數控機床加工中尺寸不穩定故障的診斷與處理

馮云龍

（西安導航技術研究所，西安 710068）

數控機床作為一種高效的機電一體化設備，自動化系數較高，涉及機床、電動機、計算機、檢測以及拖動控制等眾多技術。其中，機械傳動、電氣控制和系統參數設定不夠合理時，容易導致數控機床在后續使用過程中出現加工尺寸不穩定的故障。此類故障的維修工作難度系數比較大，若采取的處理措施不夠規范和及時，會極大地影響數控機床的精度。

1 數控機床機械傳動方面的影響與處理

數控機床中的機械傳動裝置是非常重要的組成部分，主要包括伺服電機、絲杠、螺母及設備主軸承等。當其運行不暢時，會直接影響加工尺寸穩定系數。因此，應重點分析該裝置對于加工尺寸不穩定性故障的影響，采取有針對性的處理措施，保證設備加工精度。

1.1 伺服電機與絲杠之間連接松動

一般來說，伺服電機與絲杠端頭之間的連接是由聯軸節內部帶有的脹緊套與鍵塊實現的，在進行軸運動時，若連接不夠緊密，則伺服電機與絲杠無法保持同步狀態，容易出現位置偏差[1]。針對此故障問題的維修與處理，應在開展故障檢查工作時，提前在聯軸節上做出明顯標記，為后續位置移動判斷與對比提供有力依據。當伺服電機和絲杠快速移動時，受到慣性的影響，聯軸節兩側的標記會有所移動，這證明二者存在連接松動問題。為解決此問題，不僅要擰緊聯軸節螺釘，還要將其打開，檢查內部的磨損狀況，查看脹緊套是否能夠保持穩定的脹緊狀態，軸運動是否存在較大振動。全方位檢查與排除上述問題后，才可以完全解決故障。

1.2 絲杠與螺母副間隙過大或磨損

滾珠絲杠與螺母副之間存在較大間隙，有可能是磨損或松動引起的，此種故障主要表現在數控機床加工零件時，伺服軸會出現異響。要消除絲杠與螺母副之間的間隙，可通過對雙螺母進行螺紋式與墊片式調整以及應用齒差式消隙等手段。若滾珠絲杠螺母副的預緊力不同，所應用的調整方法也會存在一定差異。對于內循環的單螺母，一旦其因遭受磨損而導致間隙出現，后續便難以再預緊。而內循環雙螺母的預緊力調節，則可以根據數控機床的加工需求隨時調整。

1.3 絲杠固定軸承磨損或調整不當

滾珠絲杠和螺母、導軌、滑塊發生異常潤滑問題時，都可能進一步增強伺服軸在運行過程中的阻力。絲杠的固定軸承是否保持在良好狀態下，其判斷標準為軸承是否在合理范圍內做無規律運動?？上仍诮z杠的端頭位置放置滾珠，再在其上方放定千分表，然后轉動絲杠。借助千分表檢測竄動間隙，若間隙過大，則要對軸承進行全面細致的檢查，妥善更換運行不夠良好的軸承。當確定絲杠軸承無問題后，應將處理重點放在預緊螺母的調整層面。先松開絲杠最上方的鎖緊螺母，再預緊圓螺母，然后鎖緊固定螺母，由此可以排除不良故障問題。此外，還應分別觀察數控機床機械傳動裝置處于動態和靜態狀態時，絲杠與導軌間的潤滑狀況，若無油膜形成，則應特別關注潤滑油路，檢測其是否存在斷裂與堵塞情況。若該裝置選用鋰基潤滑脂，則應半年更換一次，這是因為一旦潤滑不夠順暢，設備運行狀態下的阻力就會大幅上升，容易出現不穩定故障[2]。

1.4 軸承間隙或主軸其他輔助裝置故障

數控機床機械傳動中的主軸驅動裝置，通常選用串行數字控制。數控機床進行加工作業時，主軸是否保持在合理的精度范圍內，是決定零部件加工質量是否過關的核心要素。當加工零部件存在精度偏差問題時，應第一時間檢測主軸的軸向跳動情況與旋轉擺動情況。檢測過程中，在長度為0.3 m 的主軸檢驗棒兩端利用千分表檢測主軸的擺差問題。當底端誤差小于0.01 mm、上端誤差小于0.03 mm 時，表明未出現精度超差，一旦高于此標準值要求，就需要考量主軸軸承的磨損狀況。同時，主軸內包含的輔助設備的故障檢測也不容忽視。一方面，應檢查控制刀具鎖定和松開的設備是否出現松動狀況。另一方面，當主軸的夾具在部件加工過程中與刀具連接不緊密時，可能導致部件加工中的質量錯誤，因此應特別注意主軸潤滑和冷卻裝置的運行狀態。

2 數控機床電氣控制方面的影響與處理

2.1 伺服電機編碼故障

如果數控機床的電氣控制裝置存在故障問題且處理不夠及時，就可能發生加工中尺寸不穩定故障。當編碼器處于連續旋轉狀態時，會對外發出穩定電壓，若編碼器電源電壓沒有長時間保持在穩定狀態下，會使得輸出信號有所偏差，對信號反饋質量造成不良影響，進而干擾加工穩定性[3]。為了妥善處理此類故障問題，應重點監測輸出電壓。電壓測量工作借助多用表完成，當測定電壓低于標準值的5%時，要檢查編碼器的電源線和插頭針是否存在斷線和松動情況。由于編碼器對外發射的信號帶有一定的特殊性質，尤其是15 V 方波信號，為了獲得準確的檢測數值，應優先考慮使用示波器，以便更加精準地判斷編碼器的運行狀態。

完成所有檢測流程后，若顯示編碼器處于正常狀態，則說明電氣控制故障并非編碼器引起，應更換電源控制電路板。在使用數控機床時，若編碼器呈密封老化狀態，受限于惡劣的加工環境，會導致不良物質進入光柵，進而造成信號失真，丟失相關加工數據。由于編碼器中碼盤為玻璃材質，且上方帶有的金屬條能夠起到刻線作用，處理此種故障時，最為高效的方法便是直接更換新的編碼器。

2.2 光柵尺故障

數控機床電氣控制選用全閉環控制系統，光柵尺為基礎裝置，具有位置反饋的功能。此裝置出現故障的根本原因是在對光柵尺內部吹氣過程中，沒有特別把控壓縮空氣的質量，空氣中混入灰塵與油污等物質，使得柵格受損，應立即清洗或更換。清洗液體應選擇無水乙醇，與綢布配合使用。光柵尺故障位于讀取頭時，會影響其檢測性能，因此需要及時更換。如果光柵尺已經處于損壞狀態，但是數控機床無法停止，此時可以修改相關參數，暫時屏蔽光柵尺。需要注意的是，光柵尺處于屏蔽狀態時，相關軸的參考范圍會發生變化，尤其當數控機床需要自動換刀時，應再次調整相關參數。由于光柵尺故障會大大降低數控機床的精度，難以滿足零件加工的具體工藝要求，應特別重視此類問題。

2.3 驅動器故障

伺服驅動器肩負著控制伺服電機的任務，屬于控制器范疇，功能類似于變頻器，通過速度、位置、力矩3 種方式控制伺服馬達，進而提高傳動系統的定位精度。當其出現故障時，會影響數控機床的電氣控制效果，導致不穩定現象出現。若伺服驅動器顯示燈亮電機卻不運轉，則可能的故障原因是多方向電機被下達禁止動作指令，應檢查端口的連接狀況。若伺服驅動器電機陷入失速狀態，可能是由于沒有正確區分速度反饋極性，此時應調整開關位置并使用測速機[4]。

3 數控機床系統參數設定及優化方面的影響與處理

數控機床的系統參數設定不夠合理，也會對加工精度產生不良干擾，需對應優化系統參數，優化工作主要集中在反向間隙補償參數、給進絲杠螺距補充參數以及伺服電機相關控制參數方面。

3.1 間隙補償參數

觀察數控機床的進給傳動鏈運行狀況得知，滾珠絲杠螺母副與齒輪傳動普遍存在反向間隙問題，會導致數控機床在進行反向運動時出現空轉狀態，使得半閉環系統出現一定偏差，全閉環系統難以保持穩定，從而頻頻出現振蕩問題。反向間隙補償參數的設置可以考慮采用預緊和調整的方法，以減小間隙。由于數控機床的機械傳動結構表現出較高的傳動效率，通常不會出現顯著的機械結構間隙。但是，如果傳動部件存在彈性變形問題，導致誤差發生，那么僅依靠機械調節無法獲得良好的補償效果。剩余誤差可以通過設備的半閉環系統直接測量，得到準確值后作為補充參數輸入數控系統。當坐標軸接收到反向命令時，數控機床的自動化系統可以盡快啟動間隙補償程序，并將獲得的補償值添加到插值程序的高精度計算位置增量命令中。也就是說，為了補償由間隙引起的失準問題，通過控制與間隙值相等的電機行程，能夠有效實現間隙誤差補償。需要注意，對于具有全閉環數控系統的數控機床，不能采用這種參數設置方法，可選擇機械傳動方式來消除間隙，并利用脈沖補償功能設置工作臺反向運動時施加給伺服系統的脈沖電壓參數，完成間隙誤差的補償任務。

3.2 給進絲桿的螺距補償參數

設定與優化數控機床系統參數中的給進絲杠螺距補償參數，應首先明確螺距誤差產生的原因，此誤差屬于常值系統性定位誤差。若數控機床的參數系統為半閉環系統，則定位誤差容易被滾珠絲杠精度干擾，盡管該裝置已經具有很高的精度系數，但是仍然無法完全避免制造誤差。要想提高裝置的運動精度，就要最大限度利用給進絲杠的螺距誤差補償功能，高質量完成誤差補償與修正任務。當數控機床運行一段時間后，不可避免會出現磨損狀況，直接影響其使用精度，導致加工中發生尺寸不穩定故障?？茖W設定螺距補償參數有助于提高精度，維持穩定性，促使數控機床的使用年限延長。螺距補償參數設定與優化依據的原理是比較數控機床某一軸發出的指令位置與高精度測量系統反饋的實際位置，準確計算數控機床在整個零件加工過程中的誤差分布曲線。將誤差值輸入數控系統，然后在軸控制運動過程中自動關聯到誤差值進行補償。在設置參數時，應特別注意提前建立機床坐標系，否則對螺距誤差的補償將毫無意義[5]。

3.3 伺服電機相關控制參數

伺服電機控制參數是為快速移動位置環而設置的增益參數。一般來說，該數值設定越大，數控機床表現出的響應速度越快。但是，考慮到數控機床種類繁雜，并不都是參數設定的大，就能夠發揮出優良作用，在設定此參數時還應特別重視數控機床加工時可能出現的振動情況。優化伺服電機相關控制參數，應先呈現全面的伺服調整畫面，以數控機床伺服電機的性能表現為基本導向來設定參數，再通過計算機輔助軟件完成優化處理，促使數控機床在較短時間內恢復至最優良的狀態。優化改進電流環路的響應性能，需要借助速度和位置環路的增益調整來實現，進一步強化伺服剛性，促使機床在加工過程中最大限度規避外形誤差問題。對于故障位置的定位與鎖定無須耗費過多時間，以簡化伺服調整流程。

4 結語

造成數控機床加工尺寸不穩定故障的原因較多，在開展故障診斷工作時應圍繞機械傳動中的伺服電機、滾珠絲杠間隙、固定軸承，電氣控制中的伺服電機編碼、光柵尺寸位置檢測裝置、伺服驅動器，以及系統參數中的反向間隙、給進絲桿螺距、伺服電機參數等方面，采取相應的處理措施，確保數控機床可以長時間保持穩定良好的運行狀態。