數(shù)控機床在加工中尺寸不穩(wěn)定故障的診斷與維修

慕利軍，白光明

（內蒙古第一機械集團有限公司精密設備維修安裝公司，內蒙古包頭 014030）

0 引言

在數(shù)控機床使用中加工尺寸誤差過大及加工尺寸不穩(wěn)定是兩種較為復雜的故障。設備機械傳動、電氣控制、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等方面因素是影響數(shù)控機床加工尺寸不穩(wěn)定的關鍵因素。

1 機械傳動方面

數(shù)控設備的機械傳動裝置主要是通過絲杠與絲母的平穩(wěn)傳動、設備導軌（導軌有硬軌和線軌之分）的精度，來保證設備的加工精度，從機械傳動的組成來看，影響加工精度的因素有以下4 項：

（1）伺服電機與絲杠之間的連接松動，伺服電機一般是通過聯(lián)軸節(jié)與絲杠端頭連接，聯(lián)軸節(jié)內部有鍵塊或漲緊套[1]。如果出現(xiàn)連接松動問題，在軸運動過程中會導致電機與絲杠不同步，出現(xiàn)伺服軸在運動過程中實際位置與反饋位置的偏差。

針對此類問題，在進行故障檢查時，在伺服軸電機與絲杠端頭的聯(lián)軸節(jié)上做上標記，便于對比發(fā)現(xiàn)問題，在快速進給倍率模式下來回移動需檢查的軸，由于慣性作用使聯(lián)軸節(jié)的兩端出現(xiàn)標記有明顯相對的移動，說明存在連接松動問題，此類故障通常表現(xiàn)為零件加工尺寸只向一個方向有變動，故障排除過程中不能只將聯(lián)軸節(jié)螺釘擰緊，而要打開聯(lián)軸節(jié)檢查聯(lián)軸節(jié)是否磨損嚴重，漲緊套是否已無法漲緊，在軸運動過程中是否振動大等原因，把這些原因排除后，才能徹底解決此類故障。

（2）滾珠絲杠絲母副間隙大或磨損。絲杠、絲母副的間隙大往往是松動或磨損造成，故障表現(xiàn)為加工零件過程中進給伺服軸有異響。在實際維修中消除進給絲杠螺母副的間隙有以下方法：

雙螺母副絲杠螺母副間隙的調整有雙螺母墊片式調整、雙螺母螺紋式調整、齒差式消隙等方法[2]。但是對于不同類型的滾珠絲杠螺母副預緊力調整不同，比如GZ 系列的內循環(huán)單螺母絲杠，在磨損出現(xiàn)間隙后，一般無法再進行預緊（圖1a））；GL 系列內循環(huán)螺紋預緊雙螺母絲杠副，雙螺母預緊力的調節(jié)，根據(jù)設備工作情況的需要可以隨時調整預緊力（圖1b））；CDT 系列外循環(huán)導珠管凸出式雙螺母絲杠，預緊力容易調整（圖1c））。

圖1 滾珠絲杠絲母副

（3）滾珠絲杠固定軸承磨損或調整不當；滾珠絲杠與絲母之間、滑塊與導軌潤滑異常造成伺服軸運行時的阻力增大。絲杠的固定軸承不良，通常表現(xiàn)為尺寸在幾十絲范圍內無規(guī)律的竄動，可以把滾珠頂?shù)浇z杠端頭，把千分表頂?shù)綕L珠上，然后轉動絲杠，用千分表檢測滾珠絲杠軸向竄動間隙，如果絲杠軸向間隙過大時，應檢查軸承的狀態(tài)，更換不良軸承；如果確認絲杠軸承沒有問題，需要調整預緊螺母，首先松開絲杠端部的鎖緊螺母，預緊圓螺母，然后再鎖緊固定螺母，故障就可排除。

在設備靜態(tài)和動態(tài)中觀察導軌和絲杠潤滑是否正常，如果發(fā)現(xiàn)導軌和絲杠上沒有形成油膜，需要檢查潤滑油路的狀態(tài)，管路是否有堵塞、斷裂等現(xiàn)象。如果是使用鋰基潤滑脂給絲杠潤滑的，需要半年更換一次潤滑脂。由于潤滑不良使工作臺運動阻力增加，只要潤滑恢復即可排除故障。

（4）設備主軸軸承間隙或主軸其他輔助裝置故障。在數(shù)控設備上多采用串行數(shù)字控制的主軸驅動裝置，在設備加工過程中，主軸的精度是否符合要求也是零部件加工質量的關鍵因素。

如果出現(xiàn)加工產品出現(xiàn)了產品某項精度超差，涉及到主軸精度要求的，先要對主軸進行軸向跳動和主軸旋轉徑向擺差的檢測，檢測方法是用長度300 mm 長的主軸驗棒，用千分表在驗棒的根部和端頭部分別進行主軸擺差檢測，一般標準值根部應在不大于0.01 mm，端部應在不大于0.03 mm，如果超出標準值較多，應考慮是主軸軸承磨損或主軸錐孔內壁磨損。

還需要檢測主軸內的輔助裝置是否有故障，例如，主軸的刀具鎖緊/松開控制裝置是否松動，在加工零件時主軸拉爪無法拉緊刀具也會造成加工零件的質量問題；主軸的冷卻和潤滑裝置是否運行良好等。

2 電氣控制方面

2.1 伺服電機編碼器故障

（1）編碼器在連續(xù)旋轉時，輸出DC 5 V 左右的穩(wěn)定電壓，編碼器的電源電壓不穩(wěn)定都會造成輸出信號的誤差，影響反饋信號的質量，造成加工不穩(wěn)定，可以用多用表測量輸出電壓，如果電壓低于5%時，檢查編碼器的電源線是否斷線，編碼器插頭針是否有松動；用示波器檢測編碼器的高頻15 V 方波信號，可以準確判斷編碼器的好壞。如果編碼器正常，可以更換電源控制電路板。

（2）編碼器碼盤的材料大多是玻璃，通常上面用熱穩(wěn)定性好、精度高的金屬條作刻線。在設備的使用過程中，由于使用環(huán)境油污大、編碼器密封老化等原因，使油污或灰塵進入光柵內而造成信號失真或丟失故障，可以使用編碼器測量檢測儀器檢測信號是否正?；虬l(fā)到專業(yè)的廠家進行維修，然而在日常的維修過程中，如果遇到編碼器內部故障的問題，往往是直接更換新的編碼器。

2.2 光柵尺位置檢測裝置故障

對于全閉環(huán)控制系統(tǒng)，光柵尺是主要的位置反饋裝置。光柵尺反饋故障主要原因是光柵尺內部有油污和灰塵，造成光柵的柵格損壞，需清洗或更換光柵尺。

在日常維修中，遇到光柵尺的故障，光柵尺內部進入油污和灰塵，大部分是由于給光柵尺內部吹氣的壓縮空氣質量差，造成光柵污染，可用無水乙醇和綢布進行清洗；或者是光柵尺的讀數(shù)頭故障，造成光柵尺的檢測不良，讀數(shù)頭故障可以使用讀數(shù)頭測量檢測儀器檢測信號是否正?；蚴歉鼡Q新的讀數(shù)頭，舊件可以拿到專業(yè)的廠家維修。

如果在設備光柵尺損壞而設備無法停機的時候，可以把光柵尺進行暫時屏蔽的方法進行維修，屏蔽光柵尺需要修改參數(shù)有，以FANUC 系統(tǒng)為例，相關參數(shù)有1815.1/4/5、2084、2085、2024、2185。光柵尺屏蔽后，需注意所屏蔽的軸的參考點發(fā)生了變化，尤其是涉及到自動換刀時要重新進行調整；設備的精度下降后，是否能滿足加工零件的工藝要求等。

2.3 伺服驅動器故障

判斷伺服驅動器的故障，可以用相同規(guī)格的伺服驅動器更換來判別故障，如果故障現(xiàn)象發(fā)生了轉移，說明驅動器故障，更換驅動器[3]。

2.4 干擾對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響

主要因素有系統(tǒng)及控制裝置接地不良或不合理、信號線布線不合理等。屏蔽是防止干擾的有效措施，驅動器、變頻器、電機等元器件的可靠接地，能降低干擾的影響[4]。

3 系統(tǒng)參數(shù)的設定及優(yōu)化方面

影響加工精度的系統(tǒng)參數(shù)主要包括進給的反向間隙補償參數(shù)、進給絲杠的螺距補償參數(shù)及電機控制的功能參數(shù)。

（1）設備進給軸存在反向間隙，調整反向間隙參數(shù)可以改善加工精度。反向間隙補償參數(shù)1851（切削進給方式）與1852（快速進給方式）補償?shù)膬蓚€參數(shù)。檢測方法如下：分別對所測量軸，在G00 和G01 兩種運行方式下，反復移動軸的位置，用千分表測量，要把所測的軸分為3 段，分別作往復移動，一般作6次，然后把中間和兩端的值加起來除以3 所得的值輸入1851和1852 中。

（2）對伺服軸的螺距誤差補償設置的調整。使用激光干涉議可以對機床的定位精度、重復定位精度，反向間隙等進行測量，同時進行機床螺距誤差的補償與調整。在維修現(xiàn)場使用較多的是RENISHAW 激光干涉儀，在使用激光干涉儀對設備的各軸進行調校時，有兩個方面需要注意：

（1）激光干涉儀安裝與準直，安裝時參照干涉鏡箭頭指示方向，準直的方法追光法，近端重合，遠端追光重回。

（2）誤差補償?shù)脑O置，要根據(jù)不同設備的操作系統(tǒng)，對應的螺距補償參數(shù)不同，例如三菱系統(tǒng)的參數(shù)4003～4007 號、FANUC系統(tǒng)的參數(shù)是3620～3624 號、西門子系統(tǒng)中（以西門子840Dsl系統(tǒng)為例）涉及到參數(shù)有38000，32700 等。

（3）伺服電機相關控制參數(shù)設定不當。伺服電機控制參數(shù)主要是伺服快速移動位置環(huán)的增益參數(shù)，位置環(huán)增益參數(shù)設置越大，設備的響應越快，但是根據(jù)不同類型的設備，設置該參數(shù)不是越大越好，還有考慮到設備在加工過程中的振動等因素。快速移動位置環(huán)的增益參數(shù)（NO.2178 設定為3000）；切削進給位置增益（NO.1825），根據(jù)機型不同，增益的值也在不同范圍，鉆削中心8000～12 000、立加線軌5000～8000、立加硬軌和龍門加工中心4000～6000；速度環(huán)的機械負載慣性比參數(shù)（NO.2021設定為256）。

調整方法：首先設置參數(shù)3111#0=1，顯現(xiàn)伺服設定和伺服調整畫面，然后根據(jù)伺服電機的具體性能進行伺服參數(shù)的設定，進行伺服的優(yōu)化處理?，F(xiàn)在的數(shù)控機床都是采用計算機輔助軟件進行優(yōu)化處理，如FANUC 公司的伺服優(yōu)化軟件SERVO GUIDE[5]，可使機床的加工性能達到最佳狀態(tài)。利用SERVO HRV3 控制可以改善電流環(huán)路的響應性能，設定更優(yōu)化的速度環(huán)路增益和位置環(huán)路增益。利用高的速度環(huán)路增益，可以改善對指令的響應性能和伺服剛性，降低加工外形誤差，縮短定位時間。另外，使用這個軟件還可以簡化伺服調整。

4 結束語

引起數(shù)控機床加工尺寸不穩(wěn)定的原因是多方面的，實際生產中不要盲目判斷，要先對機床進給系統(tǒng)的定位精度和重復定位精度作檢測，如果檢測值超差，再分析是機械傳動的問題還是電氣控制的問題。在實際維修中，設備出現(xiàn)加工精度不穩(wěn)定的故障，機械傳動方面的故障占比較大，所以在維修中要先詢問操作者設備最近的運行狀態(tài)，結合設備的潤滑系統(tǒng)運行狀態(tài)、導軌和絲杠的狀態(tài)等，確定設備的維修方案，最終修復故障。