立式加工中心第四轴回转精度恢复

刘蛟辉 李知卫 赵阳

摘 要：对立式加工中心第四轴进行详细深入的分析，确定影响第四轴回转精度、造成工件平行度超差的因素，逐一调节，调整间隙，最终恢复第四轴的精度，加工出合格的产品。在设备维修中，精度的调整是一个相对困难的问题，设备在使用过程中，都会因为磨损，造成配合间隙增大，使精度减低，这就需要对传动的各个环节进行分析，确定间隙过大的原因和调整方法，然后根据现场情况确定间隙的合适范围，调整间隙，最终达到恢复精度的目的。

关键词：平行度；回转精度；间隙；蜗轮蜗杆

中图分类号： TG659 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-177-2

1 故障现象

如图1，工件是拖拉机前转向驱动桥的转向节。在这道工序上，由一台立式加工中心完成a、b面，孔1、2、3、4的粗、精加工。由于转向节工艺尺寸的优化，b面对a面的平行度由0.1mm提高到0.05mm，孔1、2公共轴线的位置度又涉及与孔5轴线的空间交点和角度问题，一个尺寸的不合格，就可能会引起其他一系列相关尺寸的超差，这就在很大程度上提高了加工难度。目前加工出来的工件，b面的平行度多数在0.05mm左右，在超差边缘线。近来，b面的平行度超差的情况突然增多，绝大多数都维持在0.07mm，孔1、2的公共轴线位置度也出现超差情况，严重影响到了工件的质量。

2 故障分析

针对工件超差的问题，首先对加工的现场情况进行了分析，操作人员完全按照工艺指导书的操作规程进行操作，没有违章、违规问题，排除掉人员的问题。其次，检查毛柸刀具，毛柸不存在料硬、加工余量大、前序不合格问题，刀具磨损也不严重现象，对机床X、Y、Z三轴的重复定位精度、反向间隙都重新进行了测量，结果都在正常范围内。最后，对第四轴进行检查，用如图1方法，将第四轴旋转到一合适位置，放松第四轴，把百分表架固定在卡具体上，表针顶在卡具分度盘盘面的T型槽内侧面上，将钢板置于T型槽内，用手臂以大于15～20公斤的力量顺时针或逆时针方向旋转刻度盘，旋转不动时，停止使力并放松，记下百分表刻度，然后以相同的方法，反方向旋转刻度盘，记下表读数，读取两刻度值之差。总共选择四个位置进行测量，相邻两位置相差90度，最终结果显示平均差值达到0.4mm。确定造成平行度超差的原因是卡具旋转定位误差过大，使被加工面平行度超差。

3 第四轴旋转定位精度的校正

3.1 对卡具结构进行分析，确定影响第四轴定位精度的要素

拆除侧面部分端盖，初步确定卡具是由伺服电机通过一组齿轮啮合，带动蜗杆旋转，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮直接带动卡具旋转，卡具旋转到指定的位置时，液压锁紧，第四轴定位。

通过对卡具工作方式的分析，发现影响第四轴定位精度的因素主要是电机齿轮与蜗杆上的齿轮之间的啮合间隙、蜗杆蜗轮之间的背隙、蜗杆的攒动、卡具旋转轴处的轴承等。

3.2 对影响定位精度各要素的分析与调整

观察卡具油窗和各润滑点，油量充足，润滑良好，旋转第四轴，运转平稳，没有异响卡顿，判定选装轴处的轴承工作状态良好，出现问题的可能性比较小。

观察电机，电机是通过螺栓与卡具主体连接在一起，没有定位销。此处，电机位置可能会动，另外，齿轮之间的磨损可能会造成齿侧间隙过大，影响精度。由于蜗轮蜗杆传动方向不可逆，手动旋转卡具就不能使蜗杆转动，因此上面测量的定位精度超差，问题不在电机处的齿轮间隙，但齿轮间隙会影响旋转精度。这里，先拧松固定电机的螺栓，用铜棒轻击电机法兰，适当减小齿侧间隙，背紧螺栓，然后调整伺服电机的驱动参数，消除电机旋转的反向间隙，达到调整精度的目的。但由于传动链的减速比比较大，电机齿轮处于传动链的第一环节，电机齿轮转动一定角度，卡具只能旋转一个很小的角度，因此这里的齿轮间隙对卡具精度的影响非常小，可以忽略不计，可以不调整。

查看第四轴如图2所示的图纸，蜗杆一端用一对背靠背的圆锥滚子轴承实现蜗杆的轴向定位，另一端用一套深沟球轴承游动支撑，轴承可相对壳体移动。蜗杆的轴向定位精度取决于固定端轴承的轴向游隙，可以通过备紧轴承的锁紧螺母来调节间隙，从而控制蜗杆的轴向攒动量，达到调节精度的目的。打开蜗杆轴承座一端端盖，找到锁紧螺母并调节，适当减小轴承游隙，减小蜗杆轴向攒动量，若效果不理想，可以考虑更换轴承。细看图纸，蜗杆固定端轴承座通过M10内六角螺栓固定在壳体上，M6内六角螺栓是顶在壳体上的，通过这两组螺栓调节轴承座的位置实现蜗杆轴向位置的调整，M10螺栓是固定螺栓，M6螺栓是调整螺栓。

查看蜗轮蜗杆的相关资料，发现有一种双导程蜗杆又称变齿厚蜗杆，可以通过调整蜗杆的轴向位置来消除蜗轮副的啮合间隙。双导程蜗轮副与普通蜗轮副的区别是，双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的导程，而同一侧的导程则是相等的。固然蜗杆齿左右侧面具有不同的齿距（即不同的模数），但因同一侧面的齿距相同，故没有破坏啮合条件。由于该蜗杆的齿厚从蜗杆的一端向另一端均匀地逐渐增厚或减薄，故可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整蜗轮副的啮合间隙。

由上述资料，可以判定这里用的就是双导程蜗杆，可以通过调整间隙来恢复第四轴精度。调整方法如下：松开四个紧固螺栓→逆时针旋转调整螺钉（间隙过大时，逆时针调整，间隙过小时，顺时针调整）→锁紧四个紧固螺栓→用如图2的方法测量间隙。反复调整，直至调整到合适的间隙。蜗轮蜗杆间隙过大时，会影响旋转精度，甚至造成传动不良，降低使用寿命等；间隙过小时，会增加传动阻力，产生过多的热，易烧结、胶合等。因此，间隙的调整既不能过大，也不能过小。查看相关资料，双导程蜗杆间隙可以调整到很小，可调整至0.01～0.015mm，普通蜗杆可调整至0.03～0.08mm，但在实际的调整过程中，必须根据现场的使用情况和工况，调整出合适的间隙。调整时，由于选择的测量位置在转盘上，测量点测量结果会将齿侧间隙放大，大约在3倍。反复调整后，各测量点的间隙值最终调整至0.05～0.12mm之间，在系统中查看B轴负载，卡具静止时在5%左右，稳定旋转时在15%左右，瞬时值较大。当调整间隙小于0.05mm时，B轴负载比较大，卡具静止时就达到10%，稳定旋转时可达25%，会使驱动器电流过大，易出现过热过载等报警，影响驱动器使用寿命。当调整间隙大于0.20mm时，就不能保证卡具的旋转精度，生产出不合格的产品，起不到调整的目的。

调整好蜗杆齿测间隙后，测量第四轴反向间隙。如图1的方法，将卡具旋转到某一位置，百分表表头顶在旋转盘T型槽上，表架固定在卡具本体上。手动正方向旋转卡具，使T型槽压住百分表表头；再走程序，使卡具正方向旋转0.2度，记下卡具旋转0.2度百分表走的数值为0.35mm；保持百分表不动，用手拨动表盘对表，使表针指向0刻度线；走程序使卡具反方向旋转0.2度，这时发现表针反向走了0.13mm，说明B轴反向间隙反映在在百分表上是0.22mm（由于是圆周上，这里的间隙值将实际值放大了）。这时调整系统中1851参数中B轴的数值，将该数值增加了2500（调整过程发现该数值变动100，百分表变动量约0.01mm），再反复调整间隙，直到反向间隙在0.05mm以内。可以将卡具旋转到多个不同位置调整间隙，使各位置间隙调整至合适范围。重启系统，空走程序，一切正常。试加工零件，测量b面平行度为0.03mm，在三坐标测量仪上测量其他空间尺寸也都符合要求。 连续加工十余件零件，均符合技术要求，平行度维持在0.02～0.03mm之间，完成立加第四轴精度的恢复。

4 结语

这次对旋转卡具的调整，每一步都进行了详细细致的剖析，确保一次调整到位，缩短不必要的维修时间，遵循先易后难，先调整易判断、易调整、易验证的要素，再进行难拆解、难调整、难验证的要素，达到高效快速修复设备的目的。

参 考 文 献

[1] 丁海萍，杨晶，徐呈艺.FANUC 0I系统在XH713型立式加工中心改造中的应用[J].机床与液压，2016（04）.

[2] 许鹏飞.数控机床增加第四轴改造方式的研究探索[J].硅谷，2013（24）：132-133.