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某數（shù）控機床Z軸異響故障診斷（duàn）及維修

2021-5-6 來源：中國工程物理研究院機械製造工藝研究所作者：餘剛劉進

摘要：隨著數控（kòng）機床在加工領域得到迅速地普及，隨之而來的即使數控機床的故障診斷和維（wéi）修（xiū），數控（kòng）機（jī）床是（shì）集成機械、電氣（qì）、液壓以及氣動控（kòng）製等領域一（yī）個複雜機電產品（pǐn），所麵臨的維修問題更（gèng）加複雜。本（běn）文介紹了某機床Z軸異響故障的（de）故障診斷流程以及（jí）維修（xiū）方法，首先通（tōng）過“望、聞、問、聽”定位故障位（wèi）置，然後通過分析數控加工（gōng）程序、電氣伺服參數以（yǐ）及（jí）機械（xiè）結構排查確定故障原因，最後確定了維修方案和方法。本文提供的機床故障診斷以及維（wéi）修（xiū）方案可（kě）為其他故障（zhàng）維修提供參（cān）考。

關鍵詞：數控機床；滑動導（dǎo）軌；故障維修

1、概（gài）述

隨著科技的發展，數控技術（shù）得到飛速的發展（zhǎn），數（shù）控機床作為（wéi）其他高精設備的加工（gōng）母機，在加工製造行業占有重要的地位。在年限使用久的機床，進給軸的異響振（zhèn）動故障現象有（yǒu）發生，已成為一個常見頻發故障。

某數控龍門加（jiā）工中心是車間（jiān）的重要設備，投入使用年限長。機（jī）床使用（yòng）過程中，該加工（gōng）中心 Z 軸速度不穩定，移（yí）動到端部時存在振動、抖動的現象。機床（chuáng）加工過程中工件表麵出現明顯的刀紋，表麵質量不合格，已（yǐ）經嚴重影響數控設備正常使用。

2、故障定位

2.1　故障現象

該數控機床的加工（gōng）的產品出現（xiàn）明顯（xiǎn）的刀（dāo）紋現象（xiàng），工件表麵粗糙度不合（hé）格（gé）。通過常規（guī）的“望、聞、問、聽”的故障診斷手段，發現該機（jī）床 Z 軸有明（míng）顯的（de）異響和振動現象，同時通過控製進（jìn）給 Z 軸在手動方式下進行移動，移動過程中 Z 軸出現振動異響現象，同時當（dāng） Z 軸在端部移動時振動和異（yì）響更加明顯。

該機床的 Z 軸驅動為交流伺服電（diàn）機驅動滾珠絲杠進行（háng）移動，絲杠軸承（chéng）的支撐方式為“一端固定，一端（duān）

支撐”的方式（shì），固定支撐的軸承采用角接觸軸承，支撐軸承采用深（shēn）溝球軸承，Z 軸的支撐方式為滑動導軌。

2.2　故障定（dìng）位流（liú）程

按照（zhào）維修的思路，提出以下如圖 1 所（suǒ）示的故（gù）障診斷（duàn）流程。數控機床進給軸（zhóu）振動、異響的（de）原因有多種情況，依次按照加工程序問題、電氣伺服參（cān）數、機械結構等流程排出定位機床故（gù）障原因。通過該流程的分析流程，可由易到難、由簡到繁的順序排出故障原（yuán）因。

圖 1　故障診斷流程

在程序方麵，振動故障常發生於（yú）機床加工程序中編寫曲線中小線段（duàn）多，可通過優化修改加工程序，改善進（jìn）給軸振（zhèn）動情況（kuàng）。

伺服參數方麵，進給軸振動的原因有：速度環參數不（bú）匹配（pèi）引起振動；位置環參數不匹配引起振動；檢測元件故障，編碼器和光柵尺故障。通過優化設置相關（guān）參數可以蓋上情況。

機械結構方麵：導軌（guǐ）副（fù）運動阻力大，潤（rùn）滑不（bú）良；絲杠預緊力不足（zú）、彎曲；絲杠軸向有竄動間隙（xì）；絲杠軸承磨（mó）損；壓板與導軌不（bú）平行；電機與傳（chuán）動軸間連接鬆（sōng）動；電機（jī）本身機械方麵故障，軸（zhóu）承磨損等眾多原因將導致機床進給軸振動故障。

3、故障分析及處理

3.1　故障分（fèn）析過程（chéng）

機床進給軸產生振動、異響有很多種可能，依據維修（xiū）經驗以（yǐ）及故障（zhàng）排（pái）查流程，定位故（gù）障的根源。通過

對操作（zuò）者的詢問和現場觀察實驗（yàn），機床 Z 軸振動明顯。通過檢查加工程序、加工工件材料、加工進給量等方麵，排查了加工程序（xù）沒有問題。接著排查電氣控製伺服參數匹配（pèi），光柵（shān）尺檢測元件的末端是否（fǒu）損壞，最後從機械方麵排查鑲條和導軌側麵接觸麵是否符合要求，壓板和導軌正麵接觸是否符合要求。

3.2　伺服參數排查

伺服參數（shù）優化方麵，按照自（zì）動優化過程（chéng）進行優化：JOG、MENU、調試、優化測試、自動優化、所選軸、優（yōu）化、確認、啟（qǐ）動測（cè）量、循環啟動、高頻、低頻、DNS。

優化完成後，在手動和自動狀（zhuàng）態下分別進行 Z 軸移動，在不同的（de）速度下進行移動，振動、異響未消除。於是參數進行手動修改。每修改一（yī）個或者多個參數，在手動和自動狀態下分別進行 Z 軸移動，在不同的速度下進行移動，振動、異（yì）響未消除。通過自動和手動（dòng）伺服（fú）參數匹配優化（huà）和修改，該故（gù）障現象（xiàng）未發（fā）生改善，排除電氣參數（shù）不匹配的原因。

另一方麵，將全閉環改（gǎi）為（wéi）半閉（bì）環進行電氣參數的排除，進（jìn）入調整頁麵，屏蔽 Z 軸。進行機床運行，發

現（xiàn）機床振動（dòng）和異響存在，同（tóng）時排除了電氣故障。

3.3　機械方麵排查

通過電氣控製參數的優化以及排查，故障定位導向（xiàng）於 Z 軸（zhóu）的機械結構，通過觀察和觸碰 Z 軸滾珠絲杠驅動和滑動（dòng）導軌支撐，判斷為（wéi） Z 軸滑動導軌振動（dòng）明顯，確（què）定為振（zhèn）動源。

滑動導軌鑲條排查，將鑲條鬆開，在手動和（hé）自動（dòng）狀態下分別進行（háng） Z 軸移動，在不同的速（sù）度下進行移動，振動、異響依舊存在。

如圖 2 所示，滑動導（dǎo）軌壓板檢查，將壓板的（de）螺釘鬆（sōng）開，移動 Z 軸，異響（xiǎng）和（hé）振動現象明顯改善。將壓（yā）板鎖緊，異響故障進（jìn）行了（le）重現，於是判斷故障的原因在壓板與導軌之間（jiān）產生，判斷為滑動導軌之間間隙過小導致壓板與導軌之間摩擦導致異響和振（zhèn）動。初步判斷為 Z 軸（zhóu）導軌壓板長（zhǎng）期使用過程導軌（guǐ）表麵出（chū）現磨（mó）損，中間隙（xì）過小。

圖 2　滑動導軌

4、故障維（wéi）修

通（tōng）過（guò）對導軌和壓板的檢查，壓板本身的平麵度大於 0.02 mm，不能滿足使用要求（qiú）。通過修複壓板的平麵度，注意壓板的高低點的分布、壓板刮研量的大小和區域（yù），刮研（yán）的方法與檢測方法（fǎ）。

4.1　維修過程

4.1.1　確（què）定壓板高低點

確（què）定壓板的接觸麵及（jí）高低點的分布。將壓板接（jiē）觸麵打上紅丹粉，帶上螺釘，輕輕的緊固（gù）。機床的 Z 軸（zhóu）沿一個方向運動，觀察壓板與鑲塊（kuài）的接觸點。通過鑲（xiāng）塊（kuài）的紅（hóng）丹粉的分布確定了（le）壓板的（de）高低點（diǎn）位置（zhì），做上標記。

4.1.2　確定壓板刮研量

將兩邊壓板都裝上，在靠近操作者（zhě）這方的壓板下添加銅皮，添加（jiā）銅皮由 0.01 mm ～ 0.10 mm 進行測（cè）試（shì）。使用測力扳手將壓板每顆螺釘都用 100 Nm（廠家給定值）的力均布鎖緊。通過（guò）移動 Z 軸看是否有（yǒu）異響。如果有異響就（jiù）將銅皮進行更換（huàn），調（diào）整到移動 Z 軸沒有異響即可。最後銅皮的厚度，厚度為 0.04 mm，即可確定刮研量為 0.04 mm。

4.2.3　壓板刮（guā）研步驟

通過確定壓（yā）板的高低點以及刮研量，將壓板進行刮研。如圖3，通（tōng）過檢查確（què）定壓板的高點和壓板的初始（shǐ）尺寸，為刮研後檢測進行對（duì）比。將壓板上（shàng）塗上紅丹粉，將壓板在平台（tái）上來回運動（dòng）在將壓板反麵，進行觀察，並將（jiāng）這個時候的初（chū）始尺寸記錄下來。

圖3　壓板高點（diǎn）及初始（shǐ）尺寸

通過對壓板的檢測後，知道（dào）了壓板（bǎn）的高點和刮研量。於是對高點進行（háng）刮，邊刮邊檢測，最後確定到刮研的量都去掉了並且保證了平（píng）麵度的要求即可。

4.3　維修結果

將（jiāng）壓板裝上，使用扭矩扳手將壓板緊固螺（luó）栓用100 Nm（廠家給（gěi）定值）的力均布鎖緊。

在進行手動、MDI、自動（dòng）三種（zhǒng）方式下分別運行 Z 軸，在每一種方式下使（shǐ）用不同的速（sù）度進行（háng）移動（dòng）。Ｚ軸均沒有出現振動、異響的現象。

Ｚ軸（zhóu）功能運行正常，修複後各個精度檢測均達標。達到出廠精度要求，經反複試車跑合，精度保持良好，現機（jī）床（chuáng）使用良好。

5、結語

Ｚ軸是整（zhěng）個機床的核心移動部位，通過此次的維修有效的解決了Ｚ軸振（zhèn）動、異響的故障，為以後的維修打下良好的基礎。本文介紹了某機床 Z 軸異響故障的故障診（zhěn）斷流程以及維修方法，首先通過常規手段定位故障位置，然後通過分析數控加工程序、電氣伺（sì）服參數以及機械結構排（pái）查確定故障原因，最後確定了維修（xiū）方案和方法。本文提供的機床故障診斷以及維修方案可（kě）為其他故障維修提（tí）供參（cān）考。

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