某數(shù)控機床Z軸異響故障診斷及維修
2021-5-6 來源： 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所 作者：余剛 劉進
摘要：隨著數(shù)控機床在加工領(lǐng)域得到迅速地普及，隨之而來的即使數(shù)控機床的故障診斷和維修，數(shù)控機床是集成機械、電氣、液壓以及氣動控制等領(lǐng)域一個復(fù)雜機電產(chǎn)品，所面臨的維修問題更加復(fù)雜。本文介紹了某機床Z軸異響故障的故障診斷流程以及維修方法，首先通過“望、聞、問、聽”定位故障位置，然后通過分析數(shù)控加工程序、電氣伺服參數(shù)以及機械結(jié)構(gòu)排查確定故障原因，最后確定了維修方案和方法。本文提供的機床故障診斷以及維修方案可為其他故障維修提供參考。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；滑動導(dǎo)軌；故障維修
1、概述
隨著科技的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)得到飛速的發(fā)展，數(shù)控機床作為其他高精設(shè)備的加工母機，在加工制造行業(yè)占有重要的地位。在年限使用久的機床，進給軸的異響振動故障現(xiàn)象有發(fā)生，已成為一個常見頻發(fā)故障。
某數(shù)控龍門加工中心是車間的重要設(shè)備，投入使用年限長。機床使用過程中，該加工中心 Z 軸速度不穩(wěn)定，移動到端部時存在振動、抖動的現(xiàn)象。機床加工過程中工件表面出現(xiàn)明顯的刀紋，表面質(zhì)量不合格，已經(jīng)嚴重影響數(shù)控設(shè)備正常使用。
2、故障定位
2.1 故障現(xiàn)象
該數(shù)控機床的加工的產(chǎn)品出現(xiàn)明顯的刀紋現(xiàn)象，工件表面粗糙度不合格。通過常規(guī)的“望、聞、問、聽”的故障診斷手段，發(fā)現(xiàn)該機床 Z 軸有明顯的異響和振動現(xiàn)象，同時通過控制進給 Z 軸在手動方式下進行移動，移動過程中 Z 軸出現(xiàn)振動異響現(xiàn)象，同時當 Z 軸在端部移動時振動和異響更加明顯。
該機床的 Z 軸驅(qū)動為交流伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠進行移動，絲杠軸承的支撐方式為“一端固定，一端
支撐”的方式，固定支撐的軸承采用角接觸軸承，支撐軸承采用深溝球軸承，Z 軸的支撐方式為滑動導(dǎo)軌。
2.2 故障定位流程
按照維修的思路，提出以下如圖 1 所示的故障診斷流程。數(shù)控機床進給軸振動、異響的原因有多種情況，依次按照加工程序問題、電氣伺服參數(shù)、機械結(jié)構(gòu)等流程排出定位機床故障原因。通過該流程的分析流程，可由易到難、由簡到繁的順序排出故障原因。
圖 1 故障診斷流程
在程序方面，振動故障常發(fā)生于機床加工程序中編寫曲線中小線段多，可通過優(yōu)化修改加工程序，改善進給軸振動情況。
伺服參數(shù)方面，進給軸振動的原因有 ：速度環(huán)參數(shù)不匹配引起振動 ；位置環(huán)參數(shù)不匹配引起振動 ；檢測元件故障，編碼器和光柵尺故障。通過優(yōu)化設(shè)置相關(guān)參數(shù)可以蓋上情況。
機械結(jié)構(gòu)方面 ：導(dǎo)軌副運動阻力大，潤滑不良 ；絲杠預(yù)緊力不足、彎曲 ；絲杠軸向有竄動間隙 ；絲杠軸承磨損 ；壓板與導(dǎo)軌不平行 ；電機與傳動軸間連接松動 ；電機本身機械方面故障，軸承磨損等眾多原因將導(dǎo)致機床進給軸振動故障。
3、故障分析及處理
3.1 故障分析過程
機床進給軸產(chǎn)生振動、異響有很多種可能，依據(jù)維修經(jīng)驗以及故障排查流程，定位故障的根源。通過
對操作者的詢問和現(xiàn)場觀察實驗，機床 Z 軸振動明顯。通過檢查加工程序、加工工件材料、加工進給量等方面，排查了加工程序沒有問題。接著排查電氣控制伺服參數(shù)匹配，光柵尺檢測元件的末端是否損壞，最后從機械方面排查鑲條和導(dǎo)軌側(cè)面接觸面是否符合要求，壓板和導(dǎo)軌正面接觸是否符合要求。
3.2 伺服參數(shù)排查
伺服參數(shù)優(yōu)化方面，按照自動優(yōu)化過程進行優(yōu)化：JOG、MENU、調(diào)試、優(yōu)化測試、自動優(yōu)化、所選軸、優(yōu)化、確認、啟動測量、循環(huán)啟動、高頻、低頻、DNS。
優(yōu)化完成后，在手動和自動狀態(tài)下分別進行 Z 軸移動，在不同的速度下進行移動，振動、異響未消除。于是參數(shù)進行手動修改。每修改一個或者多個參數(shù)，在手動和自動狀態(tài)下分別進行 Z 軸移動，在不同的速度下進行移動，振動、異響未消除。通過自動和手動伺服參數(shù)匹配優(yōu)化和修改，該故障現(xiàn)象未發(fā)生改善，排除電氣參數(shù)不匹配的原因。
另一方面，將全閉環(huán)改為半閉環(huán)進行電氣參數(shù)的排除，進入調(diào)整頁面，屏蔽 Z 軸。進行機床運行，發(fā)
現(xiàn)機床振動和異響存在，同時排除了電氣故障。
3.3 機械方面排查
通過電氣控制參數(shù)的優(yōu)化以及排查，故障定位導(dǎo)向于 Z 軸的機械結(jié)構(gòu)，通過觀察和觸碰 Z 軸滾珠絲杠驅(qū)動和滑動導(dǎo)軌支撐，判斷為 Z 軸滑動導(dǎo)軌振動明顯，確定為振動源。
滑動導(dǎo)軌鑲條排查，將鑲條松開，在手動和自動狀態(tài)下分別進行 Z 軸移動，在不同的速度下進行移動，振動、異響依舊存在。
如圖 2 所示，滑動導(dǎo)軌壓板檢查，將壓板的螺釘松開，移動 Z 軸，異響和振動現(xiàn)象明顯改善。將壓板鎖緊，異響故障進行了重現(xiàn)，于是判斷故障的原因在壓板與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生，判斷為滑動導(dǎo)軌之間間隙過小導(dǎo)致壓板與導(dǎo)軌之間摩擦導(dǎo)致異響和振動。初步判斷為 Z 軸導(dǎo)軌壓板長期使用過程導(dǎo)軌表面出現(xiàn)磨損，中間隙過小。
圖 2 滑動導(dǎo)軌
4、故障維修
通過對導(dǎo)軌和壓板的檢查，壓板本身的平面度大于 0.02 mm，不能滿足使用要求。通過修復(fù)壓板的平面度，注意壓板的高低點的分布、壓板刮研量的大小和區(qū)域，刮研的方法與檢測方法。
4.1 維修過程
4.1.1 確定壓板高低點
確定壓板的接觸面及高低點的分布。將壓板接觸面打上紅丹粉，帶上螺釘，輕輕的緊固。機床的 Z 軸沿一個方向運動，觀察壓板與鑲塊的接觸點。通過鑲塊的紅丹粉的分布確定了壓板的高低點位置，做上標記。
4.1.2 確定壓板刮研量
將兩邊壓板都裝上，在靠近操作者這方的壓板下添加銅皮，添加銅皮由 0.01 mm ～ 0.10 mm 進行測試。使用測力扳手將壓板每顆螺釘都用 100 Nm（廠家給定值）的力均布鎖緊。通過移動 Z 軸看是否有異響。如果有異響就將銅皮進行更換，調(diào)整到移動 Z 軸沒有異響即可。最后銅皮的厚度，厚度為 0.04 mm，即可確定刮研量為 0.04 mm。
4.2.3 壓板刮研步驟
通過確定壓板的高低點以及刮研量，將壓板進行刮研。如圖3，通過檢查確定壓板的高點和壓板的初始尺寸，為刮研后檢測進行對比。將壓板上涂上紅丹粉，將壓板在平臺上來回運動在將壓板反面，進行觀察，并將這個時候的初始尺寸記錄下來。
圖3 壓板高點及初始尺寸
通過對壓板的檢測后，知道了壓板的高點和刮研量。于是對高點進行刮，邊刮邊檢測，最后確定到刮研的量都去掉了并且保證了平面度的要求即可。
4.3 維修結(jié)果
將壓板裝上，使用扭矩扳手將壓板緊固螺栓用100 Nm（廠家給定值）的力均布鎖緊。
在進行手動、MDI、自動三種方式下分別運行 Z 軸，在每一種方式下使用不同的速度進行移動。Ｚ軸均沒有出現(xiàn)振動、異響的現(xiàn)象。
Ｚ軸功能運行正常，修復(fù)后各個精度檢測均達標。達到出廠精度要求，經(jīng)反復(fù)試車跑合，精度保持良好，現(xiàn)機床使用良好。
5、結(jié)語
Ｚ軸是整個機床的核心移動部位，通過此次的維修有效的解決了Ｚ軸振動、異響的故障，為以后的維修打下良好的基礎(chǔ)。本文介紹了某機床 Z 軸異響故障的故障診斷流程以及維修方法，首先通過常規(guī)手段定位故障位置，然后通過分析數(shù)控加工程序、電氣伺服參數(shù)以及機械結(jié)構(gòu)排查確定故障原因，最后確定了維修方案和方法。本文提供的機床故障診斷以及維修方案可為其他故障維修提供參考。
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