精密数控机床伺服轴精度修复技术

设备管理与维修2018翼11
（上
）精密数控机床伺服轴精度修复技术
余刚，朱伟，曾力
（机械制造工艺研究所，四川绵阳621000）
摘要：精密数控机床伺服轴精度值是机床重要性能指标参数，伺服轴的机械部件采用滚珠丝杠传动较多。

长时间使用，需要对伺服
轴精度进行检测和调整。

给出伺服轴故障的分析诊断与解决办法。

关键词：滚珠丝杠；轴承；预拉伸；调整中图分类号：TH17文献标识码：B
DOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2018.11.43
0引言
数控机床精度修复是一项重要而复杂的关键技术，需要掌
握机床机械传动结构、电气控制原理、部件拆卸、装配工艺、试运行等正确流程与方法，确保精度修复稳定、可靠，提高设备维修效率。

1故障现象
某五轴联动加工中心Y 轴在程序运行过程中，机床出现持
续性振动，工件表面出现振纹，导致机床不能正常使用。

2Y 轴结构与原理
该机床Y 轴进给系统中滚珠丝杠采用固定-固定的方式，
适用于中速、高精度的机床，结构如图1，伺服电机通过同步齿形带传动丝杆的转动，丝杠的正反传动即是Y 轴移动方向。

该
伺服轴采用的是全闭环控制，光栅尺作为直线位移检测。

3故障诊断
通过激光干涉仪对Y 轴精度的检测，检测结果见表1。

表1Y 轴精度检测
通过检测数据（德标VDI 1441）分析，该轴定位精度、重复定位精度与出厂精度比较均严重超差。

丝杠装配精度直接影响进给系统的传动位置精度，对丝杠的装配精度进行检查，检测结果见表2。

精密丝杠装配精度一般为径向跳动约12滋m ，轴向窜动约8滋m 。

表2丝杠装配精度
4故障分析及排查
结合该故障现象和当前诊断的数据分析，
Y 轴存在着反向间隙、定位精度超差、丝杠的装配精度差等特点，结合误差曲线
产生的具体位置，故障的可能原因为：同步带磨损、轴承磨损、滚动导轨磨损、丝杠的磨损。

经过对故障点的排查，发现丝杠支撑侧轴承损坏，Y 轴支撑侧传动结构见图2，由于轴承损坏，轴承在旋转时会产生游动间
隙，游隙使全闭环控制不稳定，原来伺服增益参数与目前的运行
状态不匹配，造成伺服环的动态调整造成轴振荡。

5故障维修装配流程
正确的安装流程，是保证装配精度的基本条件，数控机床进给系统伺服轴机械部件装配是保证机床定位
精度的关键，所以在装
配过程中，严格按照装配步骤和流程（图3）进行，注意装配关键事项和装配细节。

5.1
确定中心
确定作为滚珠
丝杠安装部的滚珠丝杠螺母支撑单元和固定端、支撑侧轴承支撑单元相互的中心。

通常，对于精密级产品，
建议采用倾斜
图1Y 轴丝杠安装方式
检测项目出厂精度/滋m
测量值/滋m 重复定位精度314.7定位精度
6
13.8
检测项目测量值/滋m
滚珠丝杠轴向窜动12滚珠丝杠径向跳动
（电机端）8滚珠丝杠径向跳动（支撑端）
18
图2Y 轴丝杠支撑端结构
图3
装配流程
设备管理与维修2018翼11
（上
）误差约1/2000，偏心约0.02mm ，在维修过程中，支撑单元没有拆卸，以定位销定位，精度可以保证。

5.2
进给轴机械部件的安装
（1）轴承润滑。

润滑脂具有很好的耐磨性、耐温性和润滑性，
轴承中的润滑脂不宜过多，轴承的转速愈高，危害性愈大。

随着润滑脂填充量的增加，轴承温升直线提高，一般滚动轴承的润滑脂填充量内部空间1/3~2/3（额定转速50豫以下），润滑脂填充量内部空间1/3~1/2（额定转速50豫以上）。

（2）轴承安装。

轴承的安装时，为了形成合适的配合，将选定的轴承安装在滚珠丝杠上。

这时，为了使轴承不直接受到冲击，使用专用套管将轴承固定在壳体内。

（3）轴承预紧。

轴承的预紧力矩大小是伺服轴装配工艺中重要参数，一般情况下根据轴承的结构、装配形式、数量等数据查询轴承装配手册，参考轴承厂家给定的预紧力，使用力矩扳手进行预紧。

无法查阅轴承相关技术资料时，可根据机床载荷大小进行预紧，机床运行过程中伺服轴所承受载荷小于最大轴向载荷
F max ，轴承的预紧力可采用F pr =（0.33~0.35）F max 。

5.3
预拉伸
丝杠长时间运行后，会产生热位移，丝杠轴的热位移将导致
定位精度的下降。

热位移的大小可用以下公式算出。

吟L 兹越籽兹L
吟L 兹———热位移量，mm 籽———热膨胀系数，取12伊10-6
/益兹———丝杠轴平均温度上升值，益
L ———丝杠轴长度，
mm 结论得出当温度每上升1益，每米丝杠长就会延伸12滋m 。

通过施加预拉伸力，吸收丝杠因温度产生的延伸量，所以安装时需对丝杠轴施加一定的张紧力。

丝杠温度每上升1益，每米丝杠长就会延伸12滋m ，运行时丝杠温度会上升（2耀3）益，该丝杠为1.2m ，计算得出预拉伸长度为28滋m ，预拉伸方法见图
4。

拉伸量为千分表2与千分表1的数值差28滋m 。

5.4
装配精度检验动作确认
为了确认滚珠丝杠的安装是否正确，进行动作确认。

用扭矩
扳手等测试滚珠丝杠部位整个行程的驱动扭矩，包括感触在内，
确认是否一切正常。

使用千分表确认丝杠跳动、轴向窜动，皮带轮跳动测量值见表3，通过检查丝杠的安装精度符合装配要求。

5.5联机试运行轴承温升检测
运行初期首先在低速运转的情况下，确认振动和噪声。

其次为中速，最后在高速运转情况下进行同样的确认。

然后再连续运转2h ，在
磨合的同时确认有无异常。

使用红外线测温仪对固定端和支撑侧
进行温度检测，检测曲线见图5。

通过曲线发现，轴承温度随着速度的提高，温升的速度在加快，当达到温度的最高值后温度有微量的下降，说明温度没有持续性增加，温升曲线符合部件的运转要求。

5.6定位精度与重复定位的检测Y 轴试运行数据正常，并使用雷尼绍激光
干涉仪对Y 轴的定位精度进行检测，检测结果见图6。

从图8测量数据可以得出Y 轴维修后，定位精度3.6滋m 、重复定位精度2.1滋m 、反向间隙1.1滋m ，三项精度高于机床出厂精度标准，
试切削工件振纹消失，设备各项功能恢复正常使用。

6维修体会
精密数控机床伺服轴定位精度要求较高，维修前应制定好维修方案，对关键装配工艺参数进行核查，记录好伺服轴维修前后相关精度数据，维修时严格执行装配工艺流程，保证机床的维修效率和质量，提高设备的运行可靠性。

参考文献
［1］陈龙法.典型机床装配工艺研究［J ］.精密制造与自动化，2011（1）：57-61.
［2］吴晓苏.数控原理与系统［M ］.北京：机械制造工业出版社，
2010.［3］周红力.数控机床定位精度研究［D ］.长沙：湖南大学，2008.
〔编辑利
文〕
图4预拉伸
表3丝杠传动精度
检测项目测量值/滋m
滚珠丝杠轴向窜动1滚珠丝杠径向跳动5皮带轮平面跳动（100mm ）
18
图5轴承温升曲线
图6Y
轴修复后精度检测曲线。