数控机床在加工中尺寸不稳定故障的诊断与维修

慕利军，白光明

（内蒙古第一机械集团有限公司精密设备维修安装公司，内蒙古包头 014030）

0 引言

在数控机床使用中加工尺寸误差过大及加工尺寸不稳定是两种较为复杂的故障。设备机械传动、电气控制、系统参数优化等方面因素是影响数控机床加工尺寸不稳定的关键因素。

1 机械传动方面

数控设备的机械传动装置主要是通过丝杠与丝母的平稳传动、设备导轨（导轨有硬轨和线轨之分）的精度，来保证设备的加工精度，从机械传动的组成来看，影响加工精度的因素有以下4 项：

（1）伺服电机与丝杠之间的连接松动，伺服电机一般是通过联轴节与丝杠端头连接，联轴节内部有键块或涨紧套[1]。如果出现连接松动问题，在轴运动过程中会导致电机与丝杠不同步，出现伺服轴在运动过程中实际位置与反馈位置的偏差。

针对此类问题，在进行故障检查时，在伺服轴电机与丝杠端头的联轴节上做上标记，便于对比发现问题，在快速进给倍率模式下来回移动需检查的轴，由于惯性作用使联轴节的两端出现标记有明显相对的移动，说明存在连接松动问题，此类故障通常表现为零件加工尺寸只向一个方向有变动，故障排除过程中不能只将联轴节螺钉拧紧，而要打开联轴节检查联轴节是否磨损严重，涨紧套是否已无法涨紧，在轴运动过程中是否振动大等原因，把这些原因排除后，才能彻底解决此类故障。

（2）滚珠丝杠丝母副间隙大或磨损。丝杠、丝母副的间隙大往往是松动或磨损造成，故障表现为加工零件过程中进给伺服轴有异响。在实际维修中消除进给丝杠螺母副的间隙有以下方法：

双螺母副丝杠螺母副间隙的调整有双螺母垫片式调整、双螺母螺纹式调整、齿差式消隙等方法[2]。但是对于不同类型的滚珠丝杠螺母副预紧力调整不同，比如GZ 系列的内循环单螺母丝杠，在磨损出现间隙后，一般无法再进行预紧（图1a））；GL 系列内循环螺纹预紧双螺母丝杠副，双螺母预紧力的调节，根据设备工作情况的需要可以随时调整预紧力（图1b））；CDT 系列外循环导珠管凸出式双螺母丝杠，预紧力容易调整（图1c））。

图1 滚珠丝杠丝母副

（3）滚珠丝杠固定轴承磨损或调整不当；滚珠丝杠与丝母之间、滑块与导轨润滑异常造成伺服轴运行时的阻力增大。丝杠的固定轴承不良，通常表现为尺寸在几十丝范围内无规律的窜动，可以把滚珠顶到丝杠端头，把千分表顶到滚珠上，然后转动丝杠，用千分表检测滚珠丝杠轴向窜动间隙，如果丝杠轴向间隙过大时，应检查轴承的状态，更换不良轴承；如果确认丝杠轴承没有问题，需要调整预紧螺母，首先松开丝杠端部的锁紧螺母，预紧圆螺母，然后再锁紧固定螺母，故障就可排除。

在设备静态和动态中观察导轨和丝杠润滑是否正常，如果发现导轨和丝杠上没有形成油膜，需要检查润滑油路的状态，管路是否有堵塞、断裂等现象。如果是使用锂基润滑脂给丝杠润滑的，需要半年更换一次润滑脂。由于润滑不良使工作台运动阻力增加，只要润滑恢复即可排除故障。

（4）设备主轴轴承间隙或主轴其他辅助装置故障。在数控设备上多采用串行数字控制的主轴驱动装置，在设备加工过程中，主轴的精度是否符合要求也是零部件加工质量的关键因素。

如果出现加工产品出现了产品某项精度超差，涉及到主轴精度要求的，先要对主轴进行轴向跳动和主轴旋转径向摆差的检测，检测方法是用长度300 mm 长的主轴验棒，用千分表在验棒的根部和端头部分别进行主轴摆差检测，一般标准值根部应在不大于0.01 mm，端部应在不大于0.03 mm，如果超出标准值较多，应考虑是主轴轴承磨损或主轴锥孔内壁磨损。

还需要检测主轴内的辅助装置是否有故障，例如，主轴的刀具锁紧/松开控制装置是否松动，在加工零件时主轴拉爪无法拉紧刀具也会造成加工零件的质量问题；主轴的冷却和润滑装置是否运行良好等。

2 电气控制方面

2.1 伺服电机编码器故障

（1）编码器在连续旋转时，输出DC 5 V 左右的稳定电压，编码器的电源电压不稳定都会造成输出信号的误差，影响反馈信号的质量，造成加工不稳定，可以用多用表测量输出电压，如果电压低于5%时，检查编码器的电源线是否断线，编码器插头针是否有松动；用示波器检测编码器的高频15 V 方波信号，可以准确判断编码器的好坏。如果编码器正常，可以更换电源控制电路板。

（2）编码器码盘的材料大多是玻璃，通常上面用热稳定性好、精度高的金属条作刻线。在设备的使用过程中，由于使用环境油污大、编码器密封老化等原因，使油污或灰尘进入光栅内而造成信号失真或丢失故障，可以使用编码器测量检测仪器检测信号是否正常或发到专业的厂家进行维修，然而在日常的维修过程中，如果遇到编码器内部故障的问题，往往是直接更换新的编码器。

2.2 光栅尺位置检测装置故障

对于全闭环控制系统，光栅尺是主要的位置反馈装置。光栅尺反馈故障主要原因是光栅尺内部有油污和灰尘，造成光栅的栅格损坏，需清洗或更换光栅尺。

在日常维修中，遇到光栅尺的故障，光栅尺内部进入油污和灰尘，大部分是由于给光栅尺内部吹气的压缩空气质量差，造成光栅污染，可用无水乙醇和绸布进行清洗；或者是光栅尺的读数头故障，造成光栅尺的检测不良，读数头故障可以使用读数头测量检测仪器检测信号是否正常或是更换新的读数头，旧件可以拿到专业的厂家维修。

如果在设备光栅尺损坏而设备无法停机的时候，可以把光栅尺进行暂时屏蔽的方法进行维修，屏蔽光栅尺需要修改参数有，以FANUC 系统为例，相关参数有1815.1/4/5、2084、2085、2024、2185。光栅尺屏蔽后，需注意所屏蔽的轴的参考点发生了变化，尤其是涉及到自动换刀时要重新进行调整；设备的精度下降后，是否能满足加工零件的工艺要求等。

2.3 伺服驱动器故障

判断伺服驱动器的故障，可以用相同规格的伺服驱动器更换来判別故障，如果故障现象发生了转移，说明驱动器故障，更换驱动器[3]。

2.4 干扰对系统工作稳定性的影响

主要因素有系统及控制装置接地不良或不合理、信号线布线不合理等。屏蔽是防止干扰的有效措施，驱动器、变频器、电机等元器件的可靠接地，能降低干扰的影响[4]。

3 系统参数的设定及优化方面

影响加工精度的系统参数主要包括进给的反向间隙补偿参数、进给丝杠的螺距补偿参数及电机控制的功能参数。

（1）设备进给轴存在反向间隙，调整反向间隙参数可以改善加工精度。反向间隙补偿参数1851（切削进给方式）与1852（快速进给方式）补偿的两个参数。检测方法如下：分别对所测量轴，在G00 和G01 两种运行方式下，反复移动轴的位置，用千分表测量，要把所测的轴分为3 段，分别作往复移动，一般作6次，然后把中间和两端的值加起来除以3 所得的值输入1851和1852 中。

（2）对伺服轴的螺距误差补偿设置的调整。使用激光干涉议可以对机床的定位精度、重复定位精度，反向间隙等进行测量，同时进行机床螺距误差的补偿与调整。在维修现场使用较多的是RENISHAW 激光干涉仪，在使用激光干涉仪对设备的各轴进行调校时，有两个方面需要注意：

（1）激光干涉仪安装与准直，安装时参照干涉镜箭头指示方向，准直的方法追光法，近端重合，远端追光重回。

（2）误差补偿的设置，要根据不同设备的操作系统，对应的螺距补偿参数不同，例如三菱系统的参数4003～4007 号、FANUC系统的参数是3620～3624 号、西门子系统中（以西门子840Dsl系统为例）涉及到参数有38000，32700 等。

（3）伺服电机相关控制参数设定不当。伺服电机控制参数主要是伺服快速移动位置环的增益参数，位置环增益参数设置越大，设备的响应越快，但是根据不同类型的设备，设置该参数不是越大越好，还有考虑到设备在加工过程中的振动等因素。快速移动位置环的增益参数（NO.2178 设定为3000）；切削进给位置增益（NO.1825），根据机型不同，增益的值也在不同范围，钻削中心8000～12 000、立加线轨5000～8000、立加硬轨和龙门加工中心4000～6000；速度环的机械负载惯性比参数（NO.2021设定为256）。

调整方法：首先设置参数3111#0=1，显现伺服设定和伺服调整画面，然后根据伺服电机的具体性能进行伺服参数的设定，进行伺服的优化处理。现在的数控机床都是采用计算机辅助软件进行优化处理，如FANUC 公司的伺服优化软件SERVO GUIDE[5]，可使机床的加工性能达到最佳状态。利用SERVO HRV3 控制可以改善电流环路的响应性能，设定更优化的速度环路增益和位置环路增益。利用高的速度环路增益，可以改善对指令的响应性能和伺服刚性，降低加工外形误差，缩短定位时间。另外，使用这个软件还可以简化伺服调整。

4 结束语

引起数控机床加工尺寸不稳定的原因是多方面的，实际生产中不要盲目判断，要先对机床进给系统的定位精度和重复定位精度作检测，如果检测值超差，再分析是机械传动的问题还是电气控制的问题。在实际维修中，设备出现加工精度不稳定的故障，机械传动方面的故障占比较大，所以在维修中要先询问操作者设备最近的运行状态，结合设备的润滑系统运行状态、导轨和丝杠的状态等，确定设备的维修方案，最终修复故障。