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Fanuc 加工中（zhōng）心滾珠絲杠在線檢（jiǎn）測技術

2019-3-27 來源：上汽通用五菱汽車股份有限（xiàn）公司（sī）作者：蒙旭（xù）喜，楊明（míng），陳（chén）斌

摘要：Fanuc 31i CNC 加工（gōng）中心按照工作台往複（fù）移動加工零件（jiàn）。絲杠作為（wéi）關鍵傳動部件，擁有高精（jīng）度、高傳動效率及耐磨（mó）性。滾珠絲杠失效會產生機床共振、加工尺寸超差、加（jiā）工刀痕、工（gōng）件表麵粗糙度不合格問題。利用 SEVRO GUIDE 檢測絲杆位置（zhì）誤差（chà），並提取 Q-DAS 數據（jù）進（jìn）行狀態識別，可快速判定絲（sī）杠磨損程度，及時進行加工精度（dù）調整或更換。

絲杠在線檢測對（duì）同類型的（de）加工中心普遍適用，計算方法基本一致（zhì）。論文簡述滾珠絲杠（gàng）檢測技術、抑製機床振動、加（jiā）工（gōng）精度（dù）調整、絲杠（gàng）失效模式分析。目的是為（wéi）絲杠的狀態監控及精度調整提供一種方法，以降低（dī）絲杠（gàng）失效帶來的損失和提高加工精度。現場實踐表明方法有（yǒu）效。

關（guān）鍵詞：加工中（zhōng）心；Servo Guide；絲杠檢測；加工精度調整；絲杠失效（xiào）模式

在（zài）發動機製造設備中，加工中心完成 60%的工序，加工中心設備數量占比例 75%. 氣缸體

、氣缸蓋的大（dà）部分加工內容是由加工中心完成。按 4 軸聯動加工中心計算，一個年產 40 萬產能的發動機需 108台 CNC，共用 108 × 3 = 324 根滾（gǔn）珠絲杠。

產品的（de）加（jiā）工質量取決於工作台的定位的精（jīng）度，而（ér）工作台由（yóu）滾珠絲杠（gàng）傳動。滾珠絲（sī）杠失效後，表現為氣缸（gāng）體缸孔刀（dāo）痕、氣缸蓋座圈/導（dǎo）管底孔直徑超（chāo）差等質量問題，易（yì）引發批量質量風險。

傳統處理方式（shì）為，根據經驗手動旋轉絲杆與螺母副的間隙、或跟蹤診斷號 #550-553 半閉環與全閉環誤差補償值大小直接更換絲杠，無法判定滾（gǔn）珠絲杠的（de）磨損狀況及程度，存在誤判及發現質（zhì）量隱患的滯後性。

本文利用 Ser－vo Guide 工具監控調（diào）整絲杠狀態，提取 Q-DAS 數據進行狀態識別，可以隨時跟蹤絲（sī）杠磨（mó）損程度、調整機床加工精度，解決各類機床共振、加工刀（dāo）痕、加工（gōng）超（chāo）差等問題。如圖1 所示。

圖 1 滾珠絲杠失效加工超差

1 、滾珠絲杠位置誤差的產生

機床（chuáng）的每一根軸都是由伺服（fú）係統所驅動的，係統的組成是由（yóu）伺（sì）服軸卡、伺服驅動器、伺（sì）服電機組成。它的主（zhǔ）要作用是由（yóu）伺服係統接（jiē）受 NC 所發出的位置（zhì）指令來驅動電機進行定位控製。加工（gōng）中心 X、Y、Z 軸（zhóu）由滾珠絲杠傳（chuán）動。通（tōng）過伺服同步電機實現驅動（dòng）。加工過程中滾珠絲杠螺（luó）母副往複運動不可避免產生反轉間隙，較大的（de）反轉間隙造成工作台（tái）反向移動時，坐標顯示移動而實際（jì）工作台（tái）未移動，使半閉環係統與全閉環係統位置環誤差超過參數 #2118 的設定值，機床震動不穩定。

滾珠（zhū）絲杠磨（mó）損越大反向間隙遠大，振蕩越不穩定。其稱為位置誤差，位置誤差震（zhèn）蕩越大，機床越不穩定。此（cǐ）時機床常伴隨伺服軸報警。半閉環係統與全閉環係統（tǒng）控製的位置（zhì）誤差增大（dà），常（cháng）表現為如下報警代碼：410 代碼：某軸停止中的位置（zhì）偏差量超（chāo）過了參數#1829 設定的值，可能該軸（zhóu）的反饋電（diàn）纜損壞，編（biān）碼器故障或（huò）放大器控製板損壞。

411 代（dài）碼：某（mǒu）軸移動（dòng）中的位置偏差量超過（guò）了參數#1828 設定的值，可能該軸的反（fǎn）饋電纜損壞，編（biān）碼器故障或放大器控（kòng）製板損壞。421 代碼：采用雙位置反饋功能時，半（bàn）閉（bì）環的反饋誤差與全閉環的反饋誤差之差值超（chāo）過了參數 2118設定的（de）值，可能（néng）該軸的光柵尺或電（diàn）機編碼器反饋電纜損壞，光柵尺或編碼器故障或放大器控製板損壞。

鎖定問（wèn）題方法 1：放（fàng）大 2118 參數報警（jǐng）值，空運行（háng）/手動移軸查看診斷號 550（全閉（bì）環）、551（半閉（bì）環（huán））數值變化。方法 2：屏蔽（bì）光柵尺（chǐ）循環。此時可快速是否為滾珠絲杠位置誤（wù）差產生震（zhèn）蕩。機床伺服驅動控製通訊方（fāng）式（shì）如圖 2 所示。

圖 2 機床伺服驅動通訊方式如圖

2 、位（wèi）置誤差檢測（cè）方法—Servo Guide

ERRC 表示驅動裝置的誤差值，因 ERRC=進給速度/位置增益（yì），故（gù）當進給（gěi）一定時，ERRC 理論上一定。由於絲杠、螺母副、軸承磨（mó）損，導致驅動裝置構件間約束發生（shēng）變化，係統定位時，為（wéi）達（dá）到準確定位，必須不斷進行（háng）調（diào）整，從而體現為機床某軸驅動裝置振動。機床位置（zhì）增益設定值（zhí）越高，相同進（jìn）給速度下，ERRC 值越小，但同時要求機（jī）床驅動（dòng）裝置剛度和約束越高（gāo）。

當機床驅動裝置剛度和約（yuē）束無法與機床位置增益匹配時，振動發生。ERRC 曲線可作為表征（zhēng）絲杠狀態的一個指標。ERRC 監控方法如（rú）圖 3 所示。

圖 3 圖形設置

通過對同一（yī）台（tái）機床在同一（yī）進給不同（tóng） 1825（位置增益）值下的（de）監（jiān）控，可發現位置增益越（yuè）小機床 ERRC越大，但由於同時降低機床定位的敏感度，機床振動降低，ERRC 曲線的振幅（fú）降低。因此，可通過對驅（qū）動裝置的 ERRC 曲線（xiàn）進行定期收集，建（jiàn）立數據庫，通（tōng）過大量數據的分析，對不（bú）同工位的驅動裝置狀態進行（háng）評估，以製定有（yǒu）效（xiào）的預測性維修。如圖 4 所示的正常絲杠 ERRC，通過檢測對比T0001 刀具在加工時的 Z 軸位置偏差（ERRC）曲線，97 000~100 000 ms、101 000~105 500 ms 無震（zhèn）蕩，誤差（chà）值波動範圍將近 2~3 μm（正常範圍（wéi） 25 μm 以下）。該機床 Z 軸絲杠正常（cháng）。

圖 4 正（zhèng）常絲杠 ERRC

如圖 5 所示的故障（zhàng）絲杠 ERRC，檢測對比 T0001刀具在加工時的 Z 軸位置偏差（ERRC）曲線，75 550~ 79 500 ms、80 000~84 500 ms 震蕩，誤差值波動範圍將（jiāng）近 56 ~ 57 μm. 該機床

Z 軸絲杠異（yì）常。判定絲杠、螺母副、軸承磨損。此時機床可能會（huì）產生共振、加（jiā）工刀痕、加（jiā）工超差等問（wèn）題。

圖 5 故障絲杠 ERRC

3、誤差計算（suàn）及加工精度調整

FANUC SEVRO GUIDE 首先測量位置誤差大小，再通（tōng）過對係統內部參數進行調整（zhěng）重置：一是抑製設（shè）備異常震動（#1825/#1828/#2118/2021 位置環、速度環增益進行調整），通過在線測量機床響應（yīng）頻率來手（shǒu）動調整；二是調整（zhěng）機床（chuáng）加工精度（係統功能的（de）調整），通過觀察畸形零件來調整。

抑製機床震動是基礎，調整加工精度是進一步發揮機床性能，可以實現伺服軸（zhóu）絲杠測量、自動調整功能及調整引導功（gōng）能。

3.1 滾珠絲杠位置誤差計算

滾珠絲杠傳動中位（wèi）置誤差的計算及相關參數調整。No2021：負載慣量，其值決定速度增益。速度增益=[No2021+256/256] ×100No1825：位置環增益（yì），單位 0.01/S 誤差量（P）= [進給速度/60×位置增（zēng）益] ×1/檢測單位No1826：快（kuài）速指令的到（dào）位寬度。No1827：切削指令（lìng）的到位寬度。到位：定位結束。係統根據（jù）移動指令和反饋指令的差值的（de）多少，來確定是（shì）否定位結束。位（wèi）置偏差值（zhí）存放在誤（wù）差寄存器中，其值可以通過診斷 DGN300 讀出。

No1828：移動中的誤差極限值，當誤差寄存器數值超過其值，ALM411 報警。No1829：靜止時的誤差極限值，當誤差寄存器數值超過其（qí）值，ALM410 報警。

3.2 Servo Guide 調整（zhěng）原則

（1）提高位置增益，可以改善係統的定（dìng）位及加工精度，調整量以不使係統產生振動與過衝為前提（tí），同（tóng）時所有（yǒu）的差補軸的（de）增益需保持（chí）一致。

（2）提高速（sù）度增益，可以改善電機的速度響應，提高加速能力，但過高的速度增益（yì）會使機床產生振動。

（3）當振動出現時，可以在降（jiàng）低速度及位置增益之前使用（yòng）轉矩（jǔ）指令濾波器進行調整，如因機（jī）床的機械（xiè）剛性等原因不能產生效果後，可降（jiàng）低（dī）速度及位置（zhì）增益。

轉矩（jǔ）指令濾波器：將輸出（chū）的轉矩指令中（zhōng）包含的高於設（shè）定頻率的共振頻率對應的（de）轉（zhuǎn）距指（zhǐ）令濾掉，以降低振動。

3.3 加工精度調整（zhěng）方法（ERRC）

調整機床加工精度方法應（yīng）該從兩方麵著手：控（kòng）製係統（tǒng）方麵和驅動方麵。係統方麵使用 AIAPC 或AICC. 驅動（dòng）方麵主要通過調整伺服位置環增益（PRM1825速度環增益（PRM 2021）參數來實現，使之（zhī）越寬越好。

3.3.1 控製（zhì）係統調整方法

首先設定控製（zhì）係統和驅（qū）動方麵的參（cān）數。這些參數對於提高機床性能（néng）非常重要，建議按照以下的說明（míng）進行（háng）設定。以係統是 0i-B/C 為例設定 AICC 以下參（cān）數。

No1620=100———各軸快速進給直線型加減速時間常數 T1；No1621=8———各軸快速（sù）進（jìn）給鈴型加減速時間常數 T2：

No1732 =100———基於圓弧半徑進給速度（dù）下限（xiàn）值；No1768=16———AIAPC 模式下插補後加減速時間常數；

No1770=10000———AIAPC 模式下插（chā）補前（qián）加減速最大進給速度；

No1771=200———AIAPC 模式下插補前直線型加減速到達最大進給速（sù）度的時間；

No1772=48———AIAPC 模式下插補前鍾型加減速時間常數；

No 1602#6#3 =1，0———先行控製下插補後加減速為直線型（當（dāng）使用插補（bǔ）前鍾型加減速時設定）

3.3.2 驅（qū）動方麵調整（zhěng）方法

手動設定降低位置增益（yì）參數 1825，同時（shí）增大移動過（guò）程誤（wù）差值參數 1828，可以改善絲杠定位產生振動，對帶有圓弧插補（bǔ）、曲線、倒角等加工差補軸的增益需保持一致。

有參數調整應以不影響加工（gōng）精度、調整量為前（qián）提。手動（dòng）設（shè）定完以上參數之後，係統的（de）性能應（yīng）有一（yī）定的提（tí）高。如果調（diào）整位置環增益還達不到精度要求，隻能其他因素考慮：機床的機械傳動（dòng）部

分，進（jìn）給量、進刀（dāo）方式、刀具、程序（xù）、夾具零部（bù）件（jiàn）、機構鬆動、傳感裝置誤感應、工件（jiàn）本身問題

、速度、冷（lěng）卻方式、傳動（dòng）機（jī）構共振等。

這些因（yīn）素都會對加工質量過程產生影響。以故障（zhàng）機床 ERRC 為例，調整後如下圖 6、圖 7 所示。

圖 6 調整 1 絲杠 ERRC

圖 7 調整 2 絲杠 ERRC

修改參數1 825 = 5 000/4 500 後（hòu），檢測對比T0001 刀具在加工時的 Z 軸位置偏（piān）差（ERRC）曲（qǔ）線無震蕩，誤差值波動範圍將近 0≤25 μm. 該機床 Z 軸移動位置誤差正常、加工正常、抑製機床震動（dòng）。

4 、滾珠絲杠失效（xiào）狀態識別

滾珠（zhū）絲杠由於長期的（de）運行產生（shēng）磨損間隙，將直接影響加（jiā）工中心的傳動精（jīng）度及剛（gāng）性。一般（bān）現象為反向間（jiān）隙大、定位精度不穩（wěn）定、機床產生震動（dòng）、螺母副卡滯、進給爬行等。係統及參數調整已經（jīng）超過調（diào）整量，加工精度不能滿足要（yào）求時基本可以判定該絲杠已失效。

以下圖 Servo Guide 位置偏（piān）差（ERRC）曲線檢測、Q-DAS 數據狀態識別（bié）為例說明（míng）（見圖 8

）