賀 毅

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川 成都 610092)

近年來隨著產(chǎn)品需求提升，對(duì)制造業(yè)工件的加工要求也不斷提高，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件越來越多，許多制造企業(yè)為了滿足產(chǎn)品加工要求購(gòu)置了橋式機(jī)床。這些橋式機(jī)床的行程范圍較普通立式機(jī)床更大，能滿足較大尺寸工件的加工需要，特別是大中型5 軸橋式機(jī)床，其大角度范圍更是能滿足絕大多數(shù)復(fù)雜型面工件的加工。使用西門子系統(tǒng)的橋式機(jī)床，它的龍門雙軸同步一般使用西門子特有的龍門軸(gantry)控制方式，該方式下龍門軸由兩邊獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)床。很多龍門軸都使用齒輪齒條嚙合，這種結(jié)構(gòu)的耐磨性較絲杠高，強(qiáng)度和剛度更大，動(dòng)態(tài)性能更好，能適應(yīng)高速加工的要求。但橋式機(jī)床經(jīng)過一定時(shí)間的高速使用后，不可避免會(huì)出現(xiàn)磨損，機(jī)床的機(jī)械狀態(tài)發(fā)生變化，軸的同步狀態(tài)將會(huì)逐漸下降，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)報(bào)警甚至導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)更大的扭曲。這種情況下如果需要重新恢復(fù)機(jī)床性能，機(jī)床制造廠會(huì)要求用戶將整個(gè)磨損的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行更換;而在實(shí)際中，很多傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是定制產(chǎn)品，其備件價(jià)格較高，等待周期長(zhǎng)，如果僅僅是出現(xiàn)一些較小的磨損就決定對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行更換，將會(huì)給企業(yè)帶來巨大的負(fù)擔(dān)。而制造廠家提供備件的實(shí)際最終狀態(tài)也只有將其安裝在機(jī)床上才能得到驗(yàn)證，一旦備件本身存在問題，有可能需要再次將其取下，這樣對(duì)企業(yè)的影響更大，使用戶存在極高的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際中在很多輕微的磨損狀態(tài)下機(jī)床并非完全不能使用，只要進(jìn)行一定的限制，機(jī)床上輕微的磨損部件也能滿足生產(chǎn)需要。因此在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)存在輕微磨損時(shí)，如何保證其滿足生產(chǎn)需要，對(duì)用戶而言，有非常重要的意義和價(jià)值。

1 橋式激光補(bǔ)償原理

激光干涉儀測(cè)量機(jī)床的普通單坐標(biāo)線性軸的定位誤差時(shí)，干涉鏡固定，反射鏡移動(dòng)，測(cè)量后生成的補(bǔ)償值就能將機(jī)床的單軸補(bǔ)償完畢。但橋式機(jī)床的龍門軸由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單軸同步運(yùn)動(dòng)合成，僅對(duì)龍門軸的任何一個(gè)單軸進(jìn)行激光補(bǔ)償不能正確反映機(jī)床整個(gè)龍門軸的定位精度狀態(tài)，因?yàn)辇堥T軸的兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)軸需要兩組獨(dú)立的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。如果由于條件限制，用戶只有一個(gè)激光測(cè)量系統(tǒng)，將該系統(tǒng)架設(shè)在龍門軸橫梁的中部進(jìn)行測(cè)量補(bǔ)償，這樣得到的補(bǔ)償值無法進(jìn)行正確的螺距補(bǔ)償，因?yàn)檫@種方案下激光檢測(cè)出的補(bǔ)償值仍然只有一組數(shù)據(jù)。即使將該組螺距補(bǔ)償值同時(shí)輸入龍門軸的兩個(gè)坐標(biāo)，這樣的結(jié)果是機(jī)床龍門軸橫梁中部的測(cè)量位置處的定位精度可能有明顯改善，但在龍門軸橫梁上其他位置的定位精度仍然可能存在異常。正確補(bǔ)償方式是:首先，在機(jī)床坐標(biāo)系下的初始位置對(duì)龍門軸進(jìn)行校零，校零后該位置可設(shè)為激光檢測(cè)的起始點(diǎn)，此時(shí)在該位置上保證龍門軸相關(guān)的垂直度正常，并且在該位置上靜止時(shí)各軸的功率波動(dòng)通常也在5%以下;然后，同時(shí)使用兩套激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)龍門軸的兩個(gè)軸進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)償。補(bǔ)償完畢后還需要再次檢查各處的電流或功率狀態(tài)，這是因?yàn)橛捎诟魈幋嬖诓煌臋C(jī)械間隙或者誤差，而激光補(bǔ)償后這些異常的機(jī)械狀態(tài)可能導(dǎo)致電流或功率的異常。如果由于條件限制，現(xiàn)場(chǎng)只有一臺(tái)激光檢測(cè)系統(tǒng)，則需多次分別在兩端進(jìn)行誤差補(bǔ)償。注意測(cè)試時(shí)首先仍然需要保證機(jī)床在激光檢測(cè)的起始位置的垂直度正常，然后依次分別進(jìn)行激光檢測(cè)，最后補(bǔ)償后的軸仍需再次檢查各位置下的電流或功率狀態(tài)。

2 定位精度與龍門扭曲

機(jī)床的龍門扭曲狀態(tài)是指龍門軸在龍門同步后，機(jī)床橫梁與兩邊線性軸處于不垂直(即垂直度超過理論要求)的狀態(tài)。機(jī)床自然狀態(tài)一般是指龍門軸電動(dòng)機(jī)的電流或功率基本為0 或者是機(jī)床在急停的狀態(tài)下兩邊的電動(dòng)機(jī)沒有輸入的狀態(tài)。理論上，龍門軸進(jìn)行同步后的狀態(tài)應(yīng)該與自然狀態(tài)保持一致。機(jī)床實(shí)際處于同步狀態(tài)時(shí)，垂直度一般在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)中龍門軸的電流或功率狀態(tài)卻難以完全滿足機(jī)床自然狀態(tài)的條件，但其差異不會(huì)太大，即使處于運(yùn)動(dòng)中兩邊龍門軸的功率波動(dòng)一般也不會(huì)超過10%的范圍。如果兩邊龍門軸電流或功率在運(yùn)行情況下差異較大(大于10%的范圍)或波動(dòng)劇烈，這很可能是系統(tǒng)為了保持兩邊龍門軸同步而正在實(shí)時(shí)地調(diào)整龍門軸，此時(shí)取消同步后，處于自然狀態(tài)下的機(jī)床的垂直度將會(huì)出現(xiàn)異常。舊機(jī)床的電流或功率變化在這種情況下出現(xiàn)較大差異時(shí)，常常表明機(jī)床已經(jīng)存在磨損，需要進(jìn)行一定的機(jī)械調(diào)整或電氣調(diào)整。橋式機(jī)床在交付時(shí)的垂直度一般要求在0.01 mm/500 mm 以內(nèi)，但一些老式機(jī)床經(jīng)過多年使用可以將范圍擴(kuò)大到0.05 mm/500 mm 以內(nèi)，實(shí)際中也可以根據(jù)工件具體的精度要求對(duì)垂直度的大小進(jìn)行不同的限制，但相應(yīng)的加工能力將也會(huì)相應(yīng)變化。

橋式機(jī)床龍門軸相關(guān)的垂直度與龍門軸的各單軸的定位精度相關(guān)。如果龍門軸的各單軸的定位精度存在異常，則可以確定垂直度一定會(huì)存在異常。這是因?yàn)辇堥T同步時(shí)依賴的坐標(biāo)位置是已經(jīng)進(jìn)行螺距補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。因此在存在兩套激光系統(tǒng)的情況下，可以通過實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)床龍門軸各單軸位置的定位精度得到龍門軸各位置的垂直度。新機(jī)床補(bǔ)償后的定位精度應(yīng)該與龍門軸的同步狀態(tài)配合，即定位精度和機(jī)床龍門同步狀態(tài)均在正常范圍內(nèi)。機(jī)床存在機(jī)械磨損時(shí)，龍門軸的定位精度由各單軸的定位精度保證沒有變化，在同步狀態(tài)時(shí)垂直度也由各單軸的定位精度決定因此也不會(huì)有變化，但此時(shí)龍門軸的電流或功率有時(shí)已經(jīng)存在異常。這種異常表明機(jī)床龍門軸同步時(shí)已經(jīng)存在內(nèi)部應(yīng)力，一旦同步取消后該內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致機(jī)床立即出現(xiàn)扭曲。機(jī)床的內(nèi)應(yīng)力雖然能在同步時(shí)被定位精度強(qiáng)制抵消，但這種抵消容易導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)磨損更加嚴(yán)重，最后完全無法使用。

機(jī)床扭曲時(shí)垂直度可以反映機(jī)床的扭曲狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 機(jī)床龍門軸扭曲狀態(tài)幾何關(guān)系

設(shè)龍門軸主動(dòng)軸的各點(diǎn)理論定位位置為fi(x)，從動(dòng)軸各點(diǎn)為gi(x)，有fi(x)=gi(x)，i 為各激光補(bǔ)償?shù)拈g距點(diǎn)，n 為總補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，起始點(diǎn)為f0(x)、g0(x)，行程終點(diǎn)為fn(x)、gn(x)。主動(dòng)軸X1和從動(dòng)軸X2的距離為M，主動(dòng)軸未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膶?shí)際位置為(x)，從動(dòng)軸未補(bǔ)償?shù)膶?shí)際位置為(x)，主動(dòng)軸最后補(bǔ)償后的實(shí)際位置為(x)，從動(dòng)軸最后補(bǔ)償后的實(shí)際位置為(x)，機(jī)床的各補(bǔ)償點(diǎn)垂直度為ρi，可以確定在同步的情況下

理論上各點(diǎn)的垂直度應(yīng)該相等，有ρ1=ρ2=…=ρi=ρn，ρi?0.05 mm/500 mm。在功率異常區(qū)域可以取消同步，檢查此時(shí)的各處的垂直度，注意應(yīng)有=ρ0?0.01 mm/500 mm，而i≠0 時(shí)有

3 檢測(cè)機(jī)床的龍門軸磨損狀態(tài)

磨損是一種常見的機(jī)械現(xiàn)象，但輕微的磨損常常無法使用肉眼識(shí)別，一些關(guān)鍵機(jī)械部件如齒輪齒條、絲杠的輕微磨損往往也很難使用一些簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行測(cè)量，如果要對(duì)它們的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，需要將這些部件從機(jī)床上取下，然后將它們送到專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。這種方法耗時(shí)耗力，而且在拆卸和運(yùn)輸?shù)倪^程中容易出現(xiàn)二次損壞。目前國(guó)內(nèi)很多機(jī)床制造廠和大專院校對(duì)機(jī)床狀態(tài)的在線檢測(cè)已經(jīng)做了很多課題和研究，得出了很多有價(jià)值的結(jié)論和成果。但這些方法常常需要使用專用的外部檢測(cè)儀器，或者機(jī)床內(nèi)部加裝傳感器，或者需要一些相關(guān)部件的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)等等，而生產(chǎn)廠家往往難以具備這些條件，因此最有價(jià)值的依然是用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)自帶的工具對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)分析。

以下以一臺(tái)法國(guó)橋式機(jī)床MINUMAC2331 為例。該機(jī)床的X 軸有9 m 的行程，由主動(dòng)軸X1和從動(dòng)軸X2兩個(gè)全閉環(huán)龍門線性軸組成。經(jīng)過7 年使用后，在工件的加工過程中突然出現(xiàn)龍門不同步的提示報(bào)警10652，機(jī)床停止。隨后對(duì)龍門軸X 軸使用西門子的相關(guān)servo trace 工具在主要行程內(nèi)進(jìn)行檢查，其X 軸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)功率狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 機(jī)床龍門軸電流狀態(tài)

在圖2 中，Tr1 代表X1軸的全閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)位置，Tr2 代表X1軸的功率，Tr3 代表X2軸的全閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的位置，Tr4 代表X2軸的功率。由圖2 可以明顯地看出，X 軸在4 500 mm 的位置前后狀態(tài)存在明顯差異，在1 000～4 500 mm 的位置功率存在劇烈的變化，在4 500～8 000 mm 的位置功率狀態(tài)變化相對(duì)平穩(wěn)。正是由于機(jī)床在前部份0～4 500 mm 區(qū)域的異常情況導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)龍門同步報(bào)警。事實(shí)上我們經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋式機(jī)床加工的主要工件尺寸大多數(shù)都在3 m 以內(nèi)，由于1 000～4 500 mm 的范圍離操作人員更近，而且更便于操作人員裝卸和觀察機(jī)床加工狀態(tài)，因此這個(gè)范圍加工的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后部4 500～9 000 mm 的范圍。檢查機(jī)床在各位置靜止時(shí)的功率波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)也存在明顯異常。對(duì)機(jī)床取消同步后，在1 000～4 500 mm 的范圍和4 500～9 000 mm 的范圍內(nèi)在機(jī)床自然狀態(tài)下分別檢查XY 垂直度，發(fā)現(xiàn)前部分為0.07 mm/500 mm 而后部分為0.03 mm/500 mm。通過結(jié)合圖2，可以首先排除光柵尺本身的拉伸問題引起功率異常，然后排除變速箱預(yù)緊力的原因?qū)е鹿β十惓＃詈笈袛鄼C(jī)床在1 000～4 500 mm 的區(qū)域內(nèi)存在輕微磨損。如果按傳統(tǒng)方法徹底解決該問題需要對(duì)1 000～4 500 mm 的齒條進(jìn)行全部更換和調(diào)整。這種方案的成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間都非常巨大，因此需要盡可能不對(duì)原有機(jī)械進(jìn)行處理的情況下對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。

4 扭曲補(bǔ)償原理

用戶可以綜合考慮機(jī)床的狀態(tài)，通過電流狀態(tài)或功率狀態(tài)找到出現(xiàn)問題的區(qū)域，對(duì)這些異常區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的定位精度進(jìn)行調(diào)整，從而使電流或功率狀態(tài)的改善避免報(bào)警。這是因?yàn)闄C(jī)床補(bǔ)償后的垂直度一般離最大要求的范圍0.05 mm/500 mm 還有一定區(qū)間，只要將垂直度限制在該區(qū)間內(nèi)，適當(dāng)減小定位精度，就可以滿足在存在較小內(nèi)應(yīng)力的情況下進(jìn)行加工。

設(shè)X 軸的傳動(dòng)比為J，電動(dòng)機(jī)的力矩T0，效率為η，齒輪力矩T=JT0η。由三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式:T0=CΦIcosφ，故T=JCΦIηcosφ。其中C 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Φ 電動(dòng)機(jī)每極磁通，I 為轉(zhuǎn)子電流的折算值，cosφ 為轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。根據(jù)圖1 對(duì)X1軸進(jìn)行靜力學(xué)分析有

其中:K 為彈性系數(shù)，F(xiàn)f為X1軸產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，F(xiàn) 為靜摩擦力。取消同步后，F(xiàn)f將導(dǎo)致龍門出現(xiàn)扭曲，由于扭曲產(chǎn)生的誤差大多在0.01～0.2 mm 之間的范圍，因此可以看成一個(gè)小的微分量。設(shè)導(dǎo)軌上嚙合的齒輪嚙合半徑為R，在齒輪輪齒嚙合點(diǎn)上電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力為F0，有

由F0-F=Ff，可得

通過公式可以看出，微小的范圍內(nèi)，扭曲值和電流的大小成正比。因此在電流異常時(shí)，可以在幾何狀態(tài)的正常范圍內(nèi)，通過對(duì)幾何狀態(tài)進(jìn)行微小的偏移，實(shí)現(xiàn)幾何狀態(tài)和電流狀態(tài)同時(shí)滿足要求。在實(shí)踐中不需要使用上述公式對(duì)該對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，可以通過直接修改定位精度后，從數(shù)控系統(tǒng)中得到對(duì)應(yīng)的距離和電流或功率的關(guān)系。

5 扭曲補(bǔ)償方法及實(shí)例

通過上述分析，可以得到扭曲時(shí)的通過定位精度調(diào)整機(jī)床狀態(tài)方法。圖3 為其流程圖。

圖3 補(bǔ)償方法的流程圖

由上述流程圖可知，調(diào)整一臺(tái)狀態(tài)不明的機(jī)床，首先檢查機(jī)床機(jī)械狀態(tài)，確定機(jī)床存在可以調(diào)整的輕微磨損;然后將機(jī)床龍門軸的激光補(bǔ)償取消，按照一般檢查龍門機(jī)床的定位精度方法得出精度補(bǔ)償數(shù)據(jù)并進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后用西門子的相關(guān)servo trace 工具檢查龍門軸在各靜止位置或者在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)區(qū)域內(nèi)的功率波動(dòng)，確定問題區(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)分析定位精度補(bǔ)償數(shù)據(jù)，確定需要調(diào)整數(shù)據(jù)的具體大小。一般情況下，對(duì)主動(dòng)軸的數(shù)據(jù)不進(jìn)行調(diào)整，而是以主動(dòng)軸為基準(zhǔn)軸，對(duì)從動(dòng)軸的補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，然后處理波動(dòng)較大的突變數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果直接在突變點(diǎn)處進(jìn)行調(diào)整，可能導(dǎo)致機(jī)床在此處的定位精度出現(xiàn)突變，容易產(chǎn)生工件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。最后需要復(fù)查定位精度、垂直度和運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率或電流狀態(tài)，均滿足要求時(shí)調(diào)整完畢。在上述實(shí)例中，以450 mm 為激光間距，得到問題區(qū)域12 個(gè)點(diǎn)，機(jī)床激光補(bǔ)償如圖4。

如圖4 所示，對(duì)上述值按照橫梁所受內(nèi)應(yīng)力相反的方向進(jìn)行調(diào)整，由于在點(diǎn)10 處調(diào)整可能較大，因此通過臨近點(diǎn)將其進(jìn)行一定圓滑處理后的調(diào)整值如圖5。

由圖5 可知調(diào)整后定位精度在4 500 mm 行程內(nèi)最大變化為0.1 mm，垂直度(龍門軸間距為5 m)最大影響0.01 mm/500 mm 左右;在該區(qū)域?qū)嶋H檢查最大XY垂直度為0.03 mm/500 mm。因此調(diào)整后精度滿足機(jī)床加工要求，圖6 為調(diào)整后機(jī)床勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率波動(dòng)。

圖4 激光補(bǔ)償后問題區(qū)域的精度補(bǔ)償值

圖5 調(diào)整后問題區(qū)域的精度補(bǔ)償值

圖6 調(diào)整后機(jī)床龍門軸功率狀態(tài)

通過上述結(jié)論并經(jīng)實(shí)際加工工件后檢驗(yàn)可知，調(diào)整后精度和運(yùn)行狀態(tài)滿足機(jī)床加工要求。

6 結(jié)語

本文主要提出了對(duì)一些龍門機(jī)械上存在輕微磨損時(shí)，保證機(jī)床能進(jìn)行一定加工的方法。該方法僅是在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，避開風(fēng)險(xiǎn)較大的機(jī)械調(diào)整，有效延長(zhǎng)了機(jī)床的使用壽命。它不僅可以用于機(jī)床螺距補(bǔ)償，也可以用于饒度補(bǔ)償，甚至在FANUC 等系統(tǒng)中也可以考慮使用該方法。但這種方法實(shí)際上是通過犧牲一部分定位精度和垂直度來保證機(jī)床的加工，因此這種方法本身存在一定的工件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，加工一些精度要求較高的工件時(shí)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮，盡可能地避免在存在這種狀態(tài)的機(jī)床上加工。這種方法僅是在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，沒有對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)的改善，因此經(jīng)過一段時(shí)間的使用，磨損加劇后不可避免的仍然要考慮更換機(jī)械元件。同時(shí)，該方法只能針對(duì)一部分磨損較為均勻的區(qū)域進(jìn)行處理，而對(duì)一些突變點(diǎn)，比如由于缺齒、斷齒或崩齒時(shí)出現(xiàn)的問題，這種方法無法處理。而且這種方法依賴激光補(bǔ)償技術(shù)，因此在激光補(bǔ)償點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)的異常狀態(tài)也很難進(jìn)行有效的處理。由于個(gè)人水平有限，本文未能說明一些復(fù)雜同步(如龍門同步和主從同步嵌套)、半閉環(huán)的多種激光補(bǔ)償?shù)那闆r下怎樣使用該方法。希望本文的方法能對(duì)用戶使用機(jī)床及延長(zhǎng)機(jī)床壽命有一定的幫助。

［1］SIEMENS 公司.Description of functions special functions［Z］.

［2］SIEMENS 公司.Functions manual extended functions［Z］.

［3］SIEMENS 公司.Description of function synchronized actions 840D sl/840D/840Di/810D［Z］.2006.