滾珠絲杠維修策略與誤差補償研究*

嚴瑞強，田澤明

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003)

0 引言

滾珠絲杠是數控車床最常用的一種進給傳動系統，其進給傳動系統的精度、靈敏度、穩定性直接影響數控車床的定位精度和加工精度。有研究者在絲杠安裝、維修和誤差補償方面做了大量的研究工作：郭學周，張春梅[1]給出普通機床的傳動系統數控化改造設計思路和設計方法；李迪菲[2]介紹了滾珠絲杠的應急修理方法，通過改進機械結構，修配現有的零件，達到了快速修復成線設備；薛崗[3]提出了滾珠絲杠副的維修與保養應該注意的問題；張霞，張興波等[4]研究了6種主要加工精度調整方法的工作原理和具體實施步驟；邱騰雄[5]針對機床誤差的主要因素提出數控機床實施誤差補償的步驟。但在數控機床維修過程中，針對備件短缺維修處理研究的不足，本文采用修配法更換不同螺距、不同螺旋旋向和不同長度尺寸的滾珠絲杠，設定相應的CNC參數并用激光干涉儀檢測了機床X/Z軸反向間隙、螺距補償、定位精度和重復定位精度，并導入分析得到的數據補償值至機床。經試車，機床各項精度符合要求，驗證了該方法的可靠性和有效性，解決了工程實際維修過程中備件短缺的常見問題。

1 提出問題

某企業有一臺自貢長征集團機床廠生產的數控車床，型號CK6132A，配FANUC Series Oi Mate-TB數控系統，機床主要規格參數：主軸最大轉速Nmax=2000 r/min，橫向最大行程205 mm，縱向最大行程750 mm，橫向快速移動速度3000 mm/min，縱向快速移動速度6000 mm/min。其中進給傳動系統采用交流數字式進給伺服電機通過聯軸器與滾珠絲杠直聯，驅動運動部件，獲得X/Z坐標的直線運動，具有很高的運動精度和傳動剛度，兩個坐標進給傳動結構如圖1所示。

1-鎖緊螺母；2、8-銅墊；3、7-緊定螺釘；4、5、6-角接觸軸承；9-鎖緊螺母。

設備運行時出現進給過載報警，運動部件爬行、振動并且X軸、Z軸均伴有轟鳴的震動聲，故機床無法正常運行。經排查發現設備潤滑管路斷裂，滾珠絲杠、軸承磨損嚴重。需要更換滾珠絲杠和軸承，經詢問長征集團機床廠已停產，如果購買相同型號的滾珠絲杠需定做并等待3個月，機床停機時間長，企業生產任務緊，如無法按期交貨，將會給企業帶來嚴重后果。

2 故障處理

結合工廠實際需要和現有備件，機床原有部件和現有備件并不一致，見表1所示。

表1 滾珠絲杠新舊對照表

依據國家標準GB/T17587.3—1998，采用修配法更換滾珠，應考慮滾珠絲杠選擇規格型號的主要參數：①導程，即螺距；②公稱直徑，即絲杠的外徑；③絲杠長度，長度有兩個概念，一個是全長，另一個是螺紋長度；④螺母形式；⑤絲杠軸端數據。

2.1 滾珠絲杠選型計算

1)螺距(L)設定

(1)

式中：Nmax—電機最大轉速；Vmax—最大進給速度；L—螺距。

根據主軸最大轉速Nmax=2000 r/min，橫向快速移動速度3000 mm/min，代入公式(1)，則有：

L≥1.5 mm

原機床滾珠絲杠螺距為4 mm，現有備件滾珠絲杠螺距為5 mm，隨著螺距的增大，驅動力矩也增大，增加了滾珠絲杠壽命。

2)絲杠外徑的選定

絲杠外徑的選定原則一般是根據最高的容許轉速以及軸承的安裝固定方式，在標準導程(螺距)規格中選擇，標準螺距規格見表2。

表2 標準螺距表

這里根據標準螺距表和現有備件情況，X軸選定絲杠外徑為25 mm，Z軸選定絲杠外徑為32 mm，基本符合要求。

綜上所述，現有滾珠絲杠備件基本滿足更換要求，但是，橫向(X)軸：螺距不同、螺旋旋向不同；縱向(Z)軸：現有滾珠絲杠備件全長比原來滾珠絲杠略短。

2.2 應急處理

橫向(X)軸：不同螺距、不同螺旋旋向需通過修改相應的CNC參數來控制，具體步驟如下：

1)選擇“MDI”模式；

2)按“OFFSETTING”進入設定 ( SETTING) 畫面，設定 “寫參數”為 1；

3)按“SYSTEM”→“? ” →“SV-PRM” →X軸方向設定，將原來“111”改為“-111”即可，如表3所示。

4)按“SYSTEM”→“參數”→找到柔性齒輪比參數NO.2084(SDMR1)和NO.2085(SDMR2)，將原來NO.2085(SDMR2)的“X125”改成“X100”，如表4所示。

表4 X軸柔性齒輪

5)完成X軸不同螺距、不同螺旋旋向的相關參數設定，關機重啟機床即可。

縱向(Z)軸：現有滾珠絲杠備件全長比原來滾珠絲杠短120 mm，滾珠絲杠螺母副裝配外徑比原來略小20 mm、右端安裝部分少一個臺階。為此提出將新舊兩根絲杠切斷后，采用鎖緊式聯結軸套對接一體的改造方案。即在滾珠絲杠左端根據鎖緊式聯結軸套的通用性、互換性強，安裝、拆卸方便，還能傳遞較大扭矩的特性，將原滾珠絲杠的左端安裝部分留下，保證裝配長度95 mm和聯結長度30 mm與現備件左端(去除裝配部分)采用鎖緊式聯結軸套對接，保證滾珠絲杠全長滿足要求；在滾珠絲杠中間絲杠螺母外加裝一變徑套滿足安裝尺寸要求；在滾珠絲杠右端加一軸套，起輔助端面定位作用。處理后的Z軸絲杠實物如圖2所示。

圖2 處理后Z軸絲杠實物

3 誤差補償

誤差補償是提高數控機床加工精度的一個主要途徑，快速準確測量數控機床各種誤差并進行誤差補償，是提高數控機床精度的關鍵。目前采用激光干涉儀測量數控機床各種誤差并進行誤差補償，這種方法快速、準確、高效。

3.1 誤差檢測

圖3 X軸現場檢測圖

機床的軸承、滾珠絲杠重新裝配后，X/Z軸的反向間隙、螺距誤差、定位精度和重復定位精度等采用雷尼紹XL-80型一種可以測量直線度、角度的高精密激光干涉儀器和準確測量原始環境參數的XC-80補償單元校準。在這里，僅介紹X軸各項精度檢測，Z軸雷同則不再贅述，X軸現場檢測如圖3所示。具體操作步驟如下：

1)安裝激光干涉儀

安裝三腳架→安裝激光頭→安裝磁力固定表座→安裝分光鏡和反射鏡。

2)安裝XC補償單元

將空氣溫度、材料溫度傳感器與XC-80補償單元連接。

3)激光束的調整

調整激光頭，使激光干涉儀的光軸與機床(X軸)移動的軸線在一條直線上，建立滿足要求的激光光路。

4)設置通信參數

5)目標點定義

目標點→等距離定義目標→目標設定(按照ISO標準生成目標，第一定位點為0 mm，最終定位點為-200 mm，間距值為20 mm，目標數為11，小數點后位數為3)。

6)參數設定和清除補償值

在進行檢測之前，需進行機床參數設定，具體設置數據如表5所示。為避免測量目標點位置值的準確性，必須清除機床數控系統的反向間隙(使NO.1851=0)和螺距誤差原補償值(使NO.0—NO.1023=0)。

表5 參數設定

①選擇“MDI”模式；

②按“OFFSETTING”進入設定 ( SETTING) 畫面，設定 “寫參數”為 1；

③按“SYSTEM” →“參數”找到表5中的參數號輸入表中設定值；

④按“SYSTEM”→“?” →“螺補” 將表格中所有值都清零；

⑤關機重啟機床；

⑥生成測量程序；

⑦X軸移動程序導入機床；

⑧數據采集。

b.采集數據→開始→采集數據啟動(定位方式為線性定位方式，測量次數為2次，選擇方向為雙向，誤差帶為0.0 mm)→自動采集數據設定(自動采集為有效，采集方式為位置，最小停止周期為2秒，讀數穩定性為0.001 mm，公差窗口為4 mm，越程量大小為0.5 mm，越程行動為移動)→確定開始采集。

3.2 誤差補償

對采集的數據進行分析，數據→分析數據→按GB/T17421.2—2000分析曲線→誤差補償圖表(圖表類型為均值補償，補償類型為絕對值，正負符號轉換為補償值，參考點位置為0 mm，補償起點為0 mm，補償終點為-200 mm，補償間隔為20 mm)進行數據分析。得到分析后的誤差補償值表如圖4所示。根據圖4誤差補償數值表補償機床誤差，具體步驟如下：

1)MDI→按“OFFSETTING”進入設定 ( SETTING) 畫面，設定 “寫參數”為 1 →按“SYSTEM” →“參數”，由圖4可知X軸的反向間隙為 0.002 mm。設置反向間隙補償參數NO.1851，X軸為2；

圖4 誤差補償值

2)按“SYSTEM”→“?” →“螺補”，進入螺距補償頁面，補償點號從第1號至第11號依次輸入分析后螺距誤差補償值；

3)將補償數據輸入后，再進行數據采集驗證補償值，多次反復采集修正。

4 實例驗證

在保證各項參數輸入正確的條件下，為了確保萬無一失，通過手輪控制X、Z軸，來回移動到各極限位置3～5次，無明顯機械振動或爬行，再用杠桿千分表測量X、Z軸的反向間隙，實測各項指標符合要求。為了進一步驗證該方法的可靠性，通過試切如圖5所示的臺階軸，用三坐標測量儀和輪廓測量儀檢測，加工結果如表6所示。

圖5 臺階軸

表6 實測結果表

從表6可以看出，被測零件尺寸精度、表面粗糙度符合要求，結果表明：采用該方法行之有效。

5 結語

結合工廠實際介紹了更換不同類型X/Z軸滾珠絲杠處理技巧，并采用激光干涉儀檢測機床X/Z軸反向間隙、螺距補償、定位精度和重復定位精度，導入分析得到的補償值至機床。經試車，機床精度符合要求。在工程實際維修過程中，備件短缺是一個不爭的事實，維修人員廣開思路，采取有效的替代改造方案，達到了設備要求，保證了生產節拍，不失為一個良策。