譚邦俊

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 滁州 239000)

數(shù)控車床進(jìn)給軸是用來執(zhí)行直線定位和切削運(yùn)動(dòng)的裝置，它需要同時(shí)控制位置精度和速度響應(yīng)，其性能直接決定了數(shù)控車床的加工精度。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)通常由驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置、檢測(cè)反饋裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置是進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，一般為2個(gè)伺服電機(jī)，用來提供確定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速扭矩；機(jī)械傳動(dòng)裝置是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線移動(dòng)的裝置，主要包括聯(lián)軸器、導(dǎo)軌、進(jìn)給軸(滾珠絲桿螺母副)；執(zhí)行裝置主要指數(shù)控車床的刀架結(jié)構(gòu)；檢測(cè)反饋裝置主要包括光柵尺或編碼器?，F(xiàn)有的關(guān)于進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的研究主要著重于機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝或者電氣系統(tǒng)的連接，而沒有將機(jī)械和電氣調(diào)試結(jié)合起來，且沒有指明調(diào)試過程需要進(jìn)行的工作，更沒有指出調(diào)試過程遇到的問題及其解決方法。

1 數(shù)控車床進(jìn)給軸的組成與連接

數(shù)控車床進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，其傳動(dòng)系統(tǒng)的主要連接分為機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝即安裝滾珠絲桿螺母與導(dǎo)桿，和電氣連接即進(jìn)給伺服系統(tǒng)與CNC裝置的連接。進(jìn)給X軸和Z軸結(jié)構(gòu)上基本相同，主要包括滾珠絲桿螺母副與導(dǎo)軌。

圖1 進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)Fig.1 Feed shaft structure

1.1 數(shù)控車床進(jìn)給軸的機(jī)械機(jī)構(gòu)安裝

支撐滾珠絲桿螺母副的部件主要為軸承座和軸承，考慮到滾珠絲桿螺母副需要很高的定位精度和剛度，為此滾珠絲桿采用兩端固定的支撐方式，即前端采用電機(jī)座、后端采用軸承座；支撐用的軸承采用推力球軸承，這樣滾珠絲桿既可以承受軸向力又可以承受徑向力。由于數(shù)控車床的X向和Z向進(jìn)給軸的安裝與檢測(cè)方法基本一致，同時(shí)Z向進(jìn)給行程較長(zhǎng)(X向刀架橫向移動(dòng)行程較短)，且一般而言滾珠絲桿安裝在Z向床鞍上，故Z向進(jìn)給軸的安裝與調(diào)試具有一定的代表性。

進(jìn)給軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝主要分為兩部分，包括電機(jī)座、軸承座的安裝和滾珠絲桿螺母副的安裝。其中電機(jī)座、軸承座的安裝步驟如下：

(1)利用柴油清洗軸承座和電機(jī)座，并使用棉布擦拭干凈；

(2)將電機(jī)座和軸承座安裝在機(jī)床側(cè)面床身，并使用定力距扳手?jǐn)Q緊螺釘；

(3)將2根檢測(cè)棒插入放入軸承座和電機(jī)座的孔中，并合上壓蓋；

(4)將千分表架在機(jī)床基準(zhǔn)導(dǎo)軌上；

(5)利用千分表檢測(cè)檢測(cè)棒與機(jī)床導(dǎo)軌的平行度，全長(zhǎng)允許變動(dòng)量≤0.01 mm;

(6)根據(jù)測(cè)得的平行度數(shù)據(jù)，將異常點(diǎn)鏟除，對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行鏟刮，保證電機(jī)座和軸承座與機(jī)床床身接觸緊密，且長(zhǎng)度方向接觸長(zhǎng)度≥70%、寬度方向接觸長(zhǎng)度≥50%；

(7)持續(xù)校正并鏟刮導(dǎo)軌，在達(dá)到平行度要求后，確定軸承座和電機(jī)座位置，配做定位銷孔；

(8)利用銷釘實(shí)現(xiàn)軸承座和電機(jī)座的定位，利用內(nèi)六角螺釘實(shí)現(xiàn)軸承座固定。

軸承座、電機(jī)座的檢測(cè)安裝過程如圖2所示。

圖2 軸承座、電機(jī)座安裝檢測(cè)示意圖Fig.2 Installation and inspection of schematic diagram of bearing seat and motor seat

為了保證滾珠絲桿的安裝精度，電機(jī)座和軸承座安裝完成后一般不需要拆卸。滾珠絲桿電機(jī)座端的安裝方法如下：首先將軸承涂潤(rùn)滑脂背靠背安裝；接著將絲桿的軸端插入電機(jī)座，并利用鎖緊螺母擠壓軸承內(nèi)環(huán)；然后安裝端蓋，并保證0.03 mm的預(yù)緊量。

滾珠絲桿軸承座的安裝方法與電機(jī)端安裝方法基本類似，需要注意的是將軸承內(nèi)外隔環(huán)全部壓緊。滾珠絲桿安裝完成后需要不斷校正精度，主要檢測(cè)滾珠絲桿垂直面同導(dǎo)軌的平行度、絲桿在水平面內(nèi)導(dǎo)軌的平行度。最后安裝滾珠絲桿緩沖塊。至此，數(shù)控車床進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分全部安裝檢測(cè)完畢。

1.2 數(shù)控車床進(jìn)給軸的電氣連接

數(shù)控車床進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣連接主要是將進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)、PMC系統(tǒng)相連接。進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)連接電路圖如圖3所示。

圖3 進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)連接電路圖Fig.3 Connection circuit diagram of feed shaft servo system

進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣連接分為以下5個(gè)步驟：第一步，利用FSSB總線將CNC裝置的COP10A接口與進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器的COP10B接口連接；第二步，連接24 V的直流控制電源，即從開關(guān)電源引出24 V的直流電接入進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器的CXA19A接口；第三步，連接MCC電路與急?？刂苹芈罚瑢⑦M(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器的CX29接口連接到KM1接觸器的線圈，將CX30接口連接到急停控制回路，完成對(duì)伺服主電源通斷電的控制和伺服放大器的保護(hù)；第四步，進(jìn)給軸伺服電機(jī)動(dòng)力線的連接，將進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器的CZ24接口與變壓器端220 V交流電端口連接，將CZ25L接口與X軸伺服電機(jī)的動(dòng)力線接口連接，將CX25M接口與Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線接口連接；第五步，信號(hào)反饋線的連接，將進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)器的JF1端口與X軸伺服電機(jī)的編碼器接口連接，將JF2端口與Z軸伺服電機(jī)的編碼器接口連接。

進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)實(shí)物接線圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)實(shí)物接線圖Fig.4 Physical wiring diagram of feed shaft servo system

2 數(shù)控車床進(jìn)給軸PMC程序編寫與導(dǎo)入

數(shù)控車床通過CNC裝置和PMC裝置共同完成控制功能，其中PMC是繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的集合體，其主要功能是完成邏輯運(yùn)算相關(guān)的輔助功能，如主軸的啟動(dòng)與停止、切削液的開與關(guān)、工件的夾緊與放松、刀具的更換等。數(shù)控車床進(jìn)給軸調(diào)試時(shí)需要編寫PMC的梯形圖并寫入PMC參數(shù)。PMC梯形圖的編寫可以在數(shù)控車床上直接進(jìn)行，也可以借助Fladder III 軟件在電腦上編寫，然后利用U盤或存儲(chǔ)卡導(dǎo)入數(shù)控車床。

速度倍率PMC梯形圖如圖5所示。

圖5 速度倍率PMC梯形圖Fig.5 Ladder diagram velocity multiplier PMC

3 數(shù)控車床進(jìn)給軸參數(shù)的設(shè)置與調(diào)試

數(shù)控車床進(jìn)給軸參數(shù)的設(shè)置直接影響到數(shù)控車床性能的發(fā)揮。進(jìn)給軸參數(shù)顯示界面如圖6所示。進(jìn)給軸參數(shù)設(shè)置分為兩大類，進(jìn)給軸參數(shù)和軸設(shè)定參數(shù)，分別如表1、表2所示。

圖6 進(jìn)給軸參數(shù)顯示界面Fig.6 Display interface of feed shaft parameter

表1進(jìn)給軸參數(shù)
Table1Feed shaft parameters

參數(shù)號(hào)參數(shù)含義設(shè)定值X軸 Z軸2020電機(jī)代碼1561561820指令倍乘比222084柔性齒輪比112022方向設(shè)定-111-1112023速度反饋脈沖數(shù)819281922024位置反饋脈沖數(shù)12500125001821參數(shù)計(jì)數(shù)器容量1000010000

數(shù)控車床進(jìn)給軸參數(shù)的設(shè)置過程如下：按下機(jī)床面板上的急停按鈕，再按下OFS /SET功能鍵，將光標(biāo)移動(dòng)到“參數(shù)寫入”，將0改為1；按下SYSTEM功能鍵若干次，在出現(xiàn)參數(shù)顯示界面時(shí)搜索需要修改的參數(shù)號(hào)，按下INPUT功能鍵輸入所需參數(shù)；再次按下OFS/SET功能鍵，將光標(biāo)移動(dòng)到“參數(shù)寫入”，將1改為0；最后按下RESTE鍵，進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完畢，將數(shù)控車床關(guān)機(jī)重新啟動(dòng)。

4 滾珠絲桿補(bǔ)償

數(shù)控車床進(jìn)給軸精度，主要表現(xiàn)為三個(gè)方面，分別為反向間隙、定位精度和重復(fù)定位精度。其中，反向間隙、重復(fù)定位精度可以通過機(jī)械裝置調(diào)整，定位精度則由滾珠絲桿的制造精度決定，而螺距補(bǔ)償是快速提高定位精度的最經(jīng)濟(jì)有效方式。

表2軸設(shè)定參數(shù)
Table2Shaft setting parameter

參數(shù)號(hào) 參數(shù)含義設(shè)定值X軸 Z軸8130控制最大軸數(shù)21006#3編程方式(0:半徑;1:直徑)1 0 1006#5參考點(diǎn)返回方向(0:正;1:負(fù))0 0 1010CNC控制軸數(shù)2 2 1020軸名稱88 90 1022基本坐標(biāo)系軸設(shè)置1 3 1023軸伺服號(hào)1 2 1800#4反向間隙1 1825伺服環(huán)增益/s3000 3000 1826各軸到位寬度/(°)50 50 1828軸移動(dòng)中允許最大偏差量/(°)20000 20000 1829軸停止時(shí)最大允許偏差量/(°)500 500 1851各軸反向間隙檢測(cè)螺距補(bǔ)償可知1260旋轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)量/(°)360000 360000 1320正向行程極限位置/mm9999 9999 1321負(fù)向行程極限位置/mm-9999 -9999 1410空運(yùn)行速度/(mm·min-1)3000 3000 1420各軸快移速度/(mm·min-1)3000 3000 1421各軸快速倍率F0速度/(mm·min-1)500 500 1422各軸最大切削速度/(mm·min-1)2000 2000 1423各軸手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給速度/(mm·min-1)3000 3000 1424各軸手動(dòng)快移速度/(mm·min-1)3000 3000 各1425軸回零點(diǎn)的FL速度/(mm·min-1)300 300 3003#0所有軸互鎖信號(hào)(1:有效)13003#2各軸互鎖信號(hào)(1:有效)13003#3不同軸向互鎖信號(hào)(1:有效)1

4.1 反向間隙補(bǔ)償

反向間隙檢測(cè)如圖7所示，首先將1800#4參數(shù)置為1，然后讓機(jī)床進(jìn)給軸回參考點(diǎn)，接著切削進(jìn)給運(yùn)行G01 X120 F40，安裝百分表將刻度置為0；接著運(yùn)行G01 U120 F40，再運(yùn)行G01 U-120 F40，讀取百分表刻度，按檢測(cè)單位換算進(jìn)給補(bǔ)償間隙量。由此可知機(jī)床在該位置120 mm以內(nèi)的跳動(dòng)量 ，為了確保每個(gè)測(cè)點(diǎn)的反向間隙準(zhǔn)確，需要對(duì)同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行5次以上的檢測(cè)，并取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的反向間隙。

又由于機(jī)床在不同位置反向間隙不同，也不成線性關(guān)系，一般而言調(diào)試時(shí)需要取滾珠絲桿的兩端和中間3個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)中平均值最大的那個(gè)作為滾珠絲桿的反向間隙，最后根據(jù)單位換算在1851參數(shù)中輸入百分表跳動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖7 反向間隙檢測(cè)Fig.7 Back clearance detection

4.2 螺距補(bǔ)償

螺距補(bǔ)償?shù)脑硎菍C(jī)械返回的參考點(diǎn)作為螺距補(bǔ)償原點(diǎn)。CNC系統(tǒng)以設(shè)定在螺距誤差補(bǔ)償參數(shù)中的螺距補(bǔ)償量和CNC移動(dòng)指令，綜合控制伺服軸的移動(dòng)量，進(jìn)而補(bǔ)償絲桿的螺距誤差。

5 進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試中常見故障解決

進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)常見的故障有以下幾種：

(1)伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)

機(jī)床加工時(shí)進(jìn)給軸伺服電機(jī)不回轉(zhuǎn)，造成這種狀況的因素有多種。第一，伺服系統(tǒng)不工作，可能是伺服系統(tǒng)損壞，或伺服系統(tǒng)DC 24 V直流供電線路未接通；第二，伺服系統(tǒng)未接收到速度和位置信號(hào)，可能是伺服系統(tǒng)未與I/O LINK模塊連接，或未與PMC連接，或端子接觸不良。

解決伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)的故障可以通過觀察顯示器上I/O的實(shí)際工作情況，分析PMC梯形圖，找到機(jī)床電路故障。

(2)參考點(diǎn)故障

機(jī)床無法返回參考點(diǎn)。如果機(jī)床回零操作后距離參考點(diǎn)是一個(gè)固定的值，則是因?yàn)榻咏_關(guān)上的減速擋塊位置不正確，重新調(diào)整即可；若距離參考點(diǎn)是隨機(jī)的數(shù)值，則是由于外界干擾所致，需要檢查電纜屏蔽線是否接地、編碼器的信號(hào)線是否受強(qiáng)電干擾等；若距離參考點(diǎn)的偏移量特別微小，則是由于主板問題或漂移補(bǔ)償電壓不穩(wěn)定。

機(jī)床返回參考點(diǎn)超程，可能原因是進(jìn)給軸位置環(huán)增溢值過大，可通過修改參數(shù)1825進(jìn)行修正；也可能是機(jī)床參考點(diǎn)附近減速開關(guān)失效。

(3)超程

超程分為軟限位超程和硬限位超程。軟限位超程只需將進(jìn)給軸向反方向運(yùn)動(dòng)幾毫米，按RESTE復(fù)位鍵即可消除；如果軟限位行程過小，可以通過1320和1321參數(shù)來調(diào)整。硬限位超程，可按住機(jī)床面板上的超程解除按鈕，讓進(jìn)給軸往反方向運(yùn)動(dòng)；如果機(jī)床面板無超程解除按鈕，可將3004#5參數(shù)由1改為0，然后利用JOG模式讓進(jìn)給軸往反方向運(yùn)動(dòng)幾毫米，再將3004#5參數(shù)由0改為1。實(shí)際調(diào)試使用過程中，硬限位的行程過小可以通過移動(dòng)機(jī)械式行程開關(guān)的位置來增加硬限位行程。

(4)超載

機(jī)床加工時(shí)，負(fù)載過大、切削力過大、頻繁正反運(yùn)動(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)故障、超載檢測(cè)電路出現(xiàn)故障等均會(huì)發(fā)出超載報(bào)警。當(dāng)表現(xiàn)形式為顯示器報(bào)434錯(cuò)誤時(shí)，即為伺服電機(jī)超載、過熱或者過流，可根據(jù)故障性質(zhì)逐步排查解決問題。

(5)振動(dòng)

機(jī)床加工時(shí)振動(dòng)過大會(huì)直接影響工件的加工精度和表面粗糙度。常見機(jī)床振動(dòng)的原因如下：第一，機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)阻力過大，可以通過給機(jī)床導(dǎo)軌添加潤(rùn)滑油脂來解決；第二，傳動(dòng)鏈故障，如絲桿的預(yù)緊力不夠、滾珠絲桿軸向未固定、傳動(dòng)鏈軸承磨損嚴(yán)重，可以通過更換或調(diào)整傳動(dòng)鏈的零件來解決；第三，速度檢測(cè)反饋系統(tǒng)發(fā)生故障，如D/A轉(zhuǎn)換速度調(diào)節(jié)器故障，可以通過檢測(cè)反饋電路上的電信號(hào)來解決；第四，進(jìn)給軸參數(shù)設(shè)置不合理，如位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、伺服環(huán)增益、電流環(huán)增益等參數(shù)設(shè)置不合理，可以通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)來解決；第五，加工程序數(shù)據(jù)過于密集，即利用軟件編程時(shí)為追求零件的高精度，沒有對(duì)零件數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，可以利用軟件降低零件數(shù)據(jù)的過濾精度。

(6)竄動(dòng)

機(jī)床在正常加工時(shí)突然出現(xiàn)進(jìn)給軸加速的現(xiàn)象稱為竄動(dòng)。產(chǎn)生竄動(dòng)的主要原因是測(cè)速系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，可能是速度檢測(cè)反饋回路信號(hào)干擾或者測(cè)速裝置故障。

(7)爬行

此故障主要發(fā)生在加速階段和低速進(jìn)給階段，表現(xiàn)為伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿均勻回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)快時(shí)慢。產(chǎn)生此種故障的原因可能是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑不良、伺服系統(tǒng)增益過低、加工負(fù)載過低等。

(8)漂移

此故障的表現(xiàn)形式為移動(dòng)指令為零時(shí)，進(jìn)給軸仍然移動(dòng)。產(chǎn)生此故障的原因主要是漂移補(bǔ)償電路出現(xiàn)故障，通過檢查漂移補(bǔ)償電路上的故障點(diǎn)加以排除。

(9)位置誤差過大

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，伺服系統(tǒng)的誤差超出了允許范圍，機(jī)床會(huì)報(bào)警顯示位置誤差過大。產(chǎn)生位置誤差過大的原因主要有：第一，伺服系統(tǒng)設(shè)置的系統(tǒng)誤差過小，可以通過1828和1829參數(shù)調(diào)整；第二，伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不合理，可以通過1825和1826參數(shù)調(diào)整；第三，位置檢測(cè)模塊出現(xiàn)故障，可更換檢測(cè)模塊；第四，傳動(dòng)鏈累計(jì)誤差過大，可重新進(jìn)行螺距補(bǔ)償檢測(cè)。

6 結(jié)論

本文介紹了數(shù)控車床進(jìn)給軸安裝調(diào)試過程中機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝、電氣結(jié)構(gòu)的安裝、參數(shù)的設(shè)置、PMC程序的編寫，同時(shí)分析了進(jìn)給軸系統(tǒng)常見的一些故障，如參考點(diǎn)故障、超載、竄動(dòng)、爬行、漂移和超程等，并介紹了相關(guān)維修方法，為相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的工作需求提供了技術(shù)參考。