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        某數(shù)控車(chē)床Z 軸加工精度超差故障排除

        2015-04-27 02:46:40田軍余剛
        機(jī)床與液壓 2015年16期
        關(guān)鍵詞:工作臺(tái)絲杠螺母

        田軍,余剛

        (中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所,四川綿陽(yáng)621900)

        現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的各直線軸多采用滾珠絲杠副傳動(dòng),其傳動(dòng)精度直接影響到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和加工質(zhì)量,發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)定位精度下降、反向間隙過(guò)大、機(jī)械爬行、噪聲過(guò)大、剛性不足等故障現(xiàn)象。

        1 故障現(xiàn)象

        某單位某數(shù)控車(chē)床加工的零件尺寸(Z 軸方向)與程序編制的尺寸出現(xiàn)不規(guī)則的偏差。

        2 結(jié)構(gòu)與原理

        該車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)中Z 軸滾珠絲杠采用一端固定、一端支撐的方式,結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該軸采用的是半閉環(huán)控制方式,伺服電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

        圖1 Z 軸絲杠安裝方式

        3 故障診斷

        通過(guò)激光干涉儀對(duì)Z 軸精度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

        分析檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn): 該軸反向間隙、定位精度、重復(fù)定位精度都嚴(yán)重超差,↑方向的誤差大于↓方向的誤差。機(jī)床↑方向運(yùn)動(dòng)時(shí),誤差值波動(dòng)較大。

        圖2 Z 軸精度檢測(cè)曲線(修復(fù)前)

        分析表1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn): Z 軸運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向竄動(dòng)為60 μm,普通機(jī)床在裝配過(guò)程中軸向竄動(dòng)要求小于8 μm,徑向跳動(dòng)小于12 μm,所以絲杠支撐軸承存在間隙。

        表1 絲杠傳動(dòng)精度

        4 故障分析

        該現(xiàn)象表明機(jī)床反向間隙大、定位精度差,絲杠支撐軸承存在間隙。所以故障可能為滾珠絲杠螺母副及其支撐系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的磨損間隙造成。根據(jù)磨損具體產(chǎn)生的位置,可能原因?yàn)橐韵聨c(diǎn):

        (1) 滾珠絲杠支撐軸承磨損;

        (2) 軸承產(chǎn)生間隙;

        (3) 滾珠絲杠單螺母副磨損產(chǎn)生間隙;

        (4) 螺母法蘭盤(pán)與工作臺(tái)之間沒(méi)有固定牢,產(chǎn)生間隙。

        5 故障排除

        經(jīng)過(guò)對(duì)故障點(diǎn)的排查,發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)鎖緊螺母松動(dòng),Z 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3,由于軸承的預(yù)緊力過(guò)小,軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生游動(dòng)間隙,使絲杠在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸向竄動(dòng)過(guò)大,影響機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度、反向間隙。軸承預(yù)緊的目的是提高軸承支承的剛度,提高軸的旋轉(zhuǎn)精度,降低軸的振動(dòng)和噪聲。

        圖3 Z 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

        5.1 軸承預(yù)緊力

        如果軸承預(yù)緊力過(guò)大,則軸承中的滾動(dòng)體彈性變形過(guò)大,會(huì)使軸承傳動(dòng)的摩擦轉(zhuǎn)矩增加、發(fā)熱量大,減小軸承的使用壽命,所以,軸承的預(yù)緊力并非越大越好。機(jī)床在正常工作時(shí),絲杠所受的軸向力常小于最大軸向載荷Fmax,因此軸承的預(yù)緊力Fpr一般可取為(0.33 ~0.35) Fmax。

        通常,預(yù)緊力的大小按最大軸向載荷的1/3 計(jì)算,但也要根據(jù)以下3 種情況區(qū)別對(duì)待:

        (1) 當(dāng)滾珠絲杠副承受最大軸向載荷Fmax的機(jī)會(huì)少,并且允許略有軸向間隙時(shí),預(yù)緊力按最大軸向載荷的1/3 計(jì)算,即Fpr<Fmax/3;

        (2) 當(dāng)主機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的軸向剛度要求較高,并且最大軸向載荷Fmax出現(xiàn)的頻率也高,或者有沖擊載荷,預(yù)緊力Fpr>Fmax/3;

        (3) 當(dāng)最大軸向載荷Fmax難于或無(wú)法計(jì)算時(shí),可近似取軸向額定動(dòng)載荷Ca的1/20 ~1/10,即Fpr=(1/20 ~1/10) Ca。

        5.2 絲杠的安裝與檢測(cè)

        5.2.1 固定側(cè)支撐單元的安裝

        軸承的預(yù)緊力Fpr= Fpr(0.33-0.35) Fmax,使用扭力扳手預(yù)緊。如果不使用定扭力扳手可能會(huì)損傷螺紋部分,導(dǎo)致無(wú)法取下鎖緊螺母。

        為防止螺紋松弛,使用螺紋膠后擰緊內(nèi)六角螺栓,不能弄翻油密封墊片的凸緣。

        5.2.2 絲杠螺母副的安裝及軸承底座的安裝

        以固定側(cè)支撐單元為基準(zhǔn)時(shí),將螺母外徑與工作臺(tái)螺母支座內(nèi)徑調(diào)整至保持一定間隙的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

        圖4 絲杠螺母副的安裝

        (1) 將絲杠螺母副插入螺母支座后臨時(shí)鎖緊(螺母副處在絲杠軸的中間位置) ;

        (2) 將固定側(cè)和支撐側(cè)的支撐單元臨時(shí)固定到基座上;

        (3) 移動(dòng)工作臺(tái)至固定側(cè)支撐單元后,將支撐單元擰緊固定到基座上;

        (4) 固定好后,將工作臺(tái)移動(dòng)至靠近固定側(cè)的行程盡頭附近,并將工作臺(tái)和螺母支座相互固定;

        (5) 固定好螺母副和螺母支座;

        (6) 將第4 步中固定的螺栓松開(kāi),再次將工作臺(tái)和螺母支座相互固定。推動(dòng)工作臺(tái)至固定支撐單元處調(diào)整其中心位置,使工作臺(tái)能順暢移動(dòng),對(duì)于精密工作臺(tái)還需要將絲杠軸調(diào)整到與LM 導(dǎo)軌平行的位置;

        (7) 固定好后,確認(rèn)工作臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài),將工作臺(tái)移動(dòng)至支撐側(cè);

        (8) 移動(dòng)工作臺(tái)至支撐側(cè)支撐單元后,擰緊支撐單元的固定螺栓;

        (9) 固定好后,將工作臺(tái)移動(dòng)至靠近支撐側(cè)的行程盡頭附近,并再次將工作臺(tái)和螺母支座松開(kāi)后相互固定;

        (10) 將工作臺(tái)移動(dòng)到固定側(cè),左右移動(dòng),確認(rèn)運(yùn)行狀態(tài)。往返移動(dòng)多次將工作臺(tái)調(diào)整到在全行程內(nèi)都能順暢運(yùn)行的狀態(tài);

        (11) 如果運(yùn)行中發(fā)生異響、阻塞的現(xiàn)象,請(qǐng)重復(fù)第(3) ~ (6) 步。

        5.2.3 精度檢測(cè)和螺栓擰緊

        使用千分表確認(rèn)絲杠軸端外徑部分的跳動(dòng)、軸向竄動(dòng),測(cè)量值如表2 所示,絲杠的安裝精度符合裝配要求,并依次完全擰緊螺母、螺母支座、固定側(cè)支撐單元、支撐座固定單元各處的螺栓。

        表2 絲杠傳動(dòng)精度

        5.2.4 連接電機(jī)

        (1) 將電機(jī)支座安裝在基座上;

        (2) 用聯(lián)軸器連接電機(jī)和滾珠絲杠;

        (3) 充分地試運(yùn)行。

        需注意: 電機(jī)支座、聯(lián)軸器的安裝精度影響工作臺(tái)的行走定位精度。

        5.2.5 定位精度與重復(fù)定位的檢測(cè)

        Z 軸維修后,通過(guò)激光干涉儀檢測(cè)Z 軸精度,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

        圖5 Z 軸精度檢測(cè)曲線圖(修復(fù)后)

        可以看出: Z 軸維修后,定位精度、重復(fù)定位精度、反向間隙測(cè)量值都符合機(jī)床的使用標(biāo)準(zhǔn),機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行。

        6 總結(jié)

        對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度的檢測(cè),通常都是在機(jī)床空載狀態(tài)下進(jìn)行。為確保機(jī)床在工作過(guò)程中具有良好的定位精度,在出廠前裝配數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)時(shí),必須嚴(yán)格執(zhí)行軸承的預(yù)緊,當(dāng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)維修后,為恢復(fù)和保持機(jī)床的原始精度,也要重新對(duì)支承軸承預(yù)緊,預(yù)緊力的大小根據(jù)機(jī)床的最大載荷確定。

        [1]陳洋,桂柯,孫亮,等.?dāng)?shù)控鏜銑機(jī)床進(jìn)給軸精度調(diào)整測(cè)量與補(bǔ)償方法[J].機(jī)床自動(dòng)化,2013(13) :50-51.

        [2]王勝,何強(qiáng),衛(wèi)江,等.基于雙頻激光干涉儀的重要數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量[J].機(jī)械制造,2013(1) :83-84.

        [3]仇健,張凱,李鑫,等.國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床定位精度對(duì)比分析研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013(8) :1-2,7.

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