摇篮式五坐标加工中心五轴精度稳定性差原因分析
2020-11-18 来源： 昌河飞机工业（集团）有限责任公司 作者：林超青
【摘要】:1 台摇篮式五坐标加工中心 G996最近两年频繁发生五轴精度超差，A、C 轴伺服模块烧坏，零件加工超差报废的现象，对该机床的零件加工带来很大的潜在质量风险，本文介绍了研究和分析该机床存在问题的原因和解决方案的过程。
1、G996机床五轴精度及其他存在的问题
G996 机床是一种摇篮式结构五轴机床，在最近两年的使用过程中经常发生五轴精度超差、零件报废及 A、C 轴伺服单元烧毁现象，最近两年已经烧坏伺服单元 4 个，导致 10 多万元的直接损失。RTCP 精度超差比较严重，经常≥ 0.14mm，正常精度应该≤ 0.03mm，而且精度调整频繁，有时 1 周就要调整 1 次。对该机床的零件加工带来很大的潜在质量风险，因此，急需分析和研究机床存在问题的原因和解决方案。
2、G996五坐标加工中心五轴精度不稳定原因分析
机床的五轴精度不稳定，变化较大，造成的可能原因较多，比如机床部件磨损，有间隙 ; 检测元件有问题 ; 机床部件发热，造成热稳定性差 ;机床的加工方式不符合机床的结构要求等。下面就具体分析造成精度不稳定、伺服单元经常烧坏的可能原因。
（1）机床部件磨损，有间隙。G996 五坐标加工中心是 X、Y、Z 外加 A、C 轴的摇篮结构，X 、Y 和 Z 是线性导轨，丝杠传动，对 X、Y 和Z 进行激光定位检测发现，3 个直线轴的定位精度很好，都≤ 0.01mm，反向间隙≤ 0.005mm，因此直线轴的部件磨损很小，部件磨损、定位精度不好，丝杠有反向间隙等导致机床五轴精度不稳定的可能性可以排除。A、C 轴是力矩电动机，这种结构与直线电动机类似，部件几乎没有磨损，因此 A、C 轴部件磨损的可能性也可以排除。
（2）检测元件有问题。机床的检测元件光栅尺和编码器出现问题，如安装距离不合适，信号处于临界状态等也会导致机床精度不稳定。通过检测和分析机床的运行日志，没有发现机床有位置检测元件报警信息，因此，由于机床的检测元件导致五轴精度不稳定的可能性可以排除。
（3）机床部件发热，造成热稳定性差。如果机床的部件由于各种原因发热，会导致部件膨胀变形，精度严重丧失。G996 五坐标加工中心的直线轴采用直线导轨、丝杠传动，轴承座采用水冷，消除丝杠滚动带来的热量，而且直线导轨、丝杠传动本身发热量较小，而且有水冷，所以直线轴热稳定性导致五轴精度不稳定的可能性可以排除。
G996 的 A、C 轴采用力矩电动机，而力矩电动机发热量很大，如果冷却不好，部件温度不能稳定，就会导致较大的机械变形或热膨胀，精度无法保持。通过观察和测试，发现机床在加工过程中，如果 A 轴的角度较大，而且持续的时间较长，这时 A 轴电动机温度会迅速升高，并且不能稳定，A、C 轴工作时间超过 1h，电动机温度可以达到80℃，而且不能稳定，会一直上升。由于 A、C轴的摇篮结构，如果加工过程中 A 轴角度较大，加工时 A、C 轴不锁紧，A、C 轴的质量会形成一个较大的翻转力矩（见图 1），导致 A 轴一直处于工作状态。检查 A 轴电动机电流，发现电动机一直保持在 15A，电流百分比达 30%。
从以上可以看出，A 轴电动机发热严重，如果没有良好的冷却，会导致机械变形或热膨胀，通过检测 A 轴支座的外防护，发现外防护温度很高，烫手，达 47℃（见图 2），因此机床的五轴精度不稳定可以认为是 A 轴电动机发热、冷却效果不良所致。
通过进一步试验，如果主轴不转，把 X、Y和 Z 轴的坐标轴冷却关闭，单独给 A、C 轴冷却（该机床的冷却是 X、Y、Z、A、C 和主轴共用一个冷却箱），这时 A、C 轴的电动机温度稳定在65℃左右。温度稳定以后，对机床的五轴精度进行多次检测，发现精度能够保持不变。
（4）机床的加工方式不符合机床的结构要求。由于机床是摇篮结构，如果 A 轴在加工时有较大角度，并且持续时间较长，又不对 A 轴锁紧，由于翻转力矩作用，导致精度保持性较差，A 轴电动机电流大、温度高且持续工作，因此伺服单元的稳定性也下降，可致使功率模块损坏。
3、机床精度稳定性差处理措施
从上面机床精度稳定性差的原理分析可以看出，虽然力矩电动机磨损小、速度快，但力矩电动机发热量大，如果冷却系统工作不良或有问题，致使冷却量不够，就会造成机床的五轴精度稳定性差，伺服单元经常损坏，甚至电动机烧坏。该机床是 2007 年安装，机床刚安装时，冷却效果良好，机床精度保持稳定，精度问题随着时间的拉长逐渐出现。通过对冷却系统的分析和观察发现，冷却空调由于厂房通风等原因，冷却器严重积油，冷却箱内部被油垢覆盖，导致冷却效果变差，虽然多次清理，但冷却系统依然无法满足机床的冷却要求。
由于原有的冷却系统无法满足要求，因此需要对冷却系统进行技术改造，增加一套水冷空调系统，控制线路与原有的线路进行相应的并联、串联。冷却系统改造完成后通电测试，A 轴电动机在 A 轴 90°位置，A 轴不锁紧的情况下，持续3h，A 轴电动机温度保持在 55℃以下，C 轴电动机温度 50℃，A 轴支座保持冰凉不发热，温度≤ 23℃。如果 A 轴角度较小，则电动机温度保持在 20℃，C 轴电动机温度 32℃。对机床进行多次精度测试，机床精度保持稳定，主轴锥孔和刀柄微热，保持正常状态，因此可以确认改造效果良好，达到预期目的。
4、结语
对 G996 五坐标加工中心五轴精度不稳定情况进行以上原因分析、研究和处理后，问题彻底解决，同时对加工方式提出规范和要求，在 A 轴有较大角度且持续时间较长时，要求对 A 轴锁紧加工，减小 A 轴电动机电流，避免发热和损坏伺服功率单元。再进行持续的观察和测试，发现改造效果良好，达到预期目的。对于使用力矩电动机或摇篮结构的设备，其冷却系统一定要工作状态良好，冷却量足够，否则易对机床的稳定运行及设备精度造成严重影响。
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