精密數(shù)控機(jī)床伺服軸精度修復(fù)技術(shù)

余 剛，朱 偉，曾 力

（機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽 621000）

0 引言

數(shù)控機(jī)床精度修復(fù)是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)，需要掌握機(jī)床機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)、電氣控制原理、部件拆卸、裝配工藝、試運(yùn)行等正確流程與方法，確保精度修復(fù)穩(wěn)定、可靠，提高設(shè)備維修效率。

1 故障現(xiàn)象

某五軸聯(lián)動加工中心Y軸在程序運(yùn)行過程中，機(jī)床出現(xiàn)持續(xù)性振動，工件表面出現(xiàn)振紋，導(dǎo)致機(jī)床不能正常使用。

2 Y軸結(jié)構(gòu)與原理

該機(jī)床Y軸進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠采用固定-固定的方式，適用于中速、高精度的機(jī)床，結(jié)構(gòu)如圖1，伺服電機(jī)通過同步齒形帶傳動絲桿的轉(zhuǎn)動，絲杠的正反傳動即是Y軸移動方向。該伺服軸采用的是全閉環(huán)控制，光柵尺作為直線位移檢測。

圖1 Y軸絲杠安裝方式

3 故障診斷

通過激光干涉儀對Y軸精度的檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 Y軸精度檢測

通過檢測數(shù)據(jù)（德標(biāo)VDI 1441）分析，該軸定位精度、重復(fù)定位精度與出廠精度比較均嚴(yán)重超差。

絲杠裝配精度直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的傳動位置精度，對絲杠的裝配精度進(jìn)行檢查，檢測結(jié)果見表2。精密絲杠裝配精度一般為徑向跳動約12滋m，軸向竄動約8滋m。

表2 絲杠裝配精度

4 故障分析及排查

結(jié)合該故障現(xiàn)象和當(dāng)前診斷的數(shù)據(jù)分析，Y軸存在著反向間隙、定位精度超差、絲杠的裝配精度差等特點(diǎn)，結(jié)合誤差曲線產(chǎn)生的具體位置，故障的可能原因?yàn)椋和綆p、軸承磨損、滾動導(dǎo)軌磨損、絲杠的磨損。

經(jīng)過對故障點(diǎn)的排查，發(fā)現(xiàn)絲杠支撐側(cè)軸承損壞，Y軸支撐側(cè)傳動結(jié)構(gòu)見圖2，由于軸承損壞，軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生游動間隙，游隙使全閉環(huán)控制不穩(wěn)定，原來伺服增益參數(shù)與目前的運(yùn)行狀態(tài)不匹配，造成伺服環(huán)的動態(tài)調(diào)整造成軸振蕩。

5 故障維修裝配流程

正確的安裝流程，是保證裝配精度的基本條件，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服軸機(jī)械部件裝配是保證機(jī)床定位精度的關(guān)鍵，所以在裝配過程中，嚴(yán)格按照裝配步驟和流程（圖3）進(jìn)行，注意裝配關(guān)鍵事項(xiàng)和裝配細(xì)節(jié)。

圖2 Y軸絲杠支撐端結(jié)構(gòu)

5.1 確定中心

確定作為滾珠絲杠安裝部的滾珠絲杠螺母支撐單元和固定端、支撐側(cè)軸承支撐單元相互的中心。通常，對于精密級產(chǎn)品，建議采用傾斜誤差約1/2000，偏心約0.02 mm，在維修過程中，支撐單元沒有拆卸，以定位銷定位，精度可以保證。

圖3 裝配流程

5.2 進(jìn)給軸機(jī)械部件的安裝

（1）軸承潤滑。潤滑脂具有很好的耐磨性、耐溫性和潤滑性，軸承中的潤滑脂不宜過多，軸承的轉(zhuǎn)速愈高，危害性愈大。隨著潤滑脂填充量的增加，軸承溫升直線提高，一般滾動軸承的潤滑脂填充量內(nèi)部空間1/3～2/3（額定轉(zhuǎn)速50豫以下），潤滑脂填充量內(nèi)部空間1/3～1/2（額定轉(zhuǎn)速50豫以上）。

（2）軸承安裝。軸承的安裝時(shí)，為了形成合適的配合，將選定的軸承安裝在滾珠絲杠上。這時(shí)，為了使軸承不直接受到?jīng)_擊，使用專用套管將軸承固定在殼體內(nèi)。

（3）軸承預(yù)緊。軸承的預(yù)緊力矩大小是伺服軸裝配工藝中重要參數(shù)，一般情況下根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)、裝配形式、數(shù)量等數(shù)據(jù)查詢軸承裝配手冊，參考軸承廠家給定的預(yù)緊力，使用力矩扳手進(jìn)行預(yù)緊。無法查閱軸承相關(guān)技術(shù)資料時(shí)，可根據(jù)機(jī)床載荷大小進(jìn)行預(yù)緊，機(jī)床運(yùn)行過程中伺服軸所承受載荷小于最大軸向載荷Fmax，軸承的預(yù)緊力可采用 Fpr=（0.33～0.35）Fmax。

5.3 預(yù)拉伸

絲杠長時(shí)間運(yùn)行后，會產(chǎn)生熱位移，絲杠軸的熱位移將導(dǎo)致定位精度的下降。熱位移的大小可用以下公式算出。

△Lθ=pθL

△Lθ——熱位移量，mm

p——熱膨脹系數(shù)，取12×10-6/℃

θ——絲杠軸平均溫度上升值，℃

L——絲杠軸長度，mm

結(jié)論得出當(dāng)溫度每上升1℃，每米絲杠長就會延伸12滋m。

通過施加預(yù)拉伸力，吸收絲杠因溫度產(chǎn)生的延伸量，所以安裝時(shí)需對絲杠軸施加一定的張緊力。絲杠溫度每上升1℃，每米絲杠長就會延伸12滋m，運(yùn)行時(shí)絲杠溫度會上升（2～3）℃，該絲杠為1.2 m，計(jì)算得出預(yù)拉伸長度為28滋m，預(yù)拉伸方法見圖4。拉伸量為千分表2與千分表1的數(shù)值差28滋m。

圖4 預(yù)拉伸

5.4 裝配精度檢驗(yàn)動作確認(rèn)

為了確認(rèn)滾珠絲杠的安裝是否正確，進(jìn)行動作確認(rèn)。用扭矩扳手等測試滾珠絲杠部位整個(gè)行程的驅(qū)動扭矩，包括感觸在內(nèi)，確認(rèn)是否一切正常。使用千分表確認(rèn)絲杠跳動、軸向竄動，皮帶輪跳動測量值見表3，通過檢查絲杠的安裝精度符合裝配要求。

5.5 聯(lián)機(jī)試運(yùn)行軸承溫升檢測

運(yùn)行初期首先在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，確認(rèn)振動和噪聲。其次為中速，最后在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行同樣的確認(rèn)。然后再連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 h，在磨合的同時(shí)確認(rèn)有無異常。使用紅外線測溫儀對固定端和支撐側(cè)進(jìn)行溫度檢測，檢測曲線見圖5。通過曲線發(fā)現(xiàn)，軸承溫度隨著速度的提高，溫升的速度在加快，當(dāng)達(dá)到溫度的最高值后溫度有微量的下降，說明溫度沒有持續(xù)性增加，溫升曲線符合部件的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

表3 絲杠傳動精度

5.6 定位精度與重復(fù)定位的檢測

Y軸試運(yùn)行數(shù)據(jù)正常，并使用雷尼紹激光干涉儀對Y軸的定位精度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見圖6。

從圖8測量數(shù)據(jù)可以得出Y軸維修后，定位精度3.6滋m、重復(fù)定位精度2.1滋m、反向間隙1.1滋m，三項(xiàng)精度高于機(jī)床出廠精度標(biāo)準(zhǔn)，試切削工件振紋消失，設(shè)備各項(xiàng)功能恢復(fù)正常使用。

圖5 軸承溫升曲線

圖6 Y軸修復(fù)后精度檢測曲線

6 維修體會

精密數(shù)控機(jī)床伺服軸定位精度要求較高，維修前應(yīng)制定好維修方案，對關(guān)鍵裝配工藝參數(shù)進(jìn)行核查，記錄好伺服軸維修前后相關(guān)精度數(shù)據(jù)，維修時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝流程，保證機(jī)床的維修效率和質(zhì)量，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。