數(shù)控機(jī)床精度診斷及可靠性校驗

寧廣慶 毛勝輝 柴成林

(1鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450052)

(2中國鋁業(yè)股份有限公司中州分公司 河南鄭州 454174)

隨著現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床已越來越突出地顯示出其優(yōu)越的性能。數(shù)控機(jī)床上生產(chǎn)的每一件產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上依賴于機(jī)床自身性能和精度。數(shù)控機(jī)床在制造精密零件之前,知道它是否具備生產(chǎn)出合格零件的能力是極其重要的,這對于減少不合格產(chǎn)品數(shù)量和機(jī)器停工時間非常有效。

一、數(shù)控機(jī)床精度診斷的必要性

“精度診斷”(Accuracy Diagnostic)一詞,最早出現(xiàn)于 20世紀(jì) 80年代初的國外文獻(xiàn)上,指的是對機(jī)床靜態(tài)幾何精度和動態(tài)運(yùn)動精度,尤其是機(jī)床在加工狀態(tài)下的運(yùn)動精度的診斷。由于大部分機(jī)床的加工精度最終取決于工件——刀具系統(tǒng)的相對運(yùn)動和相對位置,因而一臺機(jī)床工作是否正常,能否滿足加工要求,是否需要維修,最終亦取決于精度的診斷。尤其是數(shù)控機(jī)床,其結(jié)構(gòu)性能日趨復(fù)雜多樣,價格昂貴,技術(shù)先進(jìn),生產(chǎn)率高,監(jiān)測維修項目日漸增加,其可靠性與精度診斷的問題也越來越突出。

影響機(jī)床工作精度的因素有:機(jī)床的靜態(tài)精度、機(jī)床的動態(tài)精度、工件裝卡的正確性、切削工藝的合理性、操作的熟練程度以及測量誤差等等。目前多數(shù)企業(yè)在機(jī)床現(xiàn)場尚不具備檢測動態(tài)精度的條件,因此,只能就機(jī)床的幾何精度來分析它對工作精度的影響。一般而言,零件加工完畢后的質(zhì)量檢查過程中所發(fā)現(xiàn)的問題越多,對于數(shù)控機(jī)床所加工的已報廢零件和不得不長時間地停機(jī)檢修來說越顯得為時已晚。對負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)的人員來說,理想的解決辦法是在零件加工前對機(jī)床性能進(jìn)行測試。

在大批量生產(chǎn)過程中,統(tǒng)計過程控制(SPC)有助于監(jiān)控生產(chǎn)過程的精度。但是它需要大量的采樣數(shù)據(jù)來確保統(tǒng)計的可信度,因而相當(dāng)費(fèi)時,但若生產(chǎn)批量小(且零件價值高),生產(chǎn)過程往往不能形成趨勢以使用統(tǒng)計過程控制(SPC)監(jiān)控。而且,統(tǒng)計過程控制(SPC)只能在加工之后確定過程的表現(xiàn),那樣可能已為時太晚。

在小批量生產(chǎn)過程中,只是在零件加工后進(jìn)行檢測時才能發(fā)現(xiàn)零件是否超差,而對機(jī)床重復(fù)性的誤差則無能為力。更糟糕的是機(jī)床的某個局部幾何誤差或伺服定位誤差雖然沒有影響當(dāng)前工件精度,卻可能會導(dǎo)致下一個零件的嚴(yán)重誤差。

經(jīng)驗表明,80%以上的機(jī)床在安裝時必須在現(xiàn)場調(diào)試后才能符合其技術(shù)指標(biāo),因此在新機(jī)床驗收時,要進(jìn)行精度檢定,使機(jī)床一開始安裝就能保證達(dá)到其技術(shù)指標(biāo)及預(yù)期的質(zhì)量和效率。另外經(jīng)驗也表明,80%已投入生產(chǎn)使用的機(jī)床在使用一段時間后,處在非正常、超性能工作狀態(tài),甚至超出其潛在承受能力。因此通常新機(jī)床在使用半年后需再次進(jìn)行精度檢定,之后可每年檢定一次。定期檢測機(jī)床誤差并及時校正螺距、反向間隙等可切實改善生產(chǎn)使用中的機(jī)床精度,改善零件加工質(zhì)量,并合理進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和機(jī)床加工任務(wù)分配,不至于產(chǎn)生廢品,大大提高機(jī)床利用率?？傊?采用新的數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn),依靠先進(jìn)的精度診斷技術(shù)維護(hù)數(shù)控機(jī)床的“健康”,及時揭示數(shù)控機(jī)床問題及可靠性程度,可以避免機(jī)床精度的過度損失及破壞性地使用,從而得到更為理想的生產(chǎn)效益。

二、數(shù)控機(jī)床的檢驗

1.數(shù)控機(jī)床的性能檢驗

主要包括主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、自動換刀系統(tǒng)、其他電氣裝置、安全裝置、潤滑裝置、氣液裝置及各附屬裝置等。

2.數(shù)控機(jī)床的功能檢驗

數(shù)控系統(tǒng)的功能按所配置機(jī)床的類型有所不同,檢驗時要按照機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)的說明書和定貨合同的規(guī)定,用手動方式或程序方式檢測該機(jī)床應(yīng)該具備的主要功能,如:快速定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、自動加、減速、暫停、平面選擇、固定循環(huán)、單程序段、跳讀、條件停止、進(jìn)給保持、鏡像功能、旋轉(zhuǎn)功能、刀具長度及半徑補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、用戶宏程序、圖象顯示、程序結(jié)束停止、緊急停止等。

為了全面地檢查機(jī)床的功能及工作可靠性,數(shù)控機(jī)床在安裝調(diào)試后應(yīng)在一定負(fù)載(或空載)下進(jìn)行較長一段時間的自動運(yùn)行考驗。國家標(biāo)準(zhǔn)GB9061—88中規(guī)定了自動運(yùn)行考驗的時間,數(shù)控車床為 16小時,加工中心為 32小時,并要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),自動運(yùn)行考驗程序要包括控制系統(tǒng)的主要功能,如主要 G指令、M指令、換刀指令、工作臺交換指令、主軸的最高、最低和常用轉(zhuǎn)速、軸進(jìn)給的快速和常用速度等,另外,刀庫上應(yīng)裝滿刀柄,工作臺上最好有一定的負(fù)載。

3.數(shù)控機(jī)床的機(jī)床的可靠性

對于加工大型復(fù)雜零件使用的數(shù)控機(jī)床(尤其是加工中心或柔性加工單元),機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的要求尤為突出,有的零件一次裝夾后可連續(xù)加工數(shù)十小時。隨著數(shù)控技術(shù)和 FMS系統(tǒng)的發(fā)展,對這些系統(tǒng)的主體設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的可靠性要求越來越高,在現(xiàn)有的條件下,用戶在選型過程中對機(jī)床可靠性的評價,一般采取走訪被選擇廠家的老用戶,了解機(jī)床的使用情況,獲得的信息可能僅僅反映了該類機(jī)床的一般性能狀態(tài),無法具體得知某一機(jī)床現(xiàn)實的準(zhǔn)確狀況,故掌握數(shù)控機(jī)床的可靠性需要在對機(jī)床幾何精度的基礎(chǔ)上了解其動態(tài)的工作精度。

三、數(shù)控加工中心機(jī)床可靠性及精度檢測方法

各種數(shù)控機(jī)床均有各自的驗收標(biāo)準(zhǔn)和檢查方法,其中數(shù)控加工中心的可靠性及精度檢驗要求有一定的典型性,具體包括如下幾個方面。

1.幾何精度

包括直線度、垂直度、平面度、俯仰與扭擺、平行度等;傳統(tǒng)方法采用大理石或金屬平尺、角規(guī)、百分表、水平儀、自準(zhǔn)直儀等。

2.位置精度

數(shù)控機(jī)床位置精度包括定位精度,重復(fù)定位精度,微量位移精度等。定位精度是指實際位置與指令位置的一致性。定位精度的差距是檢測設(shè)備伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及移動部件(如導(dǎo)軌、絲杠集合誤差)的綜合反映,其數(shù)值可判斷設(shè)備本身的精度。重復(fù)定位精度是指條件相同進(jìn)行若干次操作所得到精度的一致程度。受伺服系統(tǒng)特性、傳動鏈變形、剛性變化以及摩擦引起的熱變形等原因的影響,數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度直接影響工件的加工精度及一致性,因而是檢驗機(jī)床精度的兩個重要指標(biāo),機(jī)床精度越高,檢測手段越苛刻,一般的檢測手段難以檢測。

3.工作精度

本文將以立式數(shù)控加工中心精度檢測為例,著重介紹其動態(tài)工作精度檢驗的一種方法。

如圖所示,該方法采用國際慣用的“菱形 -圓形-方形—均布孔”標(biāo)準(zhǔn)化試切件,并借鑒 NASA(美國國家航宇標(biāo)準(zhǔn) 1979)試驗標(biāo)準(zhǔn),采用三坐標(biāo)測量儀(3D SCANNERS)對加工好的試件進(jìn)行精密測量,同時記錄試切過程中的有關(guān)參數(shù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,檢驗出該機(jī)床的性能及工作精度狀況。

工具:準(zhǔn)備鑄鐵或鋁合金試件毛坯、鉆頭、銑刀、鏜刀及編制數(shù)控切削程序,高精度圓度儀及三坐標(biāo)測量機(jī)作試件精度檢驗。

精度檢驗項目:

(1)直線度:測正方形 300×300和菱形 212.13×212.13每邊的直線度;

(2)平行度:測正方形 300×300和菱形 212.13×212.13各對邊的平行度;

(3)垂直度:測正方形 300×300和菱形 212.13×212.13各鄰邊的垂直度;中心孔 Φ30與菱形平面的垂直度;

(4)圓度:測 Φ300與 Φ30的圓度;

(5)同軸度:測 Φ300孔軸線與 Φ30中心孔軸線的同軸度;

檢驗項目所需材料、工、夾、量具等如下:

毛坯:HT250,300×300×60;

工具:中心鉆、?20立銑刀、?20鏜刀、?18鉆頭、130mm等高塊四個;

夾具:平口虎鉗、壓板、倒頭螺栓。

檢驗項目:

(1)X、Y、Z三坐標(biāo)直線精度、同軸度、位置精度及回轉(zhuǎn)精度;

(2)X、Y兩軸同步四象限直線精度、同軸度及平行度;

(3)恒速、恒變速、最大最小極限速度轉(zhuǎn)換;

(4)直線與圓、直線與圓弧過渡;

(5)八等分圓周準(zhǔn)確度;

(6)測 Φ150圓周八等分均布孔與中心孔的距離及各孔中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

注:各部尺寸重點(diǎn)檢測位置精度,尺寸精度不做檢驗。

附:檢測試切程序(略);三坐標(biāo)檢測儀檢驗統(tǒng)計表(略 )。

四、檢測結(jié)果說明

1.鏜孔精度嚴(yán)重超差,主軸轉(zhuǎn)速 n=400轉(zhuǎn) /分,偏低;

2.鏜孔指令:G76局部循環(huán)指令不正常,目前運(yùn)行特征為偏置—準(zhǔn)?！仙?正常應(yīng)為準(zhǔn)停—偏置(退刀)—上升,所鏜孔內(nèi)表面有劃傷。正常準(zhǔn)停偏置刀尖應(yīng)為 X方向,現(xiàn)為 Y方向但不正對 Y方向。

3.刀庫換刀指令 TO不能按程序要求正常運(yùn)行。

4.平行度多數(shù)正常,同軸度嚴(yán)重超差與鏜孔因素同。

需要指出的是,該方法需要仔細(xì)定義試切件的切削方法隨時觀測驗證切削結(jié)果,編制的數(shù)控切削程序應(yīng)有檢測項目的側(cè)重點(diǎn)并有局部循環(huán)運(yùn)行特點(diǎn)。另外,任何一種測試方法都無法評估數(shù)控機(jī)床的所有性能,“圓形 -菱形 -方形—均布孔”試驗的大多數(shù)切削運(yùn)動是在 X-Y平面上進(jìn)行的,因此沿 X-Z和 Y-Z平面上的相關(guān)精度終因 Z向行程有限而大部分沒有測定。作為一種綜合性的可靠性及精度檢驗方法,其重要的現(xiàn)實意義在于不僅能檢測機(jī)床的相關(guān)性能,還能提高技術(shù)人員對數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用并發(fā)揮其潛在的功能。