Fanuc 加工中心滾珠絲杠在線檢測技術
2019-3-27 來源： 上汽通用五菱汽車股份有限公司 作者：蒙旭喜，楊 明，陳 斌
摘 要：Fanuc 31i CNC 加工中心按照工作臺往復移動加工零件。絲杠作為關鍵傳動部件，擁有高精度、高傳動效率及耐磨性。滾珠絲杠失效會產生機床共振、加工尺寸超差、加工刀痕、工件表面粗糙度不合格問題。利用 SEVRO GUIDE 檢測絲桿位置誤差，并提取 Q-DAS 數據進行狀態識別，可快速判定絲杠磨損程度，及時進行加工精度調整或更換。
絲杠在線檢測對同類型的加工中心普遍適用，計算方法基本一致。論文簡述滾珠絲杠檢測技術、抑制機床振動、加工精度調整、絲杠失效模式分析。目的是為絲杠的狀態監控及精度調整提供一種方法，以降低絲杠失效帶來的損失和提高加工精度。現場實踐表明方法有效。
關鍵詞：加工中心；Servo Guide；絲杠檢測；加工精度調整；絲杠失效模式
在發動機制造設備中，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臺 CNC，共用 108 × 3 = 324 根滾珠絲杠。
產品的加工質量取決于工作臺的定位的精度，而工作臺由滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠失效后，表現為氣缸體缸孔刀痕、氣缸蓋座圈/導管底孔直徑超差等質量問題，易引發批量質量風險。
傳統處理方式為，根據經驗手動旋轉絲桿與螺母副的間隙、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，無法判定滾珠絲杠的磨損狀況及程度，存在誤判及發現質量隱患的滯后性。
本文利用 Ser－vo Guide 工具監控調整絲杠狀態，提取 Q-DAS 數據進行狀態識別，可以隨時跟蹤絲杠磨損程度、調整機床加工精度，解決各類機床共振、加工刀痕、加工超差等問題。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
機床的每一根軸都是由伺服系統所驅動的，系統的組成是由伺服軸卡、伺服驅動器、伺服電機組成。它的主要作用是由伺服系統接受 NC 所發出的位置指令來驅動電機進行定位控制。加工中心 X、Y、Z 軸由滾珠絲杠傳動。通過伺服同步電機實現驅動。加工過程中滾珠絲杠螺母副往復運動不可避免產生反轉間隙，較大的反轉間隙造成工作臺反向移動時，坐標顯示移動而實際工作臺未移動，使半閉環系統與全閉環系統位置環誤差超過參數 #2118 的設定值，機床震動不穩定。
滾珠絲杠磨損越大反向間隙遠大，振蕩越不穩定。其稱為位置誤差，位置誤差震蕩越大，機床越不穩定。此時機床常伴隨伺服軸報警。半閉環系統與全閉環系統控制的位置誤差增大，常表現為如下報警代碼：410 代碼：某軸停止中的位置偏差量超過了參數#1829 設定的值，可能該軸的反饋電纜損壞，編碼器故障或放大器控制板損壞。
411 代碼：某軸移動中的位置偏差量超過了參數#1828 設定的值，可能該軸的反饋電纜損壞，編碼器故障或放大器控制板損壞。421 代碼：采用雙位置反饋功能時，半閉環的反饋誤差與全閉環的反饋誤差之差值超過了參數 2118設定的值，可能該軸的光柵尺或電機編碼器反饋電纜損壞，光柵尺或編碼器故障或放大器控制板損壞。
鎖定問題方法 1：放大 2118 參數報警值，空運行/手動移軸查看診斷號 550（全閉環）、551（半閉環）數值變化。 方法 2：屏蔽光柵尺循環。此時可快速是否為滾珠絲杠位置誤差產生震蕩。機床伺服驅動控制通訊方式如圖 2 所示。
圖 2 機床伺服驅動通訊方式如圖
2 、位置誤差檢測方法—Servo Guide
ERRC 表示驅動裝置的誤差值，因 ERRC=進給速度/位置增益，故當進給一定時，ERRC 理論上一定。由于絲杠、螺母副、軸承磨損，導致驅動裝置構件間約束發生變化，系統定位時，為達到準確定位，必須不斷進行調整，從而體現為機床某軸驅動裝置振動。機床位置增益設定值越高，相同進給速度下，ERRC 值越小，但同時要求機床驅動裝置剛度和約束越高。
當機床驅動裝置剛度和約束無法與機床位置增益匹配時，振動發生。ERRC 曲線可作為表征絲杠狀態的一個指標。ERRC 監控方法如圖 3 所示。
圖 3 圖形設置
通過對同一臺機床在同一進給不同 1825（位置增益）值下的監控，可發現位置增益越小機床 ERRC越大，但由于同時降低機床定位的敏感度，機床振動降低，ERRC 曲線的振幅降低。因此，可通過對驅動裝置的 ERRC 曲線進行定期收集，建立數據庫，通過大量數據的分析，對不同工位的驅動裝置狀態進行評估，以制定有效的預測性維修。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 無震蕩，誤差值波動范圍將近 2~3 μm（正常范圍 25 μm 以下）。該機床 Z 軸絲杠正常。
圖 4 正常絲杠 ERRC
如圖 5 所示的故障絲杠 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，誤差值波動范圍將近 56 ~ 57 μm. 該機床
Z 軸絲杠異常。判定絲杠、螺母副、軸承磨損。此時機床可能會產生共振、加工刀痕、加工超差等問題。
圖 5 故障絲杠 ERRC
3、 誤差計算及加工精度調整
FANUC SEVRO GUIDE 首先測量位置誤差大小，再通過對系統內部參數進行調整重置：一是抑制設備異常震動 （#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頻率來手動調整；二是調整機床加工精度 （系統功能的調整），通過觀察畸形零件來調整。
抑制機床震動是基礎，調整加工精度是進一步發揮機床性能，可以實現伺服軸絲杠測量、自動調整功能及調整引導功能。
3.1 滾珠絲杠位置誤差計算
滾珠絲杠傳動中位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，單位 0.01/S 誤差量（P）= [進給速度/60×位置增益] ×1/檢測單位No1826：快速指令的到位寬度。No1827：切削指令的到位寬度。到位：定位結束。系統根據移動指令和反饋指令的差值的多少，來確定是否定位結束。位置偏差值存放在誤差寄存器中，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值，ALM410 報警。
3.2 Servo Guide 調整原則
（1）提高位置增益，可以改善系統的定位及加工精度，調整量以不使系統產生振動與過沖為前提，同時所有的差補軸的增益需保持一致。
（2）提高速度增益，可以改善電機的速度響應，提高加速能力，但過高的速度增益會使機床產生振動。
（3）當振動出現時，可以在降低速度及位置增益之前使用轉矩指令濾波器進行調整，如因機床的機械剛性等原因不能產生效果后，可降低速度及位置增益。
轉矩指令濾波器：將輸出的轉矩指令中包含的高于設定頻率的共振頻率對應的轉距指令濾掉，以降低振動。
3.3 加工精度調整方法（ERRC）
調整機床加工精度方法應該從兩方面著手：控制系統方面和驅動方面。系統方面使用 AIAPC 或AICC. 驅動方面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，使之越寬越好。
3.3.1 控制系統調整方法
首先設定控制系統和驅動方面的參數。這些參數對于提高機床性能非常重要，建議按照以下的說明進行設定。以系統是 0i-B/C 為例設定 AICC 以下參數。
No1620=100———各軸快速進給直線型加減速時間常數 T1；No1621=8———各軸快速進給鈴型加減速時間常數 T2：
No1732 =100———基于圓弧半徑進給速度下限值；No1768=16———AIAPC 模式下插補后加減速時間常數；
No1770=10000———AIAPC 模式下插補前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度的時間；
No1772=48———AIAPC 模式下插補前鐘型加減速時間常數；
No 1602#6#3 =1，0———先行控制下插補后加減速為直線型（當使用插補前鐘型加減速時設定）
3.3.2 驅動方面調整方法
手動設定降低位置增益參數 1825，同時增大移動過程誤差值參數 1828，可以改善絲杠定位產生振動，對帶有圓弧插補、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精度、調整量為前提。手動設定完以上參數之后，系統的性能應有一定的提高。如果調整位置環增益還達不到精度要求，只能其他因素考慮：機床的機械傳動部
分，進給量、進刀方式、刀具、程序、夾具零部件、機構松動、傳感裝置誤感應、工件本身問題
、速度、冷卻方式、傳動機構共振等。
這些因素都會對加工質量過程產生影響。以故障機床 ERRC 為例，調整后如下圖 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 后，檢測對比T0001 刀具在加工時的 Z 軸位置偏差（ERRC）曲線無震蕩，誤差值波動范圍將近 0≤25 μm. 該機床 Z 軸移動位置誤差正常、加工正常、抑制機床震動。
4 、滾珠絲杠失效狀態識別
滾珠絲杠由于長期的運行產生磨損間隙，將直接影響加工中心的傳動精度及剛性。一般現象為反向間隙大、定位精度不穩定、機床產生震動、螺母副卡滯、進給爬行等。系統及參數調整已經超過調整量，加工精度不能滿足要求時基本可以判定該絲杠已失效。
以下圖 Servo Guide 位置偏差（ERRC）曲線檢測、Q-DAS 數據狀態識別為例說明（見圖 8
）
圖 8 絲杠失效 ERRC
對比 T0001 加工 Z 軸 Q-ADS 數據上下波動不穩定、位置偏差（ERRC）曲線震蕩嚴重，
Z 軸加工過程 400ms 震蕩，誤差值波動范圍將近 60 μm. 而這個震蕩有可能導致機床共振
、加工尺寸超差、加工刀痕、工件表面粗糙度不合格問題。
通過對比可確認該滾珠絲杠嚴重磨損，需更換處理。
5 、結束語
通過 Fanuc 加工中心滾珠絲杠在線檢測技術，測量判別位置誤差的產生方式，使用 Q-DAS
數據進行狀態識別，建立 Servo Guide PDM 數據。計算當前位置誤差，進行加工精度調整，解決加工中心機床振動、提高加工精度、快速識別滾珠絲杠失效模式，從而推進汽車發動機加工中心大批量生產過程的自動化、網聯化及穩定性。
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