然后轉(zhuǎn)動絲杠。借助千分表檢測竄動間隙，若間隙過大，則要對軸承進行全面細致的檢查，妥善更換運行不夠良好的軸承。當確定絲杠軸承無問題后，應(yīng)將處理重點放在預(yù)緊螺母的調(diào)整層面。先松開絲杠最上方的鎖緊螺母，再預(yù)緊圓螺母，然后鎖緊固定螺母，由此可以排除不良故障問題。此外，還應(yīng)分別觀察數(shù)控機床機械傳動裝置處于動態(tài)和靜態(tài)狀態(tài)時，絲杠與導(dǎo)軌間的潤滑狀況，若無油膜形成，則應(yīng)特別關(guān)注潤滑油路，檢測其是否存在斷裂與堵塞情況。若該裝置選用鋰基潤滑脂，則應(yīng)半年更換一次，這是因為一旦潤滑不夠順暢，設(shè)備運行狀態(tài)下的阻力就會大幅上升，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定故障[2]。

1.4 軸承間隙或主軸其他輔助裝置故障

數(shù)控機床機械傳動中的主軸驅(qū)動裝置，通常選用串行數(shù)字控制。數(shù)控機床進行加工作業(yè)時，主軸是否保持在合理的精度范圍內(nèi)，是決定零部件加工質(zhì)量是否過關(guān)的核心要素。當加工零部件存在精度偏差問題時，應(yīng)第一時間檢測主軸的軸向跳動情況與旋轉(zhuǎn)擺動情況。檢測過程中，在長度為0.3 m 的主軸檢驗棒兩端利用千分表檢測主軸的擺差問題。當?shù)锥苏`差小于0.01 mm、上端誤差小于0.03 mm 時，表明未出現(xiàn)精度超差，一旦高于此標準值要求，就需要考量主軸軸承的磨損狀況。同時，主軸內(nèi)包含的輔助設(shè)備的故障檢測也不容忽視。一方面，應(yīng)檢查控制刀具鎖定和松開的設(shè)備是否出現(xiàn)松動狀況。另一方面，當主軸的夾具在部件加工過程中與刀具連接不緊密時，可能導(dǎo)致部件加工中的質(zhì)量錯誤，因此應(yīng)特別注意主軸潤滑和冷卻裝置的運行狀態(tài)。

2 數(shù)控機床電氣控制方面的影響與處理

2.1 伺服電機編碼故障

如果數(shù)控機床的電氣控制裝置存在故障問題且處理不夠及時，就可能發(fā)生加工中尺寸不穩(wěn)定故障。當編碼器處于連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會對外發(fā)出穩(wěn)定電壓，若編碼器電源電壓沒有長時間保持在穩(wěn)定狀態(tài)下，會使得輸出信號有所偏差，對信號反饋質(zhì)量造成不良影響，進而干擾加工穩(wěn)定性[3]。為了妥善處理此類故障問題，應(yīng)重點監(jiān)測輸出電壓。電壓測量工作借助多用表完成，當測定電壓低于標準值的5%時，要檢查編碼器的電源線和插頭針是否存在斷線和松動情況。由于編碼器對外發(fā)射的信號帶有一定的特殊性質(zhì)，尤其是15 V 方波信號，為了獲得準確的檢測數(shù)值，應(yīng)優(yōu)先考慮使用示波器，以便更加精準地判斷編碼器的運行狀態(tài)。

完成所有檢測流程后，若顯示編碼器處于正常狀態(tài)，則說明電氣控制故障并非編碼器引起，應(yīng)更換電源控制電路板。在使用數(shù)控機床時，若編碼器呈密封老化狀態(tài)，受限于惡劣的加工環(huán)境，會導(dǎo)致不良物質(zhì)進入光柵，進而造成信號失真，丟失相關(guān)加工數(shù)據(jù)。由于編碼器中碼盤為玻璃材質(zhì)，且上方帶有的金屬條能夠起到刻線作用，處理此種故障時，最為高效的方法便是直接更換新的編碼器。

2.2 光柵尺故障

數(shù)控機床電氣控制選用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，光柵尺為基礎(chǔ)裝置，具有位置反饋的功能。此裝置出現(xiàn)故障的根本原因是在對光柵尺內(nèi)部吹氣過程中，沒有特別把控壓縮空氣的質(zhì)量，空氣中混入灰塵與油污等物質(zhì)，使得柵格受損，應(yīng)立即清洗或更換。清洗液體應(yīng)選擇無水乙醇，與綢布配合使用。光柵尺故障位于讀取頭時，會影響其檢測性能，因此需要及時更換。如果光柵尺已經(jīng)處于損壞狀態(tài)，但是數(shù)控機床無法停止，此時可以修改相關(guān)參數(shù)，暫時屏蔽光柵尺。需要注意的是，光柵尺處于屏蔽狀態(tài)時，相關(guān)軸的參考范圍會發(fā)生變化，尤其當數(shù)控機床需要自動換刀時，應(yīng)再次調(diào)整相關(guān)參數(shù)。由于光柵尺故障會大大降低數(shù)控機床的精度，難以滿足零件加工的具體工藝要求，應(yīng)特別重視此類問題。

2.3 驅(qū)動器故障

伺服驅(qū)動器肩負著控制伺服電機的任務(wù)，屬于控制器范疇，功能類似于變頻器，通過速度、位置、力矩3 種方式控制伺服馬達，進而提高傳動系統(tǒng)的定位精度。當其出現(xiàn)故障時，會影響數(shù)控機床的電氣控制效果，導(dǎo)致不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)。若伺服驅(qū)動器顯示燈亮電機卻不運轉(zhuǎn)，則可能的故障原因是多方向電機被下達禁止動作指令，應(yīng)檢查端口的連接狀況。若伺服驅(qū)動器電機陷入失速狀態(tài)，可能是由于沒有正確區(qū)分速度反饋極性，此時應(yīng)調(diào)整開關(guān)位置并使用測速機[4]。

3 數(shù)控機床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化方面的影響與處理

數(shù)控機床的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不夠合理，也會對加工精度產(chǎn)生不良干擾，需對應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化工作主要集中在反向間隙補償參數(shù)、給進絲杠螺距補充參數(shù)以及伺服電機相關(guān)控制參數(shù)方面。

3.1 間隙補償參數(shù)

觀察數(shù)控機床的進給傳動鏈運行狀況得知，滾珠絲杠螺母副與齒輪傳動普遍存在反向間隙問題，會導(dǎo)致數(shù)控機床在進行反向運動時出現(xiàn)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得半閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)一定偏差，全閉環(huán)系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定，從而頻頻出現(xiàn)振蕩問題。反向間隙補償參數(shù)的設(shè)置可以考慮采用預(yù)緊和調(diào)整的方法，以減小間隙。由于數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的傳動效率，通常不會出現(xiàn)顯著的機械結(jié)構(gòu)間隙。但是，如果傳動部件存在彈性變形問題，導(dǎo)致誤差發(fā)生，那么僅依靠機械調(diào)節(jié)無法獲得良好的補償效果。剩余誤差可以通過設(shè)備的半閉環(huán)系統(tǒng)直接測量，得到準確值后作為補充參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)。當坐標軸接收到反向命令時，數(shù)控機床的自動化系統(tǒng)可以盡快啟動間隙補償程序，并將獲得的補償值添加到插值程序的高精度計算位置增量命令中。也就是說，為了補償由間隙引起的失準問題，通過控制與間隙值相等的電機行程，能夠有效實現(xiàn)間隙誤差補償。需要注意，對于具有全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床，不能采用這種參數(shù)設(shè)置方法，可選擇機械傳動方式來消除間隙，并利用脈沖補償功能設(shè)置工作臺反向運動時施加給伺服系統(tǒng)的脈沖電壓參數(shù)，完成間隙誤差的補償任務(wù)。

3.2 給進絲桿的螺距補償參數(shù)

設(shè)定與優(yōu)化數(shù)控機床系統(tǒng)參數(shù)中的給進絲杠螺距補償參數(shù)，應(yīng)首先明確螺距誤差產(chǎn)生的原因，此誤差屬于常值系統(tǒng)性定位誤差。若數(shù)控機床的參數(shù)系統(tǒng)為半閉環(huán)系統(tǒng)，則定位誤差容易被滾珠絲杠精度干擾，盡管該裝置已經(jīng)具有很高的精度系數(shù)，但是仍然無法完全避免制造誤差。要想提高裝置的運動精度，就要最大限度利用給進絲杠的螺距誤差補償功能，高質(zhì)量完成誤差補償與修正任務(wù)。當數(shù)控機床運行一段時間后，不可避免會出現(xiàn)磨損狀況，直接影響其使用精度，導(dǎo)致加工中發(fā)生尺寸不穩(wěn)定故障?？茖W(xué)設(shè)定螺距補償參數(shù)有助于提高精度，維持穩(wěn)定性，促使數(shù)控機床的使用年限延長。螺距補償參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化依據(jù)的原理是比較數(shù)控機床某一軸發(fā)出的指令位置與高精度測量系統(tǒng)反饋的實際位置，準確計算數(shù)控機床在整個零件加工過程中的誤差分布曲線。將誤差值輸入數(shù)控系統(tǒng)，然后在軸控制運動過程中自動關(guān)聯(lián)到誤差值進行補償。在設(shè)置參數(shù)時，應(yīng)特別注意提前建立機床坐標系，否則對螺距誤差的補償將毫無意義[5]。

3.3 伺服電機相關(guān)控制參數(shù)

伺服電機控制參數(shù)是為快速移動位置環(huán)而設(shè)置的增益參數(shù)。一般來說，該數(shù)值設(shè)定越大，數(shù)控機床表現(xiàn)出的響應(yīng)速度越快。但是，考慮到數(shù)控機床種類繁雜，并不都是參數(shù)設(shè)定的大，就能夠發(fā)揮出優(yōu)良作用，在設(shè)定此參數(shù)時還應(yīng)特別重視數(shù)控機床加工時可能出現(xiàn)的振動情況。優(yōu)化伺服電機相關(guān)控制參數(shù)，應(yīng)先呈現(xiàn)全面的伺服調(diào)整畫面，以數(shù)控機床伺服電機的性能表現(xiàn)為基本導(dǎo)向來設(shè)定參數(shù)，再通過計算機輔助軟件完成優(yōu)化處理，促使數(shù)控機床在較短時間內(nèi)恢復(fù)至最優(yōu)良的狀態(tài)。優(yōu)化改進電流環(huán)路的響應(yīng)性能，需要借助速度和位置環(huán)路的增益調(diào)整來實現(xiàn)，進一步強化伺服剛性，促使機床在加工過程中最大限度規(guī)避外形誤差問題。對于故障位置的定位與鎖定無須耗費過多時間，以簡化伺服調(diào)整流程。

4 結(jié)語

造成數(shù)控機床加工尺寸不穩(wěn)定故障的原因較多，在開展故障診斷工作時應(yīng)圍繞機械傳動中的伺服電機、滾珠絲杠間隙、固定軸承，電氣控制中的伺服電機編碼、光柵尺寸位置檢測裝置、伺服驅(qū)動器，以及系統(tǒng)參數(shù)中的反向間隙、給進絲桿螺距、伺服電機參數(shù)等方面，采取相應(yīng)的處理措施，確保數(shù)控機床可以長時間保持穩(wěn)定良好的運行狀態(tài)。