某數(shù)控車床Z 軸加工精度超差故障排除

田軍，余剛

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的各直線軸多采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，其傳動(dòng)精度直接影響到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和加工質(zhì)量，發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)定位精度下降、反向間隙過(guò)大、機(jī)械爬行、噪聲過(guò)大、剛性不足等故障現(xiàn)象。

1 故障現(xiàn)象

某單位某數(shù)控車床加工的零件尺寸(Z 軸方向)與程序編制的尺寸出現(xiàn)不規(guī)則的偏差。

2 結(jié)構(gòu)與原理

該車床進(jìn)給系統(tǒng)中Z 軸滾珠絲杠采用一端固定、一端支撐的方式，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該軸采用的是半閉環(huán)控制方式，伺服電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 Z 軸絲杠安裝方式

3 故障診斷

通過(guò)激光干涉儀對(duì)Z 軸精度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

分析檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn): 該軸反向間隙、定位精度、重復(fù)定位精度都嚴(yán)重超差，↑方向的誤差大于↓方向的誤差。機(jī)床↑方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，誤差值波動(dòng)較大。

圖2 Z 軸精度檢測(cè)曲線(修復(fù)前)

分析表1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn): Z 軸運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向竄動(dòng)為60 μm，普通機(jī)床在裝配過(guò)程中軸向竄動(dòng)要求小于8 μm，徑向跳動(dòng)小于12 μm，所以絲杠支撐軸承存在間隙。

表1 絲杠傳動(dòng)精度

4 故障分析

該現(xiàn)象表明機(jī)床反向間隙大、定位精度差，絲杠支撐軸承存在間隙。所以故障可能為滾珠絲杠螺母副及其支撐系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的磨損間隙造成。根據(jù)磨損具體產(chǎn)生的位置，可能原因?yàn)橐韵聨c(diǎn):

(1) 滾珠絲杠支撐軸承磨損;

(2) 軸承產(chǎn)生間隙;

(3) 滾珠絲杠單螺母副磨損產(chǎn)生間隙;

(4) 螺母法蘭盤與工作臺(tái)之間沒(méi)有固定牢，產(chǎn)生間隙。

5 故障排除

經(jīng)過(guò)對(duì)故障點(diǎn)的排查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)鎖緊螺母松動(dòng)，Z 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，由于軸承的預(yù)緊力過(guò)小，軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生游動(dòng)間隙，使絲杠在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸向竄動(dòng)過(guò)大，影響機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度、反向間隙。軸承預(yù)緊的目的是提高軸承支承的剛度，提高軸的旋轉(zhuǎn)精度，降低軸的振動(dòng)和噪聲。

圖3 Z 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

5.1 軸承預(yù)緊力

如果軸承預(yù)緊力過(guò)大，則軸承中的滾動(dòng)體彈性變形過(guò)大，會(huì)使軸承傳動(dòng)的摩擦轉(zhuǎn)矩增加、發(fā)熱量大，減小軸承的使用壽命，所以，軸承的預(yù)緊力并非越大越好。機(jī)床在正常工作時(shí)，絲杠所受的軸向力常小于最大軸向載荷Fmax，因此軸承的預(yù)緊力Fpr一般可取為(0.33 ～0.35) Fmax。

通常，預(yù)緊力的大小按最大軸向載荷的1/3 計(jì)算，但也要根據(jù)以下3 種情況區(qū)別對(duì)待:

(1) 當(dāng)滾珠絲杠副承受最大軸向載荷Fmax的機(jī)會(huì)少，并且允許略有軸向間隙時(shí)，預(yù)緊力按最大軸向載荷的1/3 計(jì)算，即Fpr＜Fmax/3;

(2) 當(dāng)主機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的軸向剛度要求較高，并且最大軸向載荷Fmax出現(xiàn)的頻率也高，或者有沖擊載荷，預(yù)緊力Fpr＞Fmax/3;

(3) 當(dāng)最大軸向載荷Fmax難于或無(wú)法計(jì)算時(shí)，可近似取軸向額定動(dòng)載荷Ca的1/20 ～1/10，即Fpr=(1/20 ～1/10) Ca。

5.2 絲杠的安裝與檢測(cè)

5.2.1 固定側(cè)支撐單元的安裝

軸承的預(yù)緊力Fpr= Fpr(0.33－0.35) Fmax，使用扭力扳手預(yù)緊。如果不使用定扭力扳手可能會(huì)損傷螺紋部分，導(dǎo)致無(wú)法取下鎖緊螺母。

為防止螺紋松弛，使用螺紋膠后擰緊內(nèi)六角螺栓，不能弄翻油密封墊片的凸緣。

5.2.2 絲杠螺母副的安裝及軸承底座的安裝

以固定側(cè)支撐單元為基準(zhǔn)時(shí)，將螺母外徑與工作臺(tái)螺母支座內(nèi)徑調(diào)整至保持一定間隙的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 絲杠螺母副的安裝

(1) 將絲杠螺母副插入螺母支座后臨時(shí)鎖緊(螺母副處在絲杠軸的中間位置) ;

(2) 將固定側(cè)和支撐側(cè)的支撐單元臨時(shí)固定到基座上;

(3) 移動(dòng)工作臺(tái)至固定側(cè)支撐單元后，將支撐單元擰緊固定到基座上;

(4) 固定好后，將工作臺(tái)移動(dòng)至靠近固定側(cè)的行程盡頭附近，并將工作臺(tái)和螺母支座相互固定;

(5) 固定好螺母副和螺母支座;

(6) 將第4 步中固定的螺栓松開，再次將工作臺(tái)和螺母支座相互固定。推動(dòng)工作臺(tái)至固定支撐單元處調(diào)整其中心位置，使工作臺(tái)能順暢移動(dòng)，對(duì)于精密工作臺(tái)還需要將絲杠軸調(diào)整到與LM 導(dǎo)軌平行的位置;

(7) 固定好后，確認(rèn)工作臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，將工作臺(tái)移動(dòng)至支撐側(cè);

(8) 移動(dòng)工作臺(tái)至支撐側(cè)支撐單元后，擰緊支撐單元的固定螺栓;

(9) 固定好后，將工作臺(tái)移動(dòng)至靠近支撐側(cè)的行程盡頭附近，并再次將工作臺(tái)和螺母支座松開后相互固定;

(10) 將工作臺(tái)移動(dòng)到固定側(cè)，左右移動(dòng)，確認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)。往返移動(dòng)多次將工作臺(tái)調(diào)整到在全行程內(nèi)都能順暢運(yùn)行的狀態(tài);

(11) 如果運(yùn)行中發(fā)生異響、阻塞的現(xiàn)象，請(qǐng)重復(fù)第(3) ～ (6) 步。

5.2.3 精度檢測(cè)和螺栓擰緊

使用千分表確認(rèn)絲杠軸端外徑部分的跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)，測(cè)量值如表2 所示，絲杠的安裝精度符合裝配要求，并依次完全擰緊螺母、螺母支座、固定側(cè)支撐單元、支撐座固定單元各處的螺栓。

表2 絲杠傳動(dòng)精度

5.2.4 連接電機(jī)

(1) 將電機(jī)支座安裝在基座上;

(2) 用聯(lián)軸器連接電機(jī)和滾珠絲杠;

(3) 充分地試運(yùn)行。

需注意: 電機(jī)支座、聯(lián)軸器的安裝精度影響工作臺(tái)的行走定位精度。

5.2.5 定位精度與重復(fù)定位的檢測(cè)

Z 軸維修后，通過(guò)激光干涉儀檢測(cè)Z 軸精度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 Z 軸精度檢測(cè)曲線圖(修復(fù)后)

可以看出: Z 軸維修后，定位精度、重復(fù)定位精度、反向間隙測(cè)量值都符合機(jī)床的使用標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行。

6 總結(jié)

對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度的檢測(cè)，通常都是在機(jī)床空載狀態(tài)下進(jìn)行。為確保機(jī)床在工作過(guò)程中具有良好的定位精度，在出廠前裝配數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行軸承的預(yù)緊，當(dāng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)維修后，為恢復(fù)和保持機(jī)床的原始精度，也要重新對(duì)支承軸承預(yù)緊，預(yù)緊力的大小根據(jù)機(jī)床的最大載荷確定。

［1］陳洋，桂柯，孫亮，等．?dāng)?shù)控鏜銑機(jī)床進(jìn)給軸精度調(diào)整測(cè)量與補(bǔ)償方法［J］．機(jī)床自動(dòng)化，2013(13) :50－51．

［2］王勝，何強(qiáng)，衛(wèi)江，等．基于雙頻激光干涉儀的重要數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量［J］．機(jī)械制造，2013(1) :83－84．

［3］仇健，張凱，李鑫，等．國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床定位精度對(duì)比分析研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(8) :1－2，7．