Fanuc加工中心滾珠絲杠在線檢測技術(shù)

蒙旭喜，楊　明，陳　斌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

在發(fā)動(dòng)機(jī)制造設(shè)備中，加工中心完成60%的工序，加工中心設(shè)備數(shù)量占比例75%.氣缸體、氣缸蓋的大部分加工內(nèi)容是由加工中心完成。按4軸聯(lián)動(dòng)加工中心計(jì)算，一個(gè)年產(chǎn)40萬產(chǎn)能的發(fā)動(dòng)機(jī)需108臺(tái)CNC，共用108×3=324根滾珠絲杠。

產(chǎn)品的加工質(zhì)量取決于工作臺(tái)的定位的精度，而工作臺(tái)由滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠失效后，表現(xiàn)為氣缸體缸孔刀痕、氣缸蓋座圈/導(dǎo)管底孔直徑超差等質(zhì)量問題，易引發(fā)批量質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)處理方式為，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿與螺母副的間隙、或跟蹤診斷號(hào)#550-553半閉環(huán)與全閉環(huán)誤差補(bǔ)償值大小直接更換絲杠，無法判定滾珠絲杠的磨損狀況及程度，存在誤判及發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患的滯后性。本文利用ServoGuide工具監(jiān)控調(diào)整絲杠狀態(tài)，提取Q-DAS數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，可以隨時(shí)跟蹤絲杠磨損程度、調(diào)整機(jī)床加工精度，解決各類機(jī)床共振、加工刀痕、加工超差等問題。如圖1所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖1　滾珠絲杠失效加工超差

1　滾珠絲杠位置誤差的產(chǎn)生

機(jī)床的每一根軸都是由伺服系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)的組成是由伺服軸卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成。它的主要作用是由伺服系統(tǒng)接受NC所發(fā)出的位置指令來驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行定位控制。加工中心X、Y、Z軸由滾珠絲杠傳動(dòng)。通過伺服同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。加工過程中滾珠絲杠螺母副往復(fù)運(yùn)動(dòng)不可避免產(chǎn)生反轉(zhuǎn)間隙，較大的反轉(zhuǎn)間隙造成工作臺(tái)反向移動(dòng)時(shí)，坐標(biāo)顯示移動(dòng)而實(shí)際工作臺(tái)未移動(dòng)，使半閉環(huán)系統(tǒng)與全閉環(huán)系統(tǒng)位置環(huán)誤差超過參數(shù)#2118的設(shè)定值，機(jī)床震動(dòng)不穩(wěn)定[1]。滾珠絲杠磨損越大反向間隙遠(yuǎn)大，振蕩越不穩(wěn)定。其稱為位置誤差，位置誤差震蕩越大，機(jī)床越不穩(wěn)定。此時(shí)機(jī)床常伴隨伺服軸報(bào)警。半閉環(huán)系統(tǒng)與全閉環(huán)系統(tǒng)控制的位置誤差增大，常表現(xiàn)為如下報(bào)警代碼：

410代碼：某軸停止中的位置偏差量超過了參數(shù)#1829設(shè)定的值，可能該軸的反饋電纜損壞，編碼器故障或放大器控制板損壞。

411代碼：某軸移動(dòng)中的位置偏差量超過了參數(shù)#1828設(shè)定的值，可能該軸的反饋電纜損壞，編碼器故障或放大器控制板損壞。

421代碼：采用雙位置反饋功能時(shí)，半閉環(huán)的反饋誤差與全閉環(huán)的反饋誤差之差值超過了參數(shù)2118設(shè)定的值，可能該軸的光柵尺或電機(jī)編碼器反饋電纜損壞，光柵尺或編碼器故障或放大器控制板損壞。

鎖定問題方法1：放大2118參數(shù)報(bào)警值，空運(yùn)行/手動(dòng)移軸查看診斷號(hào)550（全閉環(huán)）、551（半閉環(huán)）數(shù)值變化。方法2：屏蔽光柵尺循環(huán)。此時(shí)可快速是否為滾珠絲杠位置誤差產(chǎn)生震蕩。機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)控制通訊方式如圖2所示。

圖2　機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)通訊方式如圖

2　位置誤差檢測方法—ServoGuide

ERRC表示驅(qū)動(dòng)裝置的誤差值，因ERRC=進(jìn)給速度/位置增益，故當(dāng)進(jìn)給一定時(shí)，ERRC理論上一定。但由于絲杠、螺母副、軸承磨損，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)件間約束發(fā)生變化，系統(tǒng)定位時(shí)，為達(dá)到準(zhǔn)確定位，必須不斷進(jìn)行調(diào)整，從而體現(xiàn)為機(jī)床某軸驅(qū)動(dòng)裝置振動(dòng)。機(jī)床位置增益設(shè)定值越高，相同進(jìn)給速度下，ERRC值越小，但同時(shí)要求機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置剛度和約束越高。當(dāng)機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置剛度和約束無法與機(jī)床位置增益匹配時(shí)，振動(dòng)發(fā)生。ERRC曲線可作為表征絲杠狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。ERRC監(jiān)控方法如圖3所示。

圖3　圖形設(shè)置

通過對同一臺(tái)機(jī)床在同一進(jìn)給不同1825（位置增益）值下的監(jiān)控，可發(fā)現(xiàn)位置增益越小，機(jī)床ERRC越大，但由于同時(shí)降低機(jī)床定位的敏感度，機(jī)床振動(dòng)降低，ERRC曲線的振幅降低。因此，可通過對驅(qū)動(dòng)裝置的ERRC曲線進(jìn)行定期收集，建立數(shù)據(jù)庫，通過大量數(shù)據(jù)的分析，對不同工位的驅(qū)動(dòng)裝置狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以制定有效的預(yù)測性維修。

如圖4所示的正常絲杠ERRC，通過檢測對比T0001刀具在加工時(shí)的Z軸位置偏差（ERRC）曲線，97 000~100 000 ms、101 000~105 500 ms無震蕩，誤差值波動(dòng)范圍將近2~3 μm（正常范圍25 μm以下）。該機(jī)床Z軸絲杠正常。

圖4　正常絲杠ERRC

如圖5所示的故障絲杠ERRC，檢測對比T0001刀具在加工時(shí)的Z軸位置偏差（ERRC）曲線，75 550~79 500 ms、80 000~84 500 ms震蕩，誤差值波動(dòng)范圍將近56~57 μm.該機(jī)床Z軸絲杠異常。判定絲杠、螺母副、軸承磨損。此時(shí)機(jī)床可能會(huì)產(chǎn)生共振、加工刀痕、加工超差等問題。

圖5　故障絲杠ERRC

3　誤差計(jì)算及加工精度調(diào)整

FANUC SEVRO GUIDE首先測量位置誤差大小，再通過對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整重置：一是抑制設(shè)備異常震動(dòng)（#1825/#1828/#2118/2021位置環(huán)、速度環(huán)增益進(jìn)行調(diào)整），通過在線測量機(jī)床響應(yīng)頻率來手動(dòng)調(diào)整；二是調(diào)整機(jī)床加工精度（系統(tǒng)功能的調(diào)整），通過觀察畸形零件來調(diào)整。抑制機(jī)床震動(dòng)是基礎(chǔ)，調(diào)整加工精度是進(jìn)一步發(fā)揮機(jī)床性能，可以實(shí)現(xiàn)伺服軸絲杠測量、自動(dòng)調(diào)整功能及調(diào)整引導(dǎo)功能[2]。

3.1　滾珠絲杠位置誤差計(jì)算

滾珠絲杠傳動(dòng)中位置誤差的計(jì)算及相關(guān)參數(shù)調(diào)整。

No2021：負(fù)載慣量，其值決定速度增益。速度增益=[No2021+256/256]×100

No1825：位置環(huán)增益，單位 0.01/S誤差量（P）=[進(jìn)給速度/60×位置增益]×1/檢測單位

No1826：快速指令的到位寬度。

No1827：切削指令的到位寬度。到位：定位結(jié)束。系統(tǒng)根據(jù)移動(dòng)指令和反饋指令的差值的多少，來確定是否定位結(jié)束。位置偏差值存放在誤差寄存器中，其值可以通過診斷DGN300讀出。

No1828：移動(dòng)中的誤差極限值，當(dāng)誤差寄存器數(shù)值超過其值，ALM411報(bào)警。

No1829：靜止時(shí)的誤差極限值，當(dāng)誤差寄存器數(shù)值超過其值，ALM410報(bào)警。

3.2　ServoGuide調(diào)整原則

（1）提高位置增益，可以改善系統(tǒng)的定位及加工精度，調(diào)整量以不使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)與過沖為前提，同時(shí)所有的差補(bǔ)軸的增益需保持一致。

（2）提高速度增益，可以改善電機(jī)的速度響應(yīng)，提高加速能力，但過高的速度增益會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)[3]。

（3）當(dāng)振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，可以在降低速度及位置增益之前使用轉(zhuǎn)矩指令濾波器進(jìn)行調(diào)整，如因機(jī)床的機(jī)械剛性等原因不能產(chǎn)生效果后，可降低速度及位置增益。轉(zhuǎn)矩指令濾波器：將輸出的轉(zhuǎn)矩指令中包含的高于設(shè)定頻率的共振頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)距指令濾掉，以降低振動(dòng)。

3.3　加工精度調(diào)整方法（ERRC）

調(diào)整機(jī)床加工精度方法應(yīng)該從兩方面著手：控制系統(tǒng)方面和驅(qū)動(dòng)方面。系統(tǒng)方面使用AIAPC或AICC.驅(qū)動(dòng)方面主要通過調(diào)整伺服位置環(huán)增益（PRM 1825），速度環(huán)增益（PRM 2021）參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，使之越寬越好。

3.3.1控制系統(tǒng)調(diào)整方法

首先設(shè)定控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)方面的參數(shù)。這些參數(shù)對于提高機(jī)床性能非常重要，建議按照以下的說明進(jìn)行設(shè)定。以系統(tǒng)是0i-B/C為例設(shè)定AICC以下參數(shù)。

No1620=100——各軸快速進(jìn)給直線型加減速時(shí)間常數(shù)T1；

No1621=8——各軸快速進(jìn)給鈴型加減速時(shí)間常數(shù)T2；

No1732=100——基于圓弧半徑進(jìn)給速度下限值；

No1768=16——AIAPC模式下插補(bǔ)后加減速時(shí)間常數(shù)；

No1770=10000——AIAPC模式下插補(bǔ)前加減速最大進(jìn)給速度；

No1771=200——AIAPC模式下插補(bǔ)前直線型加減速到達(dá)最大進(jìn)給速度的時(shí)間；

No1772=48——AIAPC模式下插補(bǔ)前鐘型加減速時(shí)間常數(shù)；

No 1602#6#3=1，0——先行控制下插補(bǔ)后加減速為直線型（當(dāng)使用插補(bǔ)前鐘型加減速時(shí)設(shè)定）3.3.2驅(qū)動(dòng)方面調(diào)整方法

手動(dòng)設(shè)定降低位置增益參數(shù)1825，同時(shí)增大移動(dòng)過程誤差值參數(shù)1828，可以改善絲杠定位產(chǎn)生振動(dòng)，對帶有圓弧插補(bǔ)、曲線、倒角等加工差補(bǔ)軸的增益需保持一致。所有參數(shù)調(diào)整應(yīng)以不影響加工精度、調(diào)整量為前提。手動(dòng)設(shè)定完以上參數(shù)之后，系統(tǒng)的性能應(yīng)有一定的提高。如果調(diào)整位置環(huán)增益還達(dá)不到精度要求，只能其他因素考慮：機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部分，進(jìn)給量、進(jìn)刀方式、刀具、程序、夾具零部件、機(jī)構(gòu)松動(dòng)、傳感裝置誤感應(yīng)、工件本身問題、速度、冷卻方式、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共振等。這些因素都會(huì)對加工質(zhì)量過程產(chǎn)生影響。以故障機(jī)床ERRC為例，調(diào)整后如下圖6、圖7所示。

圖6　調(diào)整1絲杠ERRC

圖7　調(diào)整2絲杠ERRC

修改參數(shù)1 825=5 000/4 500后，檢測對比T0001刀具在加工時(shí)的Z軸位置偏差（ERRC）曲線無震蕩，誤差值波動(dòng)范圍將近10≤25 μm.該機(jī)床Z軸移動(dòng)位置誤差正常、加工正常、抑制機(jī)床震動(dòng)。

4　滾珠絲杠失效狀態(tài)識(shí)別

滾珠絲杠由于長期的運(yùn)行產(chǎn)生磨損間隙，將直接影響加工中心的傳動(dòng)精度及剛性。一般現(xiàn)象為反向間隙大、定位精度不穩(wěn)定、機(jī)床產(chǎn)生震動(dòng)、螺母副卡滯、進(jìn)給爬行等。系統(tǒng)及參數(shù)調(diào)整已經(jīng)超過調(diào)整量，加工精度不能滿足要求時(shí)基本可以判定該絲杠已失效。以下圖ServoGuide位置偏差（ERRC）曲線檢測、Q-DAS數(shù)據(jù)狀態(tài)識(shí)別為例說明（見圖8）。

圖8　絲杠失效ERRC

對比T0001加工Z軸Q-ADS數(shù)據(jù)上下波動(dòng)不穩(wěn)定、位置偏差（ERRC）曲線震蕩嚴(yán)重，Z軸加工過程400ms震蕩，誤差值波動(dòng)范圍將近60 μm.而這個(gè)震蕩有可能導(dǎo)致機(jī)床共振、加工尺寸超差、加工刀痕、工件表面粗糙度不合格問題。通過對比可確認(rèn)該滾珠絲杠嚴(yán)重磨損，需更換處理。

5　結(jié)束語

通過Fanuc加工中心滾珠絲杠在線檢測技術(shù)，測量判別位置誤差的產(chǎn)生方式，使用Q-DAS數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，建立ServoGuide PDM數(shù)據(jù)。計(jì)算當(dāng)前位置誤差，進(jìn)行加工精度調(diào)整，解決加工中心機(jī)床振動(dòng)、提高加工精度、快速識(shí)別滾珠絲杠失效模式，從而推進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加工中心大批量生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化及穩(wěn)定性。