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搖籃式五（wǔ）坐標加工中心五（wǔ）軸精（jīng）度穩定性差原因分析

2020-11-18 來源：昌河飛機工業（集團）有限責任公（gōng）司作者（zhě）：林超青

【摘要】:1 台搖籃式五坐標加工中心 G996最近兩（liǎng）年頻繁發生五（wǔ）軸精度超差，A、C 軸伺服模塊燒壞，零件加工超差報廢的（de）現象，對（duì）該機床的零件加工帶來很大的潛在質量風險，本文介紹了研究和分析（xī）該機床（chuáng）存在問題的原因和解決（jué）方（fāng）案的過（guò）程。

1、G996機床五軸精度及其他存在的問（wèn）題

G996 機床是一（yī）種搖籃式結構五軸機床，在最（zuì）近兩（liǎng）年的使用過程中經常發生五軸精度超差、零件（jiàn）報廢及 A、C 軸伺服單元燒毀現象，最近兩年已經燒壞伺服單元 4 個，導致 10 多萬元的直（zhí）接損失。RTCP 精度超差（chà）比較嚴重，經常≥ 0.14mm，正常精（jīng）度應該≤ 0.03mm，而且精度調整（zhěng）頻繁，有時 1 周就要調整 1 次。對該機床的零件加工帶來很大的潛在質量風險，因此，急需分析和研（yán）究機床（chuáng）存在問題的原因和解決方（fāng）案。

2、G996五坐標加（jiā）工中（zhōng）心五軸精度不穩定原因分析

機床的（de）五（wǔ）軸精（jīng）度不穩定，變化較大，造成的可能原因較多，比如（rú）機床部件磨損，有間隙 ; 檢測元件有問題 ; 機床部件發熱，造成熱穩定性（xìng）差 ;機床的加工方式不符合機床的結構要求等。下麵就具（jù）體分析造成精度不穩定、伺服單元經常燒壞的可能原因。

（1）機床部件磨損，有間隙。G996 五（wǔ）坐標加工中心是 X、Y、Z 外（wài）加 A、C 軸的搖籃結構，X 、Y 和 Z 是線性導（dǎo）軌，絲杠傳動（dòng），對 X、Y 和Z 進行激光定位檢測發（fā）現，3 個（gè）直線軸的定位精度很好，都≤ 0.01mm，反向間隙（xì）≤ 0.005mm，因此直線（xiàn）軸的部件磨損很小，部件磨損、定（dìng）位（wèi）精度不好，絲杠有（yǒu）反向間（jiān）隙（xì）等導致機床五軸精度不穩定的可能性可以排除。A、C 軸是力矩（jǔ）電動機，這種結構與（yǔ）直線電動機類（lèi）似，部件幾乎沒有磨損，因此（cǐ） A、C 軸部件磨損的可能性也可以排除。

（2）檢測元件（jiàn）有問（wèn）題。機（jī）床的檢測元件光柵尺和編碼器出現問題（tí），如安裝距離不合適，信號處於臨界狀態等也會導致機（jī）床精度不穩定。通過檢測和分析機床的運行日（rì）誌，沒有（yǒu）發現機床有位置檢測元件報警信息，因此，由於機床的檢測元件導致五軸精度不穩定的可能性可以（yǐ）排除。

（3）機（jī）床部件發熱，造成熱穩定性差。如果機（jī）床（chuáng）的部件由於各種原因發（fā）熱，會導致部件膨脹變形，精度嚴重喪失。G996 五坐標加工（gōng）中心的直線軸采用直線導軌、絲杠（gàng）傳動，軸承座采用水冷，消除絲杠滾動帶來的熱（rè）量，而且直線導軌、絲杠傳動（dòng）本身發（fā）熱量較（jiào）小（xiǎo），而且有水冷，所以直線軸熱穩定性導致五（wǔ）軸精度不穩定的可能性可以排除。

G996 的 A、C 軸采（cǎi）用力矩電動機（jī），而力矩電動機發熱量很大，如果（guǒ）冷卻不好，部件溫度不能穩定（dìng），就（jiù）會導致較大的機械變形或熱膨脹，精度無法（fǎ）保持。通過觀（guān）察和測（cè）試，發現機床在加工過程中（zhōng），如果 A 軸的角度（dù）較大，而且持續的時間較長，這時 A 軸電動機溫度會迅速升高，並且不能穩定，A、C 軸工作時間超過 1h，電動機溫度可以達到80℃，而且不能穩定，會一直上升。由於 A、C軸的搖（yáo）籃結構，如果加工過程中 A 軸（zhóu）角度較大，加工時 A、C 軸（zhóu）不鎖緊，A、C 軸的質量會形成一個較大的翻轉力矩（見圖 1），導致 A 軸一直處於工（gōng）作狀態（tài）。檢查 A 軸電動機（jī）電流，發（fā）現電動機一直保持在 15A，電流百分（fèn）比達 30%。

從以上可以看出，A 軸電動機發熱嚴重，如果沒有良好的（de）冷卻，會導致機械變（biàn）形或熱膨脹，通過（guò）檢測 A 軸支座（zuò）的外防護，發現外防護溫度很高，燙手，達 47℃（見圖 2），因此機床（chuáng）的五軸精度不穩定（dìng）可以認為是 A 軸電動機發熱、冷卻效果不良所致。

通過進一步（bù）試驗（yàn），如果主軸不轉，把 X、Y和 Z 軸的坐標軸冷卻關閉，單獨給 A、C 軸冷卻（該機床的冷卻是 X、Y、Z、A、C 和主軸共用一個冷（lěng）卻箱），這時 A、C 軸的電動機溫度穩定在65℃左右。溫度穩定以後，對機床的五軸精度進（jìn）行多次檢測，發現精度能夠保持不變。

（4）機床的加工（gōng）方式不符（fú）合機床的結構要求。由於機床是搖籃結構，如（rú）果 A 軸在加工時有較大角度（dù），並且持續時間較長，又不對 A 軸鎖緊，由於翻轉（zhuǎn）力矩作用，導致精度保持（chí）性較差，A 軸電動機電流大、溫（wēn）度高且持續（xù）工作，因此（cǐ）伺服單元（yuán）的（de）穩（wěn）定性也下（xià）降，可（kě）致使功率模塊損壞。

3、機床精度穩定（dìng）性差（chà）處（chù）理措施

從上麵機床精度穩定性差的原理分（fèn）析可以看出，雖然力矩電動機磨損小、速度快，但力矩電動機發熱量大，如果冷卻係（xì）統工作不（bú）良或有問（wèn）題，致使冷卻量不夠（gòu），就（jiù）會造成機床的五軸（zhóu）精度穩定性差，伺服單元經常損壞，甚至（zhì）電動機燒壞（huài）。該機床是（shì） 2007 年安裝，機床剛安裝時，冷卻效果良好，機（jī）床精度保持穩定，精度問題隨著時間的拉長逐漸出現。通過對冷卻係統的分析和觀察（chá）發現（xiàn），冷（lěng）卻空（kōng）調由於廠房通風等原因，冷卻器嚴重積油，冷卻箱內部被油垢覆蓋，導致冷卻效果（guǒ）變差，雖然多次清理，但冷卻係統依然無法滿足機床的冷卻要求。

由於原有的冷卻係統無法滿足要求，因此需要對冷卻係統進行技術改（gǎi）造（zào），增（zēng）加一套水冷空調係統，控製線路與原有（yǒu）的（de）線路進行（háng）相應的並聯、串聯。冷卻係統改造完成後通電（diàn）測（cè）試，A 軸電（diàn）動（dòng）機在 A 軸 90°位置，A 軸不鎖緊的情況下，持續3h，A 軸電動機溫度保持在 55℃以下，C 軸電動機溫（wēn）度 50℃，A 軸支（zhī）座保持冰涼不發熱（rè），溫度≤ 23℃。如果 A 軸（zhóu）角度較小，則電動機溫度保持在 20℃，C 軸電動機溫度 32℃。對機床進行（háng）多次精度測試，機床精度保持穩定，主軸錐孔（kǒng）和刀柄微熱，保持（chí）正（zhèng）常狀態，因此可以確認改造效果良好，達到預期目的。

4、結語

對 G996 五坐標加工中（zhōng）心五軸精度不穩定情況進行（háng）以上原（yuán）因分析（xī）、研究和處理後，問題徹底解決，同時對加工方式（shì）提出規範和要求，在 A 軸有較大角度（dù）且持續時間較長時（shí），要求對 A 軸（zhóu）鎖緊加工，減小 A 軸電動（dòng）機電流，避免發熱和損壞伺服功率單元。再進行持續的觀察和測試，發現改造效果良好，達到預期目的。對於使用力矩電動機或搖籃結構的設備，其冷卻係統一定要工作狀態良好，冷卻量（liàng）足夠，否則易對機（jī）床的穩定運行及設備精度（dù）造成嚴重影響。

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