臥式加工中心零點漂移問題的分析與預防*

□ 李太松 □ 王 銳

沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

在增量式測量系統中,數控機床回零操作十分重要。以HMC80H臥式加工中心的Z軸走向為例,機床的原點設置在遠離主軸端的位置。為了使系統能夠識別Z軸坐標位置,需要人為設置路標,即參考點,回零操作相當于打卡定位。增量式編碼器雖然能夠通過脈沖來計數位移增量,但是無法給出具體的位置坐標。數控系統中的加工編程,都是基于位置坐標而計算的。因此,在每次機床通電后,為確保系統能夠準確識別坐標系和原點位置,需要進行回零操作,這樣才能夠保證機床伺服系統正常運行。

臥式加工中心坐標軸結構如圖1所示。對于臥式加工中心而言,除X、Y、Z三直線運動軸的定位外,工作臺回轉B軸、主軸方向定位C軸都有角度定位的嚴格要求。另外,涉及雙轉臺交換動作,也對Z軸工作臺交換位置和交換角度有定位要求。

2 零點漂移問題分類

臥式加工中心發生的零點漂移問題可以分為兩類:軸向定位或角度定位偏移故障、回零點失靈故障。

HMC80H臥式加工中心定位出現坐標位置偏移或者角度偏差,一般直線軸偏移坐標0.05～0.5 mm,偶發最大為一個螺距。主軸角度偏差一般在3°以內,和主軸電機與主軸之間的傳動比有關。在整個偏移過程中,系統不會出現報警提示,這會導致零件加工不合格,表現為同一方向偏離誤差,換刀時出現卡刀、掉刀,換臺不到位,工作臺定位不準或無法實現落位等嚴重事故。

臥式加工中心在運行過程中會產生回零點的運行過程,這是為了在每次機床開機之后,都能夠在機床上建立一個新的坐標系。回零點失靈故障一般發生在開機后坐標軸在執行回零點操作的命令時,表現為回零點操作命令或者手動回零點操作失效。

由上述描述可以看出,兩種故障中軸向定位和角度定位偏移故障造成的后果較為嚴重,且隱蔽性較強,這就要求用戶加強設備維護,對機床位置精度進行定期檢測,以免造成不必要的損失。

3 原因診斷和分析

對于軸向定位或角度定位偏移,一般原因是系統檢測第一個零脈沖時受到了干擾。圍繞干擾的相關因素進行診斷,具體原因可分為參考點位置錯誤、測量元件失靈或損壞、伺服控制不當、傳動鏈誤差四個方面。

(1) 參考點位置錯誤。回零點開關、光柵尺等元件位置發生改變會造成參考點位置錯誤。回零點開關連接松動、碰撞產生移位、撞塊位置移動、重復拆卸安裝移位等會影響回零點減速的位置,導致原先的定位坐標整體發生偏離。在全閉環系統中,光柵尺重新安裝位置如果有偏移,第一個零脈沖位置也會產生變化,參考點必然會產生變化。

(2) 測量元件失靈。診斷的對象依次為反饋線路、外部編碼器、伺服電機內部編碼器。光柵尺的零脈沖或位置編碼器有故障,光柵尺都會產生錯誤的零脈沖,使響應的零脈沖不是真正的第一個零脈沖。

(3) 伺服控制不當。表現為伺服控制器未執行回零減速命令,或者速度參數設置偏高。速度參數設置偏高時,對零脈沖的采集容易受到速度干擾,系統可能會因為響應時間的問題而接收錯誤零脈沖。但速度參數設置也不能偏低,否則會引起報警。

(4) 傳動鏈誤差。以HMC80N臥式加工中心的直線伺服軸為例,滾珠絲杠的誤差主要體現為熱伸長。系統溫差產生的原因有可能是環境溫度,也可能是裝配不當。溫差導致滾珠絲杠的螺距產生變化,進而導致定位誤差增大。另外,聯軸節松動是產生較大偏移的常見原因。

對于回零點故障,集中表現為臥式加工中心在運行一段時間后出現回零點失準,尤其是在直線軸上表現較為明顯。

臥式加工中心執行回零點操作后,直線坐標軸沒有減速,沖過零點位置,直接在極限位置撞停,這很有可能是回零點開關故障,反饋信號沒有傳遞至系統導致的。相同的原因在主軸回轉定位時也較為常見,回零點開關相對位置不當或者開關自身故障導致檢測信號丟失,使主軸無法實現回零點。

臥式加工中心執行回零點操作后,有減速的直線運動過程,但在極限位置停止前沒有找到零點,造成這種故障可能的原因是回零點開關的撞塊離極限位置過近,導致回零點開關在未進行斷開動作前就到達了極限位置,因此并未產生第一個零脈沖信號。

回零點操作后,有減速的過程,出現了速度歸零,但是停止位置與零點有偏差。這一故障的原因可能是回零點開關被釋放時,機床軸位置與參考點位置過于接近,受回零點開關動作時間偏差和滾珠絲杠傳動誤差的影響,錯過了第一個零脈沖,參考點接收第二個零脈沖。

4 預防和維修

為避免零點漂移問題造成停機及不必要的損失,必須加強機床的日常維護,并定期對機床的定位精度進行檢測。

機床屬于強受力設備,剛性變形、振動和疲勞都不可避免,只能盡量減少零點漂移,無法完全杜絕。根據筆者公司經驗,機床定位精度以三個月復檢一次為佳。如果發現批量零件不合格,懷疑定位精度出現偏差,應當立即進行定位精度檢測,以避免積累誤差造成更大的損失。

建議保持恒定的車間溫度,一般在15～25 ℃之間。早上環境溫度低,機床、潤滑油溫度都偏低,導致機床受冷熱溫差影響產生變形的情況。一般認為1 m鋼管在溫升1 K的情況下熱伸長0.01 mm,溫度是影響機床精度不可忽略的因素。機床開機熱機20～30 min,使機床處于一個穩定的熱平衡狀態,此時機床的精度最高,能夠最大限度避免零點漂移的情況。

出現零點漂移故障后,先進行現象診斷,本著先機械后電氣、先外圍后內部的原則進行排查。

檢查相關硬件連接,包括回零點開關、回零點開關撞塊、聯軸節、光柵尺、反饋線路連接等,檢查零件連接是否存在松動、偏移,電氣線路是否虛連或者短路。

檢查零件的有效性。回零點開關可以用替換法測試是否出現故障,光柵尺可以重點檢查讀數頭與晃片之間位置是否對齊。對于無觸點開關,要注意安裝位置,調整到合適的感應距離,使其能夠有效地感應被測零件位置。

回零故障的原因很有可能是回零點開關的撞塊位置不合適,這一位置既要遠離極限開關,又要保持第一個零脈沖發生時避開滾珠絲杠螺距整數位。如果判定是因為撞塊位置產生的故障,建議將安裝位置朝極限方向調整0.5個螺距,或者加修撞塊斜邊角度,使其變陡,目的是使開關釋放時間提前,避開滾珠絲杠螺距整數位附近位置。另外,在電氣系統中修改柵格偏移量也是可行的,慢速模式下,控制手輪移動軸,測試回零點誤差,根據誤差調整偏移量數值。

5 結束語

數控機床工作環境復雜,受到沖擊、振動等情況不可避免,機床裝配不到位,運行時間長較易出現故障。故障表現情況要具體分析,原因也不盡相同。在進行臥式加工中心零點漂移問題分析時,要遵循先排查機械原因,后排查電氣原因的流程,這樣可以避免不必要的檢查工作,提高維修效率,降低維護成本。