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【數(shù)控機(jī)床】某數(shù)控機(jī)床Z軸異響故障診斷及維修

2020-12-22 來源：中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所作者：余剛；劉進(jìn)

摘要：隨著數(shù)控機(jī)床在加工領(lǐng)域得到迅速地普及，隨之而來的即使數(shù)控機(jī)床的故障診斷和維修，數(shù)控機(jī)床是集成機(jī)械、電氣、液壓以及氣動(dòng)控制等領(lǐng)域一個(gè)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，所面臨的維修問題更加復(fù)雜。本文介紹了某機(jī)床Z軸異響故障的故障診斷流程以及維修方法，首先通過“望、聞、問、聽”定位故障位置，然后通過分析數(shù)控加工程序、電氣伺服參數(shù)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)排查確定故障原因，最后確定了維修方案和方法。本文提供的機(jī)床故障診斷以及維修方案可為其他故障維修提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；滑動(dòng)導(dǎo)軌；故障維修

1、概述

隨著科技的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)得到飛速的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為其他高精設(shè)備的加工母機(jī)，在加工制造行業(yè)占有重要的地位。在年限使用久的機(jī)床，進(jìn)給軸的異響振動(dòng)故障現(xiàn)象有發(fā)生，已成為一個(gè)常見頻發(fā)故障。某數(shù)控龍門加工中心是車間的重要設(shè)備，投入使用年限長。機(jī)床使用過程中，該加工中心 Z 軸速度不穩(wěn)定，移動(dòng)到端部時(shí)存在振動(dòng)、抖動(dòng)的現(xiàn)象。機(jī)床加工過程中工件表面出現(xiàn)明顯的刀紋，表面質(zhì)量不合格，已經(jīng)嚴(yán)重影響數(shù)控設(shè)備正常使用。

2、故障定位

2.1　故障現(xiàn)象

該數(shù)控機(jī)床的加工的產(chǎn)品出現(xiàn)明顯的刀紋現(xiàn)象，工件表面粗糙度不合格。通過常規(guī)的“望、聞、問、聽”的故障診斷手段，發(fā)現(xiàn)該機(jī)床 Z 軸有明顯的異響和振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)通過控制進(jìn)給 Z 軸在手動(dòng)方式下進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)過程中 Z 軸出現(xiàn)振動(dòng)異響現(xiàn)象，同時(shí)當(dāng) Z 軸在端部移動(dòng)時(shí)振動(dòng)和異響更加明顯。

該機(jī)床的 Z 軸驅(qū)動(dòng)為交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行移動(dòng)，絲杠軸承的支撐方式為“一端固定，一端支撐”的方式，固定支撐的軸承采用角接觸軸承，支撐軸承采用深溝球軸承，Z 軸的支撐方式為滑動(dòng)導(dǎo)軌。

2.2　故障定位流程

按照維修的思路，提出以下如圖 1 所示的故障診斷流程。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)、異響的原因有多種情況，依次按照加工程序問題、電氣伺服參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等流程排出定位機(jī)床故障原因。通過該流程的分析流程，可由易到難、由簡到繁的順序排出故障原因。

圖 1　故障診斷流程

在程序方面，振動(dòng)故障常發(fā)生于機(jī)床加工程序中編寫曲線中小線段多，可通過優(yōu)化修改加工程序，改善進(jìn)給軸振動(dòng)情況。

伺服參數(shù)方面，進(jìn)給軸振動(dòng)的原因有：速度環(huán)參數(shù)不匹配引起振動(dòng) ；位置環(huán)參數(shù)不匹配引起振動(dòng) ；檢測元件故障，編碼器和光柵尺故障。通過優(yōu)化設(shè)置相關(guān)參數(shù)可以蓋上情況。

機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)阻力大，潤滑不良；絲杠預(yù)緊力不足、彎曲；絲杠軸向有竄動(dòng)間隙；絲杠軸承磨損；壓板與導(dǎo)軌不平行；電機(jī)與傳動(dòng)軸間連接松動(dòng) ；電機(jī)本身機(jī)械方面故障，軸承磨損等眾多原因?qū)?dǎo)致機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)故障。

3、故障分析及處理

3.1　故障分析過程

機(jī)床進(jìn)給軸產(chǎn)生振動(dòng)、異響有很多種可能，依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)以及故障排查流程，定位故障的根源。通過對操作者的詢問和現(xiàn)場觀察實(shí)驗(yàn)，機(jī)床 Z 軸振動(dòng)明顯。通過檢查加工程序、加工工件材料、加工進(jìn)給量等方面，排查了加工程序沒有問題。接著排查電氣控制伺服參數(shù)匹配，光柵尺檢測元件的末端是否損壞，最后從機(jī)械方面排查鑲條和導(dǎo)軌側(cè)面接觸面是否符合要求，壓板和導(dǎo)軌正面接觸是否符合要求。

3.2　伺服參數(shù)排查

伺服參數(shù)優(yōu)化方面，按照自動(dòng)優(yōu)化過程進(jìn)行優(yōu)化：JOG、MENU、調(diào)試、優(yōu)化測試、自動(dòng)優(yōu)化、所選軸、優(yōu)化、確認(rèn)、啟動(dòng)測量、循環(huán)啟動(dòng)、高頻、低頻、DNS。

優(yōu)化完成后，在手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)下分別進(jìn)行 Z 軸移動(dòng)，在不同的速度下進(jìn)行移動(dòng)，振動(dòng)、異響未消除。于是參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)修改。每修改一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，在手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)下分別進(jìn)行 Z 軸移動(dòng)，在不同的速度下進(jìn)行移動(dòng)，振動(dòng)、異響未消除。

通過自動(dòng)和手動(dòng)伺服參數(shù)匹配優(yōu)化和修改，該故障現(xiàn)象未發(fā)生改善，排除電氣參數(shù)不匹配的原因。另一方面，將全閉環(huán)改為半閉環(huán)進(jìn)行電氣參數(shù)的排除，進(jìn)入調(diào)整頁面，屏蔽 Z 軸。進(jìn)行機(jī)床運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)和異響存在，同時(shí)排除了電氣故障。

3.3　機(jī)械方面排查

通過電氣控制參數(shù)的優(yōu)化以及排查，故障定位導(dǎo)向于 Z 軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過觀察和觸碰 Z 軸滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐，判斷為 Z 軸滑動(dòng)導(dǎo)軌振動(dòng)明顯，確定為振動(dòng)源。

滑動(dòng)導(dǎo)軌鑲條排查，將鑲條松開，在手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)下分別進(jìn)行 Z 軸移動(dòng)，在不同的速度下進(jìn)行移動(dòng)，振動(dòng)、異響依舊存在。

如圖 2 所示，滑動(dòng)導(dǎo)軌壓板檢查，將壓板的螺釘松開，移動(dòng) Z 軸，異響和振動(dòng)現(xiàn)象明顯改善。將壓板鎖緊，異響故障進(jìn)行了重現(xiàn)，于是判斷故障的原因在壓板與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生，判斷為滑動(dòng)導(dǎo)軌之間間隙過小導(dǎo)致壓板與導(dǎo)軌之間摩擦導(dǎo)致異響和振動(dòng)。初步判斷為 Z 軸導(dǎo)軌壓板長期使用過程導(dǎo)軌表面出現(xiàn)磨損，中間隙過小。

圖 2　滑動(dòng)導(dǎo)軌

4、故障維修

通過對導(dǎo)軌和壓板的檢查，壓板本身的平面度大于 0.02 mm，不能滿足使用要求。通過修復(fù)壓板的平面度，注意壓板的高低點(diǎn)的分布、壓板刮研量的大小和區(qū)域，刮研的方法與檢測方法。

4.1　維修過程

4.1.1　確定壓板高低點(diǎn)

確定壓板的接觸面及高低點(diǎn)的分布。將壓板接觸面打上紅丹粉，帶上螺釘，輕輕的緊固。機(jī)床的 Z 軸沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，觀察壓板與鑲塊的接觸點(diǎn)。通過鑲塊的紅丹粉的分布確定了壓板的高低點(diǎn)位置，做上標(biāo)記。

4.1.2　確定壓板刮研量

將兩邊壓板都裝上，在靠近操作者這方的壓板下添加銅皮，添加銅皮由 0.01 mm ～ 0.10 mm 進(jìn)行測試。使用測力扳手將壓板每顆螺釘都用 100 Nm（廠家給定值）的力均布鎖緊。通過移動(dòng) Z 軸看是否有異響。如果有異響就將銅皮進(jìn)行更換，調(diào)整到移動(dòng) Z 軸沒有異響即可。最后銅皮的厚度，厚度為 0.04 mm，即可確定刮研量為 0.04 mm。

4.2.3　壓板刮研步驟

通過確定壓板的高低點(diǎn)以及刮研量，將壓板進(jìn)行刮研。如圖3，通過檢查確定壓板的高點(diǎn)和壓板的初始尺寸，為刮研后檢測進(jìn)行對比。將壓板上涂上紅丹粉，將壓板在平臺(tái)上來回運(yùn)動(dòng)在將壓板反面，進(jìn)行觀察，并將這個(gè)時(shí)候的初始尺寸記錄下來。

圖3　壓板高點(diǎn)及初始尺寸

通過對壓板的檢測后，知道了壓板的高點(diǎn)和刮研量。于是對高點(diǎn)進(jìn)行刮，邊刮邊檢測，最后確定到刮研的量都去掉了并且保證了平面度的要求即可。

4.3　維修結(jié)果

將壓板裝上，使用扭矩扳手將壓板緊固螺栓用100 Nm（廠家給定值）的力均布鎖緊。

在進(jìn)行手動(dòng)、MDI、自動(dòng)三種方式下分別運(yùn)行 Z 軸，在每一種方式下使用不同的速度進(jìn)行移動(dòng)。Ｚ軸均沒有出現(xiàn)振動(dòng)、異響的現(xiàn)象。Ｚ軸功能運(yùn)行正常，修復(fù)后各個(gè)精度檢測均達(dá)標(biāo)。達(dá)到出廠精度要求，經(jīng)反復(fù)試車跑合，精度保持良好，現(xiàn)機(jī)床使用良好。

5、結(jié)語

Ｚ軸是整個(gè)機(jī)床的核心移動(dòng)部位，通過此次的維修有效的解決了Ｚ軸振動(dòng)、異響的故障，為以后的維修打下良好的基礎(chǔ)。本文介紹了某機(jī)床 Z 軸異響故障的故障診斷流程以及維修方法，首先通過常規(guī)手段定位故障位置，然后通過分析數(shù)控加工程序、電氣伺服參數(shù)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)排查確定故障原因，最后確定了維修方案和方法。本文提供的機(jī)床故障診斷以及維修方案可為其他故障維修提供參考。

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