1序言
一臺配置西門子840D powerline數控系統的五軸立式加工中心,在X、Y平面銑削圓孔時,出現非規則橢圓且圓孔表面波紋現象比較嚴重,圓孔半徑偏差0.6mm左右,如圖1所示。

2問題分析
首先排除操作、加工程序、刀具及工裝夾具等問題,懷疑重點轉向設備本身。對于加工中心來說,數控系統動態響應不穩定、伺服優化不完善都會影響加工中心的圓度誤差[1]。多軸伺服參數匹配度不足會直接引發聯動輪廓誤差,兩軸位置環增益差異是造成銑圓呈規整橢圓的核心誘因之一。
由于該設備使用的是西門子數控系統,因此可以采用數控系統伺服優化調試之中的循圓測試功能,在X、Y平面進行循圓測試,模擬實際的圓孔加工,通過生成的圓度測試圖進行分析。
在MDI模式下,參考實際加工參數,編制X、Y平面循圓測試運行程序如下。
G54 G91 G17;G54坐標系,增量編程,G17平面
G02 I20 J0 F2000 TURN=10;圓半徑R=20mm,進給速度2000mm/min,循環10次
M30;程序結束
測試結果如圖2所示,Delta R=594.6103μm,偏差主要集中在第一、第三象限,且有較大尖點和雜亂紋波動,偏差較大,與實際加工的圓孔結果基本一致。

為進一步診斷X、Y軸哪根軸存在問題,可以繼續使用循圓測試功能,在X、Z平面進行循圓測試,通過生成圓度測試圖進行分析。
在MDI模式下,參考實際加工參數,編制X、Z平面循圓測試運行程序如下。
G54 G91 G18;G54坐標系,增量編程,G18平面
G02 I20 K0 F2000 TURN=10;圓半徑R=20mm,進給速度2000mm/min,循環10次
M30;程序結束
測試結果如圖3所示,Delta R=848.8034μm,橢圓方向主要集中在第一、第三象限,屬于規整橢圓,無明顯鋸齒波紋。

通過排查,發現問題是由于X、Z兩根軸的位置環增益參數不一致導致的。X軸MD32200=0.7,Z軸MD32200=1,將Z軸位置環增益值修改成與X軸一致后,重新做循圓測試,測試結果如圖4所示,Delta R=43.9119μm。由于該設備使用已達20年,機械存在不同程度的磨損,因此這個測試結果基本正常。

通過X、Y平面與X、Z平面內的循圓測試對比,X、Z平面內圓度測試正常,而X、Y平面內圓度測試存在問題。因此可以初步確定Y軸存在問題。檢查Y軸位置環以及速度環相關參數,沒有發現明顯問題。因此懷疑Y軸存在機械故障。
為進一步確認Y軸機械故障點,單獨編制Y軸重復移動測試程序,具體如下。
ABC:;程序頭標識
G54 G90;G54坐標系,絕對編程
G01 Y0 F2000;直線插補,進給速度2000mm/min
G04 F0.5;暫停0.5s
Y100.;移動100mm
G04 F0.5;暫停0.5s
GOTOB ABC;回到程序標識ABC,重新執行
經過仔細觀察,發現Y軸正向移動到100mm位置,暫停0.5s后換向移動時,有較明顯的振動現象。而Y軸移動到0mm位置,暫停0.5s后換向移動時,振動較小。因此懷疑Y軸傳動機械存在竄動。檢查Y軸傳動機構,該軸是伺服電動機通過同步齒形帶與絲杠相連,檢查同步齒形帶,表面無明顯損傷且張緊度合適,因此懷疑竄動是由絲杠引起的。
為測試Y軸絲杠是否存在竄動,采用以下方式進行測試,如圖5所示:在絲杠端用潤滑脂粘一鋼珠,用百分表表頭打在鋼珠最高點,同時執行Y軸重復移動測試程序,發現100mm位置反向時最大偏差為0.8mm左右,偏差較大,因此可以確定Y軸絲杠存在竄動問題。滾珠絲杠支撐軸承預緊失效會加劇軸系反向竄動與振動,在圓弧插補過程中會產生不規則波紋與輪廓偏差[3]。在銑圓時,若偏差過大就會造成"不夠圓",類似于橢圓的形狀,從而對銑出的圓的圓度產生影響[4]。

3解決方法
經過以上分析及測試,基本上確定Y軸絲杠存在竄動問題。通過對Y軸絲杠及連接部分進行分解檢查,最終發現由于Y軸絲杠支撐軸承預緊螺母出現松動,導致軸承預緊失效,因而在Y軸移動換向時會出現竄動。按照軸承預緊要求,重新把預緊螺母鎖緊,重復之前Y軸絲杠竄動測試,Y軸反向移動時偏差最大0.02mm左右,屬于正常范圍之內[5]。
利用循圓測試功能,重新在X、Y平面進行循圓測試,執行循圓測試運行程序,測試結果如圖6所示,Delta R=38.6068μm,這個測試結果基本正常。

觀察以上圓度測試圖,發現在過象限處,X軸方向有明顯向外的尖點,而Y方向有明顯向內的尖點,因此可以嘗試對X、Y軸進行進一步優化,盡可能將X、Y兩根軸優化到最佳狀態。
通過調整位置環、速度環、電流環等相關參數以及優化摩擦力補償后,重新進行X、Y平面循圓測試,測試結果如圖7所示,Delta R=20.5491μm。該結果是目前該設備能優化到的最佳結果,如果要進一步提升精度,那么就需要對設備進行全面的機械檢測及維修。

對調整優化后的最終結果進行驗證,重新調用加工程序加工圓孔,如圖8所示,圓孔半徑偏差0.02mm左右,無橢圓現象,孔表面質量良好,無明顯波紋現象,加工結果與數控系統圓度測試結果圖基本一致,滿足目前加工精度要求。

4結束語
在加工中心長期使用過程中,滾珠絲杠、導軌及軸承存在一定程度的磨損,且數控系統動態響應不穩定,伺服優化不完善,也會影響加工中心的圓度誤差。數控系統伺服優化功能一般在設備裝調初期用于機電特性匹配,提升設備動態特性及發揮設備最大性能,是設備安調人員常用的調試工具。對于設備維護人員來說,可作為診斷設備故障的重要輔助手段,靈活使用該功能,可以對當前設備的狀態進行初步診斷,可以提高故障的診斷效率。
數控設備維護是一項要求較高的工作,對于設備維護人員來說,不但要求掌握機械、電氣自動化以及數控等專業知識,同時對于數控設備操作、編程以及加工工藝等知識也要有一定的了解,只有具備大量的專業知識儲備,設備維護人員在故障診斷及解決過程中,才能游刃有余,快速精準定位故障點及解決問題。
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