數控機床在加工中尺寸不穩定故障的診斷與維修

慕利軍，白光明

（內蒙古第一機械集團有限公司精密設備維修安裝公司，內蒙古包頭 014030）

0 引言

在數控機床使用中加工尺寸誤差過大及加工尺寸不穩定是兩種較為復雜的故障。設備機械傳動、電氣控制、系統參數優化等方面因素是影響數控機床加工尺寸不穩定的關鍵因素。

1 機械傳動方面

數控設備的機械傳動裝置主要是通過絲杠與絲母的平穩傳動、設備導軌（導軌有硬軌和線軌之分）的精度，來保證設備的加工精度，從機械傳動的組成來看，影響加工精度的因素有以下4 項：

（1）伺服電機與絲杠之間的連接松動，伺服電機一般是通過聯軸節與絲杠端頭連接，聯軸節內部有鍵塊或漲緊套[1]。如果出現連接松動問題，在軸運動過程中會導致電機與絲杠不同步，出現伺服軸在運動過程中實際位置與反饋位置的偏差。

針對此類問題，在進行故障檢查時，在伺服軸電機與絲杠端頭的聯軸節上做上標記，便于對比發現問題，在快速進給倍率模式下來回移動需檢查的軸，由于慣性作用使聯軸節的兩端出現標記有明顯相對的移動，說明存在連接松動問題，此類故障通常表現為零件加工尺寸只向一個方向有變動，故障排除過程中不能只將聯軸節螺釘擰緊，而要打開聯軸節檢查聯軸節是否磨損嚴重，漲緊套是否已無法漲緊，在軸運動過程中是否振動大等原因，把這些原因排除后，才能徹底解決此類故障。

（2）滾珠絲杠絲母副間隙大或磨損。絲杠、絲母副的間隙大往往是松動或磨損造成，故障表現為加工零件過程中進給伺服軸有異響。在實際維修中消除進給絲杠螺母副的間隙有以下方法：

雙螺母副絲杠螺母副間隙的調整有雙螺母墊片式調整、雙螺母螺紋式調整、齒差式消隙等方法[2]。但是對于不同類型的滾珠絲杠螺母副預緊力調整不同，比如GZ 系列的內循環單螺母絲杠，在磨損出現間隙后，一般無法再進行預緊（圖1a））；GL 系列內循環螺紋預緊雙螺母絲杠副，雙螺母預緊力的調節，根據設備工作情況的需要可以隨時調整預緊力（圖1b））；CDT 系列外循環導珠管凸出式雙螺母絲杠，預緊力容易調整（圖1c））。

圖1 滾珠絲杠絲母副

（3）滾珠絲杠固定軸承磨損或調整不當；滾珠絲杠與絲母之間、滑塊與導軌潤滑異常造成伺服軸運行時的阻力增大。絲杠的固定軸承不良，通常表現為尺寸在幾十絲范圍內無規律的竄動，可以把滾珠頂到絲杠端頭，把千分表頂到滾珠上，然后轉動絲杠，用千分表檢測滾珠絲杠軸向竄動間隙，如果絲杠軸向間隙過大時，應檢查軸承的狀態，更換不良軸承；如果確認絲杠軸承沒有問題，需要調整預緊螺母，首先松開絲杠端部的鎖緊螺母，預緊圓螺母，然后再鎖緊固定螺母，故障就可排除。

在設備靜態和動態中觀察導軌和絲杠潤滑是否正常，如果發現導軌和絲杠上沒有形成油膜，需要檢查潤滑油路的狀態，管路是否有堵塞、斷裂等現象。如果是使用鋰基潤滑脂給絲杠潤滑的，需要半年更換一次潤滑脂。由于潤滑不良使工作臺運動阻力增加，只要潤滑恢復即可排除故障。

（4）設備主軸軸承間隙或主軸其他輔助裝置故障。在數控設備上多采用串行數字控制的主軸驅動裝置，在設備加工過程中，主軸的精度是否符合要求也是零部件加工質量的關鍵因素。

如果出現加工產品出現了產品某項精度超差，涉及到主軸精度要求的，先要對主軸進行軸向跳動和主軸旋轉徑向擺差的檢測，檢測方法是用長度300 mm 長的主軸驗棒，用千分表在驗棒的根部和端頭部分別進行主軸擺差檢測，一般標準值根部應在不大于0.01 mm，端部應在不大于0.03 mm，如果超出標準值較多，應考慮是主軸軸承磨損或主軸錐孔內壁磨損。

還需要檢測主軸內的輔助裝置是否有故障，例如，主軸的刀具鎖緊/松開控制裝置是否松動，在加工零件時主軸拉爪無法拉緊刀具也會造成加工零件的質量問題；主軸的冷卻和潤滑裝置是否運行良好等。

2 電氣控制方面

2.1 伺服電機編碼器故障

（1）編碼器在連續旋轉時，輸出DC 5 V 左右的穩定電壓，編碼器的電源電壓不穩定都會造成輸出信號的誤差，影響反饋信號的質量，造成加工不穩定，可以用多用表測量輸出電壓，如果電壓低于5%時，檢查編碼器的電源線是否斷線，編碼器插頭針是否有松動；用示波器檢測編碼器的高頻15 V 方波信號，可以準確判斷編碼器的好壞。如果編碼器正常，可以更換電源控制電路板。

（2）編碼器碼盤的材料大多是玻璃，通常上面用熱穩定性好、精度高的金屬條作刻線。在設備的使用過程中，由于使用環境油污大、編碼器密封老化等原因，使油污或灰塵進入光柵內而造成信號失真或丟失故障，可以使用編碼器測量檢測儀器檢測信號是否正常或發到專業的廠家進行維修，然而在日常的維修過程中，如果遇到編碼器內部故障的問題，往往是直接更換新的編碼器。

2.2 光柵尺位置檢測裝置故障

對于全閉環控制系統，光柵尺是主要的位置反饋裝置。光柵尺反饋故障主要原因是光柵尺內部有油污和灰塵，造成光柵的柵格損壞，需清洗或更換光柵尺。

在日常維修中，遇到光柵尺的故障，光柵尺內部進入油污和灰塵，大部分是由于給光柵尺內部吹氣的壓縮空氣質量差，造成光柵污染，可用無水乙醇和綢布進行清洗；或者是光柵尺的讀數頭故障，造成光柵尺的檢測不良，讀數頭故障可以使用讀數頭測量檢測儀器檢測信號是否正常或是更換新的讀數頭，舊件可以拿到專業的廠家維修。

如果在設備光柵尺損壞而設備無法停機的時候，可以把光柵尺進行暫時屏蔽的方法進行維修，屏蔽光柵尺需要修改參數有，以FANUC 系統為例，相關參數有1815.1/4/5、2084、2085、2024、2185。光柵尺屏蔽后，需注意所屏蔽的軸的參考點發生了變化，尤其是涉及到自動換刀時要重新進行調整；設備的精度下降后，是否能滿足加工零件的工藝要求等。

2.3 伺服驅動器故障

判斷伺服驅動器的故障，可以用相同規格的伺服驅動器更換來判別故障，如果故障現象發生了轉移，說明驅動器故障，更換驅動器[3]。

2.4 干擾對系統工作穩定性的影響

主要因素有系統及控制裝置接地不良或不合理、信號線布線不合理等。屏蔽是防止干擾的有效措施，驅動器、變頻器、電機等元器件的可靠接地，能降低干擾的影響[4]。

3 系統參數的設定及優化方面

影響加工精度的系統參數主要包括進給的反向間隙補償參數、進給絲杠的螺距補償參數及電機控制的功能參數。

（1）設備進給軸存在反向間隙，調整反向間隙參數可以改善加工精度。反向間隙補償參數1851（切削進給方式）與1852（快速進給方式）補償的兩個參數。檢測方法如下：分別對所測量軸，在G00 和G01 兩種運行方式下，反復移動軸的位置，用千分表測量，要把所測的軸分為3 段，分別作往復移動，一般作6次，然后把中間和兩端的值加起來除以3 所得的值輸入1851和1852 中。

（2）對伺服軸的螺距誤差補償設置的調整。使用激光干涉議可以對機床的定位精度、重復定位精度，反向間隙等進行測量，同時進行機床螺距誤差的補償與調整。在維修現場使用較多的是RENISHAW 激光干涉儀，在使用激光干涉儀對設備的各軸進行調校時，有兩個方面需要注意：

（1）激光干涉儀安裝與準直，安裝時參照干涉鏡箭頭指示方向，準直的方法追光法，近端重合，遠端追光重回。

（2）誤差補償的設置，要根據不同設備的操作系統，對應的螺距補償參數不同，例如三菱系統的參數4003～4007 號、FANUC系統的參數是3620～3624 號、西門子系統中（以西門子840Dsl系統為例）涉及到參數有38000，32700 等。

（3）伺服電機相關控制參數設定不當。伺服電機控制參數主要是伺服快速移動位置環的增益參數，位置環增益參數設置越大，設備的響應越快，但是根據不同類型的設備，設置該參數不是越大越好，還有考慮到設備在加工過程中的振動等因素。快速移動位置環的增益參數（NO.2178 設定為3000）；切削進給位置增益（NO.1825），根據機型不同，增益的值也在不同范圍，鉆削中心8000～12 000、立加線軌5000～8000、立加硬軌和龍門加工中心4000～6000；速度環的機械負載慣性比參數（NO.2021設定為256）。

調整方法：首先設置參數3111#0=1，顯現伺服設定和伺服調整畫面，然后根據伺服電機的具體性能進行伺服參數的設定，進行伺服的優化處理。現在的數控機床都是采用計算機輔助軟件進行優化處理，如FANUC 公司的伺服優化軟件SERVO GUIDE[5]，可使機床的加工性能達到最佳狀態。利用SERVO HRV3 控制可以改善電流環路的響應性能，設定更優化的速度環路增益和位置環路增益。利用高的速度環路增益，可以改善對指令的響應性能和伺服剛性，降低加工外形誤差，縮短定位時間。另外，使用這個軟件還可以簡化伺服調整。

4 結束語

引起數控機床加工尺寸不穩定的原因是多方面的，實際生產中不要盲目判斷，要先對機床進給系統的定位精度和重復定位精度作檢測，如果檢測值超差，再分析是機械傳動的問題還是電氣控制的問題。在實際維修中，設備出現加工精度不穩定的故障，機械傳動方面的故障占比較大，所以在維修中要先詢問操作者設備最近的運行狀態，結合設備的潤滑系統運行狀態、導軌和絲杠的狀態等，確定設備的維修方案，最終修復故障。