智能生產(chǎn)線機(jī)床進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動預(yù)測診斷結(jié)構(gòu)

張道東

山東威達(dá)重工股份有限公司 山東滕州 277500

1 序言

在智能生產(chǎn)線中，機(jī)床的預(yù)測性維護(hù)十分重要，其中數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸傳動結(jié)構(gòu)是伺服電動機(jī)組件通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠上的絲母將伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動改變?yōu)檫M(jìn)給軸的直線運(yùn)動，由于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度較快，如快進(jìn)、快退的速度常規(guī)為10～60m/min，部分甚至達(dá)到60m/min以上，在整個加工過程中正反轉(zhuǎn)換頻繁，聯(lián)軸器承受的瞬間沖擊較大，容易引起聯(lián)軸器松動和扭轉(zhuǎn)，隨使用時間的增長，其松動和扭轉(zhuǎn)的情況加劇。在實(shí)際加工時，主要表現(xiàn)為各方向運(yùn)動正常、編碼器反饋也正常、系統(tǒng)無報警，而運(yùn)動值卻始終無法與指令值相符合，加工誤差值越來越大，造成加工零件不合格。傳統(tǒng)的解決辦法是將此數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給軸安裝光柵尺，將進(jìn)給軸的傳動方式由半閉環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制，此方法缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本特別高，防護(hù)困難。

基于此，設(shè)計了一種數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動診斷裝置，并在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的PLC中通過做梯形圖與進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動診斷裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)即時的報警，避免因聯(lián)軸器的松動，造成加工誤差，實(shí)現(xiàn)加工過程中的預(yù)判功能。

2 技術(shù)方案和工作原理

（1）結(jié)構(gòu)組成 進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動診斷裝置包括伺服電動機(jī)、絲杠座、基礎(chǔ)部件、聯(lián)軸器、接近開關(guān)、感應(yīng)塊、滾珠絲杠副、絲母座和運(yùn)動部件，此外，該診斷裝置還包括信號收集器、PLC和系統(tǒng)電氣控制部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中伺服電動機(jī)通過螺釘固定安裝在絲杠座端面，絲杠座通過螺釘固定安裝在基體上，絲杠座內(nèi)腔安裝有軸承，用于支撐滾珠絲杠一端，軸承座通過螺釘固定安裝在基體另一端，軸承座內(nèi)腔安裝有軸承，用于支撐滾珠絲杠另一端。滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)螺母與絲母座通過螺釘固定聯(lián)接，絲母座通過螺釘安裝在運(yùn)動部件下部，伺服電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠上的絲母將伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動改變?yōu)檫M(jìn)給軸的直線運(yùn)動，帶動運(yùn)動部件沿機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸功能。

圖1 進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動診斷裝置結(jié)構(gòu)

聯(lián)軸器通過脹套脹緊結(jié)構(gòu)與伺服電動機(jī)伸出軸和滾珠絲杠副軸端聯(lián)接，接近開關(guān)通過鎖緊螺母固定安裝到支撐板上，支撐板通過螺釘固定安裝到絲杠座上，感應(yīng)塊通過螺釘固定安裝到滾珠絲杠靠近聯(lián)軸器軸端外圓上，感應(yīng)塊與接近開關(guān)形成信號觸發(fā)組件，感應(yīng)塊隨滾珠絲杠每旋轉(zhuǎn)360°，其與接近開關(guān)就觸發(fā)一次，并將信號數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)床系統(tǒng)。如圖2所示，感應(yīng)塊與接近開關(guān)形成觸發(fā)信號，發(fā)送到信號收集器，該信號送入系統(tǒng)輸入信號接口并入PLC，通過編制PLC控制邏輯實(shí)現(xiàn)預(yù)判和報警功能。

圖2 信號傳遞系統(tǒng)

（2）工作原理 假設(shè)滾珠絲杠的導(dǎo)程為10mm，伺服電動機(jī)軸轉(zhuǎn)動360°，伺服電動機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)360°，滾珠絲杠副驅(qū)動運(yùn)動部件沿機(jī)床導(dǎo)軌移動10mm，此時接近開關(guān)和感應(yīng)塊觸發(fā)一次，如果聯(lián)軸器有松動，出現(xiàn)了伺服電動機(jī)和滾珠絲杠的異步現(xiàn)象，伺服電動機(jī)會轉(zhuǎn)動360°以上，也就是進(jìn)給軸在系統(tǒng)運(yùn)行的程序中機(jī)械坐標(biāo)值要相差＞10mm以上，接近開關(guān)和感應(yīng)塊才會觸發(fā)一次，我們的經(jīng)驗數(shù)值是運(yùn)行程序中要大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的0.1mm以上，表示聯(lián)軸器松開的可能性比較大。

在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的PLC中通過做梯形圖與進(jìn)給軸聯(lián)軸器松動診斷裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和判斷，實(shí)現(xiàn)即時的報警，避免因聯(lián)軸器的松動，造成加工誤差，實(shí)現(xiàn)加工過程中預(yù)判功能。梯形圖主要邏輯處理如圖3所示。

圖3 梯形圖主要邏輯處理

（3）基本的算法步驟 在感應(yīng)信號有效時，將上一坐標(biāo)值從存儲器E2000保存到存儲器E2004中。之后通過PMC窗口指令讀取軸的機(jī)械坐標(biāo)值，將該坐標(biāo)值存儲在E2000中。E2004用作誤差值計算的被減數(shù)存儲器，E2000用作誤差值計算的減數(shù)存儲器。如此持續(xù)循環(huán)。

在感應(yīng)信號有效時，計算當(dāng)前機(jī)械坐標(biāo)值與上一機(jī)械坐標(biāo)值的誤差值。分4種情況，具體見表1。

表1 4種當(dāng)前機(jī)械坐標(biāo)值與上一機(jī)械坐標(biāo)值的誤差值計算情況

將誤差值取絕對值，然后判斷：誤差值－公差值＞0，差值＞0則超差。

累計連續(xù)出現(xiàn)5次超差，則系統(tǒng)出現(xiàn)報警信息：xx軸聯(lián)軸器松動，系統(tǒng)急停。

3 結(jié)束語

采用以上診斷裝置，不僅解決了由于聯(lián)軸器安裝位置封閉，外部診斷困難的問題，還解決了原來老式的閉環(huán)成本過高，且精度檢測范圍超出需求過大的問題。該結(jié)構(gòu)已在多臺機(jī)床使用并得到驗證。