基于FANUC Robodrill 加工中心工件表面刀紋問題的解決

孫 瑩

(四川省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 成都611130)

隨著數(shù)控機床使用年限的增加，加工工件表面會出現(xiàn)各種各樣的異常刀紋問題。盡管數(shù)控機床有強大的智能診斷能力，但刀紋問題，仍需維修人員自行診斷與解決。刀紋問題的產(chǎn)生反映機床的加工性能出了問題。

數(shù)控機床產(chǎn)生刀紋問題的主要原因一般包括:加工程序問題、機械傳動系統(tǒng)問題、工作環(huán)境的干擾和振動源、工藝裝備問題、機床的綜合性能變化以及原系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理等。有時是單一因素造成，也有可能是綜合因素造成，通常采用排除法來分析和解決問題。

下面以FANUC Robodrill 小型加工中心(Series_31i 系統(tǒng))出現(xiàn)的幾種典型刀紋問題為例，介紹解決刀紋問題的思路和方案。

實例一 側(cè)壁外輪廓直線段和圓弧段交接處存在一條亮線，如圖1 所示

由于該產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)1 年，之前沒有類似的刀紋現(xiàn)象，因此，首先排除加工程序的問題。其次，分析異常刀紋的外形特征，刀紋僅是1 條亮線，由此排除機床自身振動或環(huán)境振動源的影響。進一步分析異常刀紋的位置特征，刀紋存在于直線段與圓弧段的交接處。這個特殊位置正是各軸的運動方向和速度產(chǎn)生變化的瞬時。此時導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)缺陷有兩個常見的可能性，一是機械傳動系統(tǒng)存在反向間隙，二是在運動轉(zhuǎn)換瞬間，各軸的加減速產(chǎn)生明顯的滯后或超前現(xiàn)象。這兩個原因都將會導(dǎo)致直線和圓弧軌跡的非平滑過渡，從而呈現(xiàn)出異常刀紋。據(jù)此，把刀紋問題的原因鎖定在系統(tǒng)有關(guān)反沖補償功能和加速處理功能的參數(shù)不合理?？紤]到設(shè)備使用有一定年限，因此先修正系統(tǒng)的間隙補償功能，選擇Series_31i 系統(tǒng)提供的Smooth Backlash(補償功能)來解決問題。Smooth Backlash 提供的關(guān)鍵參數(shù)是NO.1847，此參數(shù)為每個軸設(shè)定從軸移動的方向反轉(zhuǎn)位置起到結(jié)束平順反沖補償?shù)牡? 補償為止的距離。具體操作:將參數(shù)NO.1817#2(平順反沖補償)置為1，開啟Smooth Backlash 反沖補償功能。然后，調(diào)整NO.1847 參數(shù)。本例經(jīng)多次調(diào)整NO.1847 參數(shù)，異常刀紋現(xiàn)象并沒有得到明顯改觀。這時，選擇第2個解決方案，修正系統(tǒng)的加減速處理功能，采用Series_31i 系統(tǒng)提供的Backlash(加速功能)。Backlash提供的關(guān)鍵參數(shù)有NO.2048(背隙加速量)和NO.2071(反沖加速功能有效時間)。NO.2048 是針對反沖加速時，在反轉(zhuǎn)軸的移動方向所發(fā)生的誤差調(diào)整，該加速補償值有助于電動機反轉(zhuǎn)時速度環(huán)路積分增益的調(diào)整，利用它可減小反轉(zhuǎn)時的軌跡誤差。NO.2071 是反沖加速功能的有效時間，一般初始值設(shè)定為5，此值設(shè)定好之后一般不變。具體操作:將參數(shù)NO.2003#5 置為1，開啟Backlash 加速功能。然后，調(diào)整NO.2048(一般初始值設(shè)置為100)參數(shù)值，并試加工工件，觀察工件表面刀紋現(xiàn)象。本例在初調(diào)NO.2048 參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)異常刀紋現(xiàn)象有所改善，證實了此解決方向的正確性。隨后，經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整，當(dāng)X、Y的NO.2048 參數(shù)調(diào)至280 時，工件表面的異常刀紋現(xiàn)象基本消失。

實例二 整個工件的3D 面都存在規(guī)律的異常刀紋

首先分析異常刀紋的特征，刀紋產(chǎn)生在整個3D加工面，且有規(guī)律性，說明問題具有復(fù)雜性。能夠造成這種3D 加工面上有規(guī)律性的明顯刀紋現(xiàn)象的原因一般有以下幾個方面:精加工程序、刀具、機床主軸和振動源(如風(fēng)扇和油污吸收器)。首先從精加工程序入手，減小精加工的切削量，由單邊60 μm 的調(diào)整為單邊30 μm，結(jié)果異常刀紋還是存在。又把問題鎖定在了刀具系統(tǒng)上，用千分表檢測刀具系統(tǒng)及主軸工況，檢測結(jié)果刀刃的偏擺量為7 μm，超出5 μm 的標(biāo)準(zhǔn)值。為此，更換合格刀具，試加工產(chǎn)品，問題依然沒有得到解決?？紤]該機床已使用兩年，同時，了解到機床在一年前曾發(fā)生過撞機事件，可能當(dāng)時主軸精度受損，運行一段時間之后主軸精度會散失，然后，把檢查重點放在了主軸系統(tǒng)上。為了能準(zhǔn)確地判斷故障點，先關(guān)掉機床可能引起振動的風(fēng)扇以及油污吸收器，試加工產(chǎn)品，問題還在。最后，采用RT30—300 檢棒檢測離主軸端部1 500 mm 處主軸的偏擺量，檢測結(jié)果主軸的偏擺誤差為30 μm，已超出主軸規(guī)定范圍。通過排除法，最終找到了刀紋問題的根源。本例更換了新主軸，并進行主軸動平衡調(diào)試，試加工工件時，刀紋問題得到徹底解決。

實例三 某個特定的位置出現(xiàn)一道明顯的刀紋

分析異常刀紋的特征，刀紋存在于某個特定部位，并非一直存在，據(jù)此，首先排除刀具、機床主軸問題，以及環(huán)境振動源的影響。同時，根據(jù)維修經(jīng)驗，若刀紋比較明顯時，一般情況下很難通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整得到修復(fù)。由于該產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)兩年多，加工程序應(yīng)該沒有問題。因此，將問題鎖定在機床的機械傳動部件上，為此，逐一排查機械部件。排查機械部件時，首先要確認(rèn)機床的水平問題，確保4 個地腳支撐正常。然后，檢查夾具水平及夾緊方式是否存在問題。在夾具無問題的情況下，才開始檢查工作臺的機械傳動部件。針對機械傳動部件的檢查，首先要檢查工作臺在移動時是否有抖動現(xiàn)象。檢查方法是，讓各軸以2 000 mm/min 快速運行，手扶工作臺感覺是否有異常，如果在某一段位置出現(xiàn)抖動或者間歇性振動，一般為軸承損壞，更換軸承;如果運行時有連續(xù)性異響，就應(yīng)檢查X、Y軸的聯(lián)軸器是否松動或者損壞。本例通過上述檢查，并沒有發(fā)現(xiàn)機床抖動現(xiàn)象和異響，最后，采用Renishaw Ballbar 20 球桿儀進行循圓測試。球桿儀進行循圓測試時，球桿儀的一端球頭吸在主軸上，另一端球頭吸在工作臺上，然后使工作臺按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各進行整圓運動，球桿儀繪出工作臺的運動軌跡圖。本例循圓測試時球桿儀繪出的運動軌跡如圖2 所示。圖中兩個不同顏色的圓，分別是工作臺正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的運動軌跡。由圖可見，兩圓在X方向明顯不重合，而且針對同一個圓還存在明顯的圓度誤差，說明X軸存在明顯的反向間隙。再觀察球桿儀的測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示X軸兩端反向間隙分別是29.2 μm 、31.2 μm，運動軌跡的圓度值為34 μm，而正常情況下反向間隙不能超過10 μm，對于半徑為150 mm 的球桿儀，標(biāo)準(zhǔn)圓度應(yīng)為15 μm。從測量數(shù)據(jù)進一步證實了X軸存在較明顯的反向間隙超差問題。拆開護罩，發(fā)現(xiàn)X軸絲杠磨損較嚴(yán)重。本例更換了X軸絲杠，并采用激光干涉儀調(diào)整好螺距補償，再進行循圓測試，此時，測試結(jié)果表明，反向間隙和圓度均在允許范圍內(nèi)。再試加工工件時，明顯的刀紋現(xiàn)象已消失。

通過上幾個典型刀紋解決實例說明，針對多樣化，無規(guī)律性的復(fù)雜刀紋問題，只要能通過現(xiàn)象看本質(zhì)，即認(rèn)真分析刀紋的外形特征和所處的位置特征，便能有效鎖定問題的起因，再結(jié)合熟悉的數(shù)控系統(tǒng)知識，便能快速準(zhǔn)確地解決刀紋問題。

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