数控机床加工中尺寸不稳定故障的诊断与处理

冯云龙

（西安导航技术研究所，西安 710068）

数控机床作为一种高效的机电一体化设备，自动化系数较高，涉及机床、电动机、计算机、检测以及拖动控制等众多技术。其中，机械传动、电气控制和系统参数设定不够合理时，容易导致数控机床在后续使用过程中出现加工尺寸不稳定的故障。此类故障的维修工作难度系数比较大，若采取的处理措施不够规范和及时，会极大地影响数控机床的精度。

1 数控机床机械传动方面的影响与处理

数控机床中的机械传动装置是非常重要的组成部分，主要包括伺服电机、丝杠、螺母及设备主轴承等。当其运行不畅时，会直接影响加工尺寸稳定系数。因此，应重点分析该装置对于加工尺寸不稳定性故障的影响，采取有针对性的处理措施，保证设备加工精度。

1.1 伺服电机与丝杠之间连接松动

一般来说，伺服电机与丝杠端头之间的连接是由联轴节内部带有的胀紧套与键块实现的，在进行轴运动时，若连接不够紧密，则伺服电机与丝杠无法保持同步状态，容易出现位置偏差[1]。针对此故障问题的维修与处理，应在开展故障检查工作时，提前在联轴节上做出明显标记，为后续位置移动判断与对比提供有力依据。当伺服电机和丝杠快速移动时，受到惯性的影响，联轴节两侧的标记会有所移动，这证明二者存在连接松动问题。为解决此问题，不仅要拧紧联轴节螺钉，还要将其打开，检查内部的磨损状况，查看胀紧套是否能够保持稳定的胀紧状态，轴运动是否存在较大振动。全方位检查与排除上述问题后，才可以完全解决故障。

1.2 丝杠与螺母副间隙过大或磨损

滚珠丝杠与螺母副之间存在较大间隙，有可能是磨损或松动引起的，此种故障主要表现在数控机床加工零件时，伺服轴会出现异响。要消除丝杠与螺母副之间的间隙，可通过对双螺母进行螺纹式与垫片式调整以及应用齿差式消隙等手段。若滚珠丝杠螺母副的预紧力不同，所应用的调整方法也会存在一定差异。对于内循环的单螺母，一旦其因遭受磨损而导致间隙出现，后续便难以再预紧。而内循环双螺母的预紧力调节，则可以根据数控机床的加工需求随时调整。

1.3 丝杠固定轴承磨损或调整不当

滚珠丝杠和螺母、导轨、滑块发生异常润滑问题时，都可能进一步增强伺服轴在运行过程中的阻力。丝杠的固定轴承是否保持在良好状态下，其判断标准为轴承是否在合理范围内做无规律运动。可先在丝杠的端头位置放置滚珠，再在其上方放定千分表，然后转动丝杠。借助千分表检测窜动间隙，若间隙过大，则要对轴承进行全面细致的检查，妥善更换运行不够良好的轴承。当确定丝杠轴承无问题后，应将处理重点放在预紧螺母的调整层面。先松开丝杠最上方的锁紧螺母，再预紧圆螺母，然后锁紧固定螺母，由此可以排除不良故障问题。此外，还应分别观察数控机床机械传动装置处于动态和静态状态时，丝杠与导轨间的润滑状况，若无油膜形成，则应特别关注润滑油路，检测其是否存在断裂与堵塞情况。若该装置选用锂基润滑脂，则应半年更换一次，这是因为一旦润滑不够顺畅，设备运行状态下的阻力就会大幅上升，容易出现不稳定故障[2]。

1.4 轴承间隙或主轴其他辅助装置故障

数控机床机械传动中的主轴驱动装置，通常选用串行数字控制。数控机床进行加工作业时，主轴是否保持在合理的精度范围内，是决定零部件加工质量是否过关的核心要素。当加工零部件存在精度偏差问题时，应第一时间检测主轴的轴向跳动情况与旋转摆动情况。检测过程中，在长度为0.3 m 的主轴检验棒两端利用千分表检测主轴的摆差问题。当底端误差小于0.01 mm、上端误差小于0.03 mm 时，表明未出现精度超差，一旦高于此标准值要求，就需要考量主轴轴承的磨损状况。同时，主轴内包含的辅助设备的故障检测也不容忽视。一方面，应检查控制刀具锁定和松开的设备是否出现松动状况。另一方面，当主轴的夹具在部件加工过程中与刀具连接不紧密时，可能导致部件加工中的质量错误，因此应特别注意主轴润滑和冷却装置的运行状态。

2 数控机床电气控制方面的影响与处理

2.1 伺服电机编码故障

如果数控机床的电气控制装置存在故障问题且处理不够及时，就可能发生加工中尺寸不稳定故障。当编码器处于连续旋转状态时，会对外发出稳定电压，若编码器电源电压没有长时间保持在稳定状态下，会使得输出信号有所偏差，对信号反馈质量造成不良影响，进而干扰加工稳定性[3]。为了妥善处理此类故障问题，应重点监测输出电压。电压测量工作借助多用表完成，当测定电压低于标准值的5%时，要检查编码器的电源线和插头针是否存在断线和松动情况。由于编码器对外发射的信号带有一定的特殊性质，尤其是15 V 方波信号，为了获得准确的检测数值，应优先考虑使用示波器，以便更加精准地判断编码器的运行状态。

完成所有检测流程后，若显示编码器处于正常状态，则说明电气控制故障并非编码器引起，应更换电源控制电路板。在使用数控机床时，若编码器呈密封老化状态，受限于恶劣的加工环境，会导致不良物质进入光栅，进而造成信号失真，丢失相关加工数据。由于编码器中码盘为玻璃材质，且上方带有的金属条能够起到刻线作用，处理此种故障时，最为高效的方法便是直接更换新的编码器。

2.2 光栅尺故障

数控机床电气控制选用全闭环控制系统，光栅尺为基础装置，具有位置反馈的功能。此装置出现故障的根本原因是在对光栅尺内部吹气过程中，没有特别把控压缩空气的质量，空气中混入灰尘与油污等物质，使得栅格受损，应立即清洗或更换。清洗液体应选择无水乙醇，与绸布配合使用。光栅尺故障位于读取头时，会影响其检测性能，因此需要及时更换。如果光栅尺已经处于损坏状态，但是数控机床无法停止，此时可以修改相关参数，暂时屏蔽光栅尺。需要注意的是，光栅尺处于屏蔽状态时，相关轴的参考范围会发生变化，尤其当数控机床需要自动换刀时，应再次调整相关参数。由于光栅尺故障会大大降低数控机床的精度，难以满足零件加工的具体工艺要求，应特别重视此类问题。

2.3 驱动器故障

伺服驱动器肩负着控制伺服电机的任务，属于控制器范畴，功能类似于变频器，通过速度、位置、力矩3 种方式控制伺服马达，进而提高传动系统的定位精度。当其出现故障时，会影响数控机床的电气控制效果，导致不稳定现象出现。若伺服驱动器显示灯亮电机却不运转，则可能的故障原因是多方向电机被下达禁止动作指令，应检查端口的连接状况。若伺服驱动器电机陷入失速状态，可能是由于没有正确区分速度反馈极性，此时应调整开关位置并使用测速机[4]。

3 数控机床系统参数设定及优化方面的影响与处理

数控机床的系统参数设定不够合理，也会对加工精度产生不良干扰，需对应优化系统参数，优化工作主要集中在反向间隙补偿参数、给进丝杠螺距补充参数以及伺服电机相关控制参数方面。

3.1 间隙补偿参数

观察数控机床的进给传动链运行状况得知，滚珠丝杠螺母副与齿轮传动普遍存在反向间隙问题，会导致数控机床在进行反向运动时出现空转状态，使得半闭环系统出现一定偏差，全闭环系统难以保持稳定，从而频频出现振荡问题。反向间隙补偿参数的设置可以考虑采用预紧和调整的方法，以减小间隙。由于数控机床的机械传动结构表现出较高的传动效率，通常不会出现显著的机械结构间隙。但是，如果传动部件存在弹性变形问题，导致误差发生，那么仅依靠机械调节无法获得良好的补偿效果。剩余误差可以通过设备的半闭环系统直接测量，得到准确值后作为补充参数输入数控系统。当坐标轴接收到反向命令时，数控机床的自动化系统可以尽快启动间隙补偿程序，并将获得的补偿值添加到插值程序的高精度计算位置增量命令中。也就是说，为了补偿由间隙引起的失准问题，通过控制与间隙值相等的电机行程，能够有效实现间隙误差补偿。需要注意，对于具有全闭环数控系统的数控机床，不能采用这种参数设置方法，可选择机械传动方式来消除间隙，并利用脉冲补偿功能设置工作台反向运动时施加给伺服系统的脉冲电压参数，完成间隙误差的补偿任务。

3.2 给进丝杆的螺距补偿参数

设定与优化数控机床系统参数中的给进丝杠螺距补偿参数，应首先明确螺距误差产生的原因，此误差属于常值系统性定位误差。若数控机床的参数系统为半闭环系统，则定位误差容易被滚珠丝杠精度干扰，尽管该装置已经具有很高的精度系数，但是仍然无法完全避免制造误差。要想提高装置的运动精度，就要最大限度利用给进丝杠的螺距误差补偿功能，高质量完成误差补偿与修正任务。当数控机床运行一段时间后，不可避免会出现磨损状况，直接影响其使用精度，导致加工中发生尺寸不稳定故障。科学设定螺距补偿参数有助于提高精度，维持稳定性，促使数控机床的使用年限延长。螺距补偿参数设定与优化依据的原理是比较数控机床某一轴发出的指令位置与高精度测量系统反馈的实际位置，准确计算数控机床在整个零件加工过程中的误差分布曲线。将误差值输入数控系统，然后在轴控制运动过程中自动关联到误差值进行补偿。在设置参数时，应特别注意提前建立机床坐标系，否则对螺距误差的补偿将毫无意义[5]。

3.3 伺服电机相关控制参数

伺服电机控制参数是为快速移动位置环而设置的增益参数。一般来说，该数值设定越大，数控机床表现出的响应速度越快。但是，考虑到数控机床种类繁杂，并不都是参数设定的大，就能够发挥出优良作用，在设定此参数时还应特别重视数控机床加工时可能出现的振动情况。优化伺服电机相关控制参数，应先呈现全面的伺服调整画面，以数控机床伺服电机的性能表现为基本导向来设定参数，再通过计算机辅助软件完成优化处理，促使数控机床在较短时间内恢复至最优良的状态。优化改进电流环路的响应性能，需要借助速度和位置环路的增益调整来实现，进一步强化伺服刚性，促使机床在加工过程中最大限度规避外形误差问题。对于故障位置的定位与锁定无须耗费过多时间，以简化伺服调整流程。

4 结语

造成数控机床加工尺寸不稳定故障的原因较多，在开展故障诊断工作时应围绕机械传动中的伺服电机、滚珠丝杠间隙、固定轴承，电气控制中的伺服电机编码、光栅尺寸位置检测装置、伺服驱动器，以及系统参数中的反向间隙、给进丝杆螺距、伺服电机参数等方面，采取相应的处理措施，确保数控机床可以长时间保持稳定良好的运行状态。