搖籃式五坐標加工中心五軸精度穩定性差原因分析
2020-11-18 來源： 昌河飛機工業（集團）有限責任公司 作者：林超青
【摘要】:1 臺搖籃式五坐標加工中心 G996最近兩年頻繁發生五軸精度超差，A、C 軸伺服模塊燒壞，零件加工超差報廢的現象，對該機床的零件加工帶來很大的潛在質量風險，本文介紹了研究和分析該機床存在問題的原因和解決方案的過程。
1、G996機床五軸精度及其他存在的問題
G996 機床是一種搖籃式結構五軸機床，在最近兩年的使用過程中經常發生五軸精度超差、零件報廢及 A、C 軸伺服單元燒毀現象，最近兩年已經燒壞伺服單元 4 個，導致 10 多萬元的直接損失。RTCP 精度超差比較嚴重，經常≥ 0.14mm，正常精度應該≤ 0.03mm，而且精度調整頻繁，有時 1 周就要調整 1 次。對該機床的零件加工帶來很大的潛在質量風險，因此，急需分析和研究機床存在問題的原因和解決方案。
2、G996五坐標加工中心五軸精度不穩定原因分析
機床的五軸精度不穩定，變化較大，造成的可能原因較多，比如機床部件磨損，有間隙 ; 檢測元件有問題 ; 機床部件發熱，造成熱穩定性差 ;機床的加工方式不符合機床的結構要求等。下面就具體分析造成精度不穩定、伺服單元經常燒壞的可能原因。
（1）機床部件磨損，有間隙。G996 五坐標加工中心是 X、Y、Z 外加 A、C 軸的搖籃結構，X 、Y 和 Z 是線性導軌，絲杠傳動，對 X、Y 和Z 進行激光定位檢測發現，3 個直線軸的定位精度很好，都≤ 0.01mm，反向間隙≤ 0.005mm，因此直線軸的部件磨損很小，部件磨損、定位精度不好，絲杠有反向間隙等導致機床五軸精度不穩定的可能性可以排除。A、C 軸是力矩電動機，這種結構與直線電動機類似，部件幾乎沒有磨損，因此 A、C 軸部件磨損的可能性也可以排除。
（2）檢測元件有問題。機床的檢測元件光柵尺和編碼器出現問題，如安裝距離不合適，信號處于臨界狀態等也會導致機床精度不穩定。通過檢測和分析機床的運行日志，沒有發現機床有位置檢測元件報警信息，因此，由于機床的檢測元件導致五軸精度不穩定的可能性可以排除。
（3）機床部件發熱，造成熱穩定性差。如果機床的部件由于各種原因發熱，會導致部件膨脹變形，精度嚴重喪失。G996 五坐標加工中心的直線軸采用直線導軌、絲杠傳動，軸承座采用水冷，消除絲杠滾動帶來的熱量，而且直線導軌、絲杠傳動本身發熱量較小，而且有水冷，所以直線軸熱穩定性導致五軸精度不穩定的可能性可以排除。
G996 的 A、C 軸采用力矩電動機，而力矩電動機發熱量很大，如果冷卻不好，部件溫度不能穩定，就會導致較大的機械變形或熱膨脹，精度無法保持。通過觀察和測試，發現機床在加工過程中，如果 A 軸的角度較大，而且持續的時間較長，這時 A 軸電動機溫度會迅速升高，并且不能穩定，A、C 軸工作時間超過 1h，電動機溫度可以達到80℃，而且不能穩定，會一直上升。由于 A、C軸的搖籃結構，如果加工過程中 A 軸角度較大，加工時 A、C 軸不鎖緊，A、C 軸的質量會形成一個較大的翻轉力矩（見圖 1），導致 A 軸一直處于工作狀態。檢查 A 軸電動機電流，發現電動機一直保持在 15A，電流百分比達 30%。
從以上可以看出，A 軸電動機發熱嚴重，如果沒有良好的冷卻，會導致機械變形或熱膨脹，通過檢測 A 軸支座的外防護，發現外防護溫度很高，燙手，達 47℃（見圖 2），因此機床的五軸精度不穩定可以認為是 A 軸電動機發熱、冷卻效果不良所致。
通過進一步試驗，如果主軸不轉，把 X、Y和 Z 軸的坐標軸冷卻關閉，單獨給 A、C 軸冷卻（該機床的冷卻是 X、Y、Z、A、C 和主軸共用一個冷卻箱），這時 A、C 軸的電動機溫度穩定在65℃左右。溫度穩定以后，對機床的五軸精度進行多次檢測，發現精度能夠保持不變。
（4）機床的加工方式不符合機床的結構要求。由于機床是搖籃結構，如果 A 軸在加工時有較大角度，并且持續時間較長，又不對 A 軸鎖緊，由于翻轉力矩作用，導致精度保持性較差，A 軸電動機電流大、溫度高且持續工作，因此伺服單元的穩定性也下降，可致使功率模塊損壞。
3、機床精度穩定性差處理措施
從上面機床精度穩定性差的原理分析可以看出，雖然力矩電動機磨損小、速度快，但力矩電動機發熱量大，如果冷卻系統工作不良或有問題，致使冷卻量不夠，就會造成機床的五軸精度穩定性差，伺服單元經常損壞，甚至電動機燒壞。該機床是 2007 年安裝，機床剛安裝時，冷卻效果良好，機床精度保持穩定，精度問題隨著時間的拉長逐漸出現。通過對冷卻系統的分析和觀察發現，冷卻空調由于廠房通風等原因，冷卻器嚴重積油，冷卻箱內部被油垢覆蓋，導致冷卻效果變差，雖然多次清理，但冷卻系統依然無法滿足機床的冷卻要求。
由于原有的冷卻系統無法滿足要求，因此需要對冷卻系統進行技術改造，增加一套水冷空調系統，控制線路與原有的線路進行相應的并聯、串聯。冷卻系統改造完成后通電測試，A 軸電動機在 A 軸 90°位置，A 軸不鎖緊的情況下，持續3h，A 軸電動機溫度保持在 55℃以下，C 軸電動機溫度 50℃，A 軸支座保持冰涼不發熱，溫度≤ 23℃。如果 A 軸角度較小，則電動機溫度保持在 20℃，C 軸電動機溫度 32℃。對機床進行多次精度測試，機床精度保持穩定，主軸錐孔和刀柄微熱，保持正常狀態，因此可以確認改造效果良好，達到預期目的。
4、結語
對 G996 五坐標加工中心五軸精度不穩定情況進行以上原因分析、研究和處理后，問題徹底解決，同時對加工方式提出規范和要求，在 A 軸有較大角度且持續時間較長時，要求對 A 軸鎖緊加工，減小 A 軸電動機電流，避免發熱和損壞伺服功率單元。再進行持續的觀察和測試，發現改造效果良好，達到預期目的。對于使用力矩電動機或搖籃結構的設備，其冷卻系統一定要工作狀態良好，冷卻量足夠，否則易對機床的穩定運行及設備精度造成嚴重影響。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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