Diagnose en foutopsporing van CNC-machineposities: speling in kogelgewindeaandrijvingen, encoderen, thermische compensatie en instelling van servomotoren

1. Beschrijving van het probleem en de toepassingsgebied

Fouten in positie en geometrische onnauwkeurigheid bij het gebruik van metalbewerkingsmachines met numeriek besturing (NC) leiden tot afwijkingen in onderdelen, stilstand van de productie en vroegtijdige slijtage van onderdelen. Dit handboek is bedoeld voor ingenieurs van betrouwbaarheid en technisch onderhoud van industriële ondernemingen in Oekraïne. Het handboek behandelt driemaatige en meervoudig assenbewerkingscentra, frezen en zware NC-machine (FANUC, Siemens SINUMERIK, Heidenhain).

Classificatie van het kritieke niveau:

• Kritisch (Klasse A): De positiefout overschrijdt 0,05 mm op een lengte van 300 mm, afwijkingen op de vorm leiden tot volledig afwijkend product, noodstoppen door overbelasting van de aandrijfunit of fouten in de volg fout (Following Error).
• Zelfstandig (klasse B): De fout is tussen 0,015 en 0,05 mm, er is een afname van oppervlaktekwaliteit (grits, golfvormigheid), sporadische waarschuwingen voor thermische drift.
• Licht (klasse C): Afwijkingen binnen de grenzen van 0,005–0,015 mm, waargenomen alleen tijdens de planningslaserinterferometrie, die geen invloed hebben op de huidige toleransen van de onderdelen.

2. Preventie en veiligheid

WAAROUD! GEVAAR VAN ELEKTRISCHE STROOM EN MECHANISCHE LETSEL.

Voordat u de diagnose en demontage begint, moet u de procedure LOTO (Lockout/Tagout) uitvoeren:

• De inbedde automatische uitknipper van de machine volledig uitschakelen en deze met een hangslot blokkeren.
• Wacht tot de capaciteiten van het tussenliggende circuit van de servocontroller volledig zijn ontladen (minstens 5 minuten na het uitschakelen van de voeding, controleer de spanning met een multimeter op de klemmen DC+/DC- — deze moet lager zijn dan 42 V).
• Blokeer de beweging van de zware assen (as Z) met mechanische stoppen, hydraulische remmen of hangende kranen voor het verwijderen van de servomotoren of het ontkoppelen van de koppelingen. Interne remmen van de motor garanderen niet het vasthouden van de as bij het verwijderen van het mechanische koppel.
• Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM): beschermbril, diëlektrische handschoenen bij werken aan geïsoleerde stroomkringen, beschermende schoenen.

3. Noodzakelijke diagnostische gereedschappen

4. Beginchecklist voor de toestandsevaluatie

5. Systeematische blokschema voor diagnose (Beslissingsboom)

• SYMPOM 1: Fout in positie en lineair afwijking van de afgesneden onderdeel afhankelijk van de verplaatsingslengte (ophopend fout).
  • Controleer de temperatuurtoestand van de stang en de schroef (met een infraroodcamera).
    • IF temperatuur van de schroef hoger dan temperatuur van de stang > 5°C EN thermische compensatie in de CNC is uitgeschakeld of onjuist ingesteld:
      • PROBLEEMCAUSE A: Thermische uitrekking van de kogelstang (KSG). Ga naar sectie 7.1.
    • Als de temperatuur normaal is (< 2°C різниці), виконайте вимірювання кроку лазерним інтерферометром.
      • Als de stapsfout lineair en stabiel is:
        • PROBLEEMCAUSE B: Onjuist ingestelde parameter voor stapsfoutcompensatie (Pitch Error Compensation) in de CNC-systeem. Ga naar sectie 7.2.
• SYMPOM 2: Speling bij omkering van de as (vermindering van nauwkeurigheid bij verandering van bewegingsrichting naar tegenovergestelde richting, verschijnen van "stappen" bij cirkelinterpolatie).
  • Plaats een klokindicator op het einde van de tafel/ondersteuningsarm en stel een omkerende beweging met microafstand in (bijvoorbeeld 0,01 mm -> -0,01 mm).
    • IF de wijzer van de klokindicator eerst op zijn plaats blijft en daarna begint te bewegen (speling boven 0,015 mm):
      • Controleer het relatieve verschuiven van het uiteinde van de motoras en het lichaam van de koppeling.
        • IF er een axiaal of radiaal slippage is in de koppeling:
          • PROBLEEMCAUSE C: Verzwakking van de vastklamperen elementen van de veerige koppeling. Ga naar sectie 7.3.
        • Als de koppeling stijf is, maar de as KGП verschuift ten opzichte van de belastende lager:
          • PROBLEEMCAUSE D: Verzwakking van de axiale moer van het belastende lager of slijtage van het lagerstel. Ga naar sectie 7.4.
        • Als de lagers gespannen zijn en de as draait zonder beweging van de moer:
          • PROBLEEMCAUSE E: Verslechtering van de werkbare oppervlakken van de schroef-moer paar KGP. Ga naar sectie 7.5.
    • Als mechanisch speel niet aanwezig is (minder dan 0,003 mm), maar in de grafiek van het servotest een signaalvertraging wordt waargenomen:
      • PROBLEEMCAUSE F: Problemen met de coderingsschaal van de encoder of storingen in de signaallijnen. Ga naar sectie 7.6.
• SYMP TOM 3: Band of onstabiele positieering, trillingen van de as, fout 410/420 (Excess Error in FANUC of FDD in Siemens).
  • Controleer de instellingen van de PID-regelaar van de servomotor (Kp, Kv, Ki).
    • Als de versterkingscoëfficiënten te hoog of te laag zijn:
      • PROBLEEMCAUSE G: Onoptimaal instellen van de snelheid- en positiekring van de servomotor. Ga naar sectie 7.7.
Voorbereidende punten zijn voltooid.

6. Matrix van storingen en oorzaken

7. Detailanalyse van oorzaak (Root Cause Analysis)

7.1. Thermische uitbreiding van de kogelmoerstang (KMG)

Waarom ontstaat dit: Bij hoge werkstandaard en intensief bewerkingscyclus ontstaat er een aanzienlijk aantal warmte in de draaiende ballen van de koppeling van de kogelgewindkoppeling. De lineaire warmtuitbreidingscoëfficiënt van de constructiestaal bedraagt ongeveer $11,5 \times 10^{-6} \text{K}^{-1}$. Bij uitrekking van een staalgewind met een lengte van 1500 mm met 10°C, is het absolute uitrekken: $\\Delta L = 1500 \times 10 \times 11,5 \times 10^{-6} = 0,1725 \text{ mm}$ ($172,5 \text{ µm}$), wat aanzienlijk boven de tolerantiegrenzen ligt.

Hoe bevestigen: Vergelijk de lineaire fout aan het begin van de verandering (koud machine) en na 4 uur continue werking. De infraroodcamera toont een lokaal verhitting van de CGP-schroef tot +45°C... +55°C bij een temperatuur van de basis van +20°C.

Wat veroorzaakt schade: Vermindering van de bewerkingstekening van onderdelen tot klasse IT8-IT9, vastzitten van voorheen aangedrukte ondersteuningen door aanvullende axiaal belasting, beschadiging van separatorplaten van lagers.

7.2. Verzwakking van de spanning of slijtage van de veerklauw van de servomotor

Waarom ontstaat dit: Dynamische cyclische belastingen (grote versnellingen en remmen, omkering met hoge frequentie) veroorzaken vermoeiing van de montagelijst bouten van de koppeling of vervorming van de elastomere ster / membranenpakket.

Hoe te bevestigen: Stel een marktlijn met verf op de motoras en op het koppelingstuk. Voer een omgekeerd beweging uit met de handwiel. Visueel of met behulp van een indicator vastleggen van het hoekverschuiven van de motoras ten opzichte van de as van de koppeling.

Wat veroorzaakt schade: Verschijning van oncompenseerde sterfte, ontstaan van lage frequentie autogolven in de terugkoppeling, snijden van sleutels of slijtage van de aanslagvlakken van assen.

7.3. Axiaal speelvlak in de lagers van de KGP (dubbelzijdige radiale kegelspelingen)

Waarom ontstaat dit: Ondersteuningslagers van de KGP (meestal series 70.. B, TAC van NSK of SKF) werken met een vooraf opgelegde spanning (Preload). Bij niet correcte momenten van het aanmaken van de ronde vergrendelingsmuts (type KM/MB of Precision Locknut) of bij natuurlijke slijtage van de rolweg ontstaat een axiaal voeg.

Hoe te bevestigen: Installeer de klokindicatorvoet op de uiteindeoppervlak van de kruiskoppeling en toepassen een kracht in de assenrichting met een montagelepel. Een verschuiving van de schijf van meer dan 0,005 mm wijst op het verliezen van de vooraf opgelegde spanning.

Wat veroorzaakt schade: Impactbelastingen op de rollelementen bij verandering van de voedingsrichting, beschadiging van de kogels, vervorming van de bewegingslijn van het statief.

7.4. Degradatie van signalen en storingen in encoderketens

Waarom ontstaat dit: Schade aan het scherm van het retourkabel, het leggen van sterkstroomkabels van de servomotor en signaal-kabels in één kast zonder scheiding, het binnenkomen van smering of koelvloeistof (SPO) in de optische of magnetische encoder.

Hoe bevestigen: Diagnostische registers van de sturing lezen (kwaliteit van de encoder signaal, aanwezigheid van CRC fouten, verbreking van de verbinding). Controleer met een oscilloscoop de amplitude van de differentiële signalen SIN/COS of A/B (normale amplitude – binnen de grenzen van 1,0 Vpp, afwezigheid van hoge frequentie pieken).

Welke schade veroorzaakt: Onverwachte noodstoppen van de machine met foutmelding «Encoder Communication Error», mistreden stappen/impulsen, vervorming van de bewegingsbaan.

8. Stappenplan voor herstel

8.1. Proceduur voor regeling en uitvoering van speling in de lagers van de KGP

1. Voer de LOTO-procedure uit (sectie 2). Verwijder de beschermkapjes en verbind de aandrijfmuur los.
2. Demonteer de kop van het ondersteunende knooppunt KGP. Gebruik een sleutel voor precisiegereedschappen om de vergrendelingsbout (of de vergrendelingsplaat MB) van de precisiegaring los te maken.
3. Kleur de threads, controleer de toonarmveer of de schijf (indien voorzien in de constructie).
4. Zet de precisie-montage bout vast met een dynamometrisch sleutel tot het moment dat door de fabrikant van het onderdeel wordt aangeraden (meestal voor M20x1,5 is het moment 35–45 N·m, voor M25x1,5 is het 55–65 N·m), draai de as handmatig voortdurend om het juiste positie van de ballen in de rolwegen te waarborgen.
5. Verlaag het moment tot het werkmoment en draai de stoptekenaar van de moer vast. Controleer het startmoment van de as met een dynamometrische sleutel (het mag niet boven 0.8–1.5 N·m liggen voor standaard opleggingen).
6. Installeer de indicator en controleer dat de axiale speling gelijk is aan nul (< 0,002 mm).
7. Monteer het onderdeel, smerig de lagers met hoge temperatuurconsistent smeer (bijvoorbeeld Klüberpaste of Shell Gadus) overeenkomstig de eisen ISO 12924 (klasse NLGI 2/3).
8. Voer een testloop uit van de as op lage snelheden (10% van de maximale snelheid) gedurende 15 minuten uit, waarbij de temperatuur van het lichaam van de lager wordt gecontroleerd (niet hoger dan +45°C).

8.2. Proceduur voor justering en controle van de veerkoppeling

1. De stroomonderbreker apparatuur. Verwijder de beschermkap van de koppeling.
2. Controleer de toestand van de bouten van de koppeling. Verwijder alle bouten voor de vastzetting van de wielhalsen.
3. Controleer de assenkoppeling tussen de servo-motor as en de KGP as met uurwijsindicatoren (radiale en axiale uitwijking mag niet meer dan 0,03 mm bedragen).
4. Zet de montageschroeven van de koppeling vast met een dynamometrisch sleutel in drie stappen (30% -> 70% -> 100% van de nominale momentwaarde voor de krachtklasse 12.9: voor M6 — 14 N·m, voor M8 — 35 N·m).
5. Zet controlelakmerken op de kopjes van de bouten en de aansluitingen.

8.3. Instelling van stapsfoutcompensatie in de CNC-systeem (Pitch Error Compensation - PEC)

1. Verbind de laserinterferometer met de as van de machine. Fixeer de basispunten van meting op een afstand die overeenkomt met de compensatie stap in de CNC (bijvoorbeeld elke 50 of 100 mm over de hele bewegingslengte).
2. Voer een direct en een omgekeerd doorloop van de as uit met meting van het werkelijke positie.
3. Vorm een fouten tabel (waarden van afwijking in micrometer voor elke kalibratiepunt).
4. Voeg de correctietabel toe aan de overeenkomende parameters van de CNC-systeem (bijvoorbeeld parametersreeks 3600–3699 voor FANUC of de tabel `Axis Compensation` in Siemens SINUMERIK).
5. Voer een controlehermeting uit met een laserinterferometer. De toegestane resulterende positie fout na compensatie mag niet meer dan ±0,008 mm per 1000 mm lengte bedragen.

9. Preventieve maatregelen

10. Vervangdeel en componenten

Zijn er kwalitatieve vervangende onderdelen nodig voor het herstellen van de nauwkeurigheid van uw CNC-machine? Bekijk onze elektronische catalogus industriële onderdelen direct op de website: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

11. Referentie en normatieve basis

• ISO 230-2: Accuratesproef van machinegereedschappen. Deel 2: Bepaling van de nauwkeurigheid en herhalingsnauwkeurigheid van positiebeheer langs de numerieke programmeerbare assen.
• DIN ISO 13041: Toetsingsvoorwaarden voor CNC-torens en bewerkingscentra.
• DSTU EN 60204-1: Veiligheid van machines. Elektrische uitrusting van machines. Deel 1. Algemene eisen.
• Technische documentatie en onderhoudshandleidingen OEM: FANUC Series 30i/31i/32i Onderhoudshandleiding, Siemens SINUMERIK 840D sl Diagnostiek Handleiding.
• Technische handleidingen UNITEC-D: "Methoden voor het verminderen van trillingen in voetstukken van CNC-machinezetels" (Handleiding nr. UT-CNC-04).