【數控機床】某數控機床Z軸異響故障診斷及維修
2020-12-22 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：隨著數控機床在加工領域得到迅速地普及，隨之而來的即使數控機床的故障診斷和維修，數控機床是集成機械、電氣、液壓以及氣動控制等領域一個復雜機電產品，所面臨的維修問題更加復雜。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，然后通過分析數控加工程序、電氣伺服參數以及機械結構排查確定故障原因，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。
關鍵詞：數控機床；滑動導軌；故障維修
1、概述
隨著科技的發展，數控技術得到飛速的發展，數控機床作為其他高精設備的加工母機，在加工制造行業占有重要的地位。在年限使用久的機床，進給軸的異響振動故障現象有發生，已成為一個常見頻發故障。某數控龍門加工中心是車間的重要設備，投入使用年限長。機床使用過程中，該加工中心 Z 軸速度不穩定，移動到端部時存在振動、抖動的現象。機床加工過程中工件表面出現明顯的刀紋，表面質量不合格，已經嚴重影響數控設備正常使用。
2、故障定位
2.1 故障現象
該數控機床的加工的產品出現明顯的刀紋現象，工件表面粗糙度不合格。通過常規的“望、聞、問、聽”的故障診斷手段，發現該機床 Z 軸有明顯的異響和振動現象，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 軸出現振動異響現象，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 軸驅動為交流伺服電機驅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、機械結構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，振動故障常發生于機床加工程序中編寫曲線中小線段多，可通過優化修改加工程序，改善進給軸振動情況。
伺服參數方面，進給軸振動的原因有 ：速度環參數不匹配引起振動 ；位置環參數不匹配引起振動 ；檢測元件故障，編碼器和光柵尺故障。通過優化設置相關參數可以蓋上情況。
機械結構方面 ：導軌副運動阻力大，潤滑不良 ；絲杠預緊力不足、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
機床進給軸產生振動、異響有很多種可能，依據維修經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軌側面接觸面是否符合要求，壓板和導軌正面接觸是否符合要求。
3.2 伺服參數排查
伺服參數優化方面，按照自動優化過程進行優化：JOG、MENU、調試、優化測試、自動優化、所選軸、優化、確認、啟動測量、循環啟動、高頻、低頻、DNS。
優化完成后，在手動和自動狀態下分別進行 Z 軸移動，在不同的速度下進行移動，振動、異響未消除。于是參數進行手動修改。每修改一個或者多個參數，在手動和自動狀態下分別進行 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匹配優化和修改，該故障現象未發生改善，排除電氣參數不匹配的原因。另一方面，將全閉環改為半閉環進行電氣參數的排除，進入調整頁面，屏蔽 Z 軸。進行機床運行，發現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
通過電氣控制參數的優化以及排查，故障定位導向于 Z 軸的機械結構，通過觀察和觸碰 Z 軸滾珠絲杠驅動和滑動導軌支撐，判斷為 Z 軸滑動導軌振動明顯，確定為振動源。
滑動導軌鑲條排查，將鑲條松開，在手動和自動狀態下分別進行 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，滑動導軌壓板檢查，將壓板的螺釘松開，移動 Z 軸，異響和振動現象明顯改善。將壓板鎖緊，異響故障進行了重現，于是判斷故障的原因在壓板與導軌之間產生，判斷為滑動導軌之間間隙過小導致壓板與導軌之間摩擦導致異響和振動。初步判斷為 Z 軸導軌壓板長期使用過程導軌表面出現磨損，中間隙過小。
圖 2 滑動導軌
4、故障維修
通過對導軌和壓板的檢查，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軸均沒有出現振動、異響的現象。Ｚ軸功能運行正常，修復后各個精度檢測均達標。達到出廠精度要求，經反復試車跑合，精度保持良好，現機床使用良好。
5、結語
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。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，首先通過常規手段定位故障位置，然后通過分析數控加工程序、電氣伺服參數以及機械結構排查確定故障原因，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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