數控機床加工精度異常的診斷處理與預防

王小峰 梁國強 高少華

（西安航空動力控制科技有限公司 西安）

在科學技術飛速發(fā)展的今天，利用數字信號控制機床運動的數控機床加工技術，越來越受各制造業(yè)的青睞。數控機床開始被廣泛應用于各行業(yè)，尤其在航空制造業(yè)中的應用，已經到了不可或缺的地步。在實際應用中難免會存在這樣那樣的故障，與產品聯系最緊密的莫過于機床加工精度的異常問題。

在生產中經常會遇到操作人員反映數控機床加工精度異常，此類問題也時常困擾著生產車間的正常生產，這類問題產生的原因眾多，隱蔽性強，診斷難度大，導致此類問題的原因主要有幾個方面，一般可從機械，電氣和加工3個方面分析。

一、機械方面

機床絲杠螺母，軸承預緊力，導軌間隙等調整不當。機械傳動部件故障，如絲杠，軸承，聯軸器等部件異常。機床的主要部件磨損導致運動精度損失（如幾何精度，定位精度，重復定位精度等）。機床產生的熱變形。機床地基和水平不符合要求。機床修理后的調整不當。

二、電氣方面

機床進給單位被改動或變化，機床各軸的零點偏置異常。運動執(zhí)行部件狀態(tài)異常。電氣及伺服驅動控制部分異常。機床位置環(huán)和速度環(huán)異常。參數設置不合理，（如反向間隙，加減允差，伺服增益等）。機床接地要求不符合規(guī)范，無平屏蔽措施，抗干擾能力差。電氣控制伺服驅動部件故障。

三、加工方面

加工工藝不合理（工裝，刀具，工藝方法等的選擇不當）。編程方法不正確（編程路線，工件零點等的選擇。）加工參數不正確（加工余量，主軸轉速，坐標進給等的選擇）。刀具的磨損，對刀不準，零點偏置異常，坐標點計算錯誤，刀補值輸入錯誤，工裝固定不牢等。此外，加工程序的編制，刀具的測量及其他人為因素，也可能導致加工精度異常。

出現這類問題一般有2種情況。一種是有規(guī)律可循的，如刀具磨損，對刀不準，零點偏置異常，尺寸單位被轉換等加工方面的原因引起的精度異常，只要操作，編程，工藝人員不斷提高自己的業(yè)務水平，加強彼此之間的合作，端正對工作的態(tài)度，這類問題就會逐漸消失。另一種是隨機的，沒有規(guī)律性。比如尺寸和形狀誤差變化毫無規(guī)律，這類故障的原因隱蔽性很強，解決難度大，在原因不清或判斷錯誤的情況下動手，弄不好會使機床故障擴大或廢品率更高，甚至停產。所以解決機床隨機性故障引起的加工精度異常問題，是今后工作的重點，也是維修人員技能提高的重要方向。根據幾個典型例子，來分析引起精度異常問題產生的原因和處理方法。

1.機械傳動部件故障導致的加工精度異常

一臺寧江機床廠生產的THM6350臥式加工中心，采用FAGOR8055數控系統(tǒng)。一次在洗削殼體的過程中，突然發(fā)現Z軸進給異常，造成至少1 mm的切削誤差量（過切）。通過調查了解到故障是突然發(fā)生的，機床在點動，MDI操作模式下各軸進給正常，且回參考點正常，無任何報警提示，電氣控制部分硬件的故障可能性排除。經過分析，對以下幾方面進行檢查。

（1）檢查機床精度異常時正在運行的加工程序段，特別是刀具長度的補償，加工坐標系（G54-G59）的校對及計算。

（2）在點動方式下，反復運動Z軸，經過視覺，觸覺和聽覺對其運動狀態(tài)診斷發(fā)現Z向運動聲音異常，特別是快速點動，噪聲更加明顯，由此判斷機械方面可能存在隱患。

（3）檢查機床Z軸精度，用手搖脈沖發(fā)生器（以下簡稱手脈）移動Z軸（將手脈倍率定位1×100擋，即每變化一步，電機進給0.1 mm），配合百分表觀察Z軸的運動情況，在單向運動精度保持正常后作為起始點的正向運動，手脈每變化一步，機床Z軸運動的實際距離d=d1=d2=d3…=0.1 mm,說明電機運動良好，定位精度良好，而反映到機床實際運動位移量的變化上，可以分為4個階段。一是機床運動距離d1>d=0.1 mm。二是表現為電機進給d-0.1 mm>d2>d3。三是機床機構實際未移動，表現為最標準的反向間隙。機床運動距離與手脈給定值相等（斜率等于1），恢復到機床正常運動，無論怎樣對反向間隙進行補償，其表現特征是：除第三階段能夠補償外，其他各段變化仍然存在，特別是第一階段嚴重影響到機床的加工精度。補償中發(fā)現，間隙補償越大，d1的移動距離也越大。

分析上述檢查過程，認為可能原因：一是電機有異常，二是機械方面有故障，三是存在一定的間隙。為了進一步診斷故障，將電機和絲杠完全脫開，分別對電機和機械部分進行檢查。電機運行正常，在對機械部分診斷中發(fā)現，用手盤絲杠時，返回運動初始有非常明顯的空缺感，而正常情況下應能感覺到軸承有序而平滑的移動。經拆檢發(fā)現其軸承確已受損，且有一顆滾珠脫落，更換后機床恢復正常。

2.機床熱變形引起的精度故障

一臺德國DMG公司生產的MH800C，在成產加工過程中，加工一段時間后零件就開始出現尺寸不穩(wěn)定現象（無其他故障），嚴重影響到正常生產。

分析認為：故障原因可能有3種，一是機械部分的磨損，聯接件有松動，檢查各軸反向間隙及皮帶傳動部位的連接，發(fā)現的確有間隙存在，但傳動部位的連接很牢靠，將反向間隙補償到個坐標軸中，讓機床運轉試加工，問題依然存在，說明此故障與反向間隙沒有多大關系。另一種可能是驅動系統(tǒng)受到外部信號干擾造成的，檢查各控制部分接地是否良好，屏蔽裝置是否有效，均沒有發(fā)現任何問題，應該不是電氣控制原因造成的該故障。那么只有一種可能就是在加工過程中，機床發(fā)生了變形，檢查機床各地腳是否牢靠，沒有發(fā)現任何問題。在工作臺上架一塊百分表，讓機床試運行，0.5 h檢測一次同一位置的變化情況，經過幾個小時的試驗，發(fā)現每次檢測時，坐標位置雖然顯示一致，但實際位置卻發(fā)生了較大變化，而隨著主軸溫度的升高，變化值都會增加一點，讓機床主軸逐漸冷卻，就會發(fā)現檢測值逐漸恢復到起始狀態(tài)，說明坐標點的漂移，的確是由于溫度的變化引起的。這樣可以根據坐標值隨溫度變化的規(guī)律，將漂移值補償到計算機當中，在機床執(zhí)行加工程序時會根據坐標值隨溫度的變化自動執(zhí)行補償文件。做完這些，再執(zhí)行加工程序，工件的尺寸就穩(wěn)定下來了。

3.機床地基和水平不符合要求引起的加工精度異常

公司一臺德國DMG公司生產的雙工作區(qū)，雙工作臺，立式加工中心DMU70VL，由于工藝布局的需要，從一個廠房搬遷到另一個廠房，但不久就出現產品加工中X軸方向總是超差的問題。經過長時間的探討分析，認為問題產生的原因有3點。

（1）X軸的傳動聯接部件有松動，檢查沒有發(fā)現任何問題。X軸絲杠副間隙過大或絲杠軸向有竄動，檢查絲杠副間隙，一切正常，檢查絲杠兩端背冒，無松動現象，松開重新預緊，故障依然存在。

（2）熱變形問題，檢查中測量溫度變化很均勻，且主軸溫度一直保持在38度左右的穩(wěn)定狀態(tài)，而且熱變形引起的變形不會只體現在一個坐標上，排除熱變形原因。

（3）X軸本身變形，由于X軸的長度將近3 m，所以對水平的要求比其他機床高一些。檢查機床所有地腳螺釘的緊固情況，并重新調整機床水平。問題得到了一些緩解，可沒過幾天同樣的問題又出現了。檢查調整過的水平，同樣發(fā)生了變化，這說明機床水平不穩(wěn)定，重新調整，過幾天又出現同樣的問題，而且是向同一方向傾斜，用千分表檢測X軸絲杠，發(fā)現有彎曲現象，通過反復試驗，判斷機床地基存在問題，處于試驗的目的，將機床移開，發(fā)現地面已經塌陷了一個小坑，說明地基的確存在問題，由于地基的變化而引起了機床的變形，導致X軸絲杠彎曲。將機床重新移回原來的廠房，一切恢復正常。

4.機床電氣參數更改引起的精度異常

一臺大河機床廠生產的V600C數控立式加工中心，配置FANUC0-M數控系統(tǒng)，在加工過程中發(fā)現X軸精度異常，檢查發(fā)現X軸存在一定的間隙，且電機啟動時存在不穩(wěn)定現象，用手觸摸X軸電機時感覺電機抖動比較嚴重，啟停時不太明顯，JOG方式下較明顯。

分析認為：故障原因有2點，一是機械反向間隙較大，二是X軸電機本身工作異常，首先對存在的機械反向間隙進行補償，可故障現象依然存在，說明與反向間隙無關，緊接著利用FANUC系統(tǒng)的參數功能，對電機進行調試，調整伺服增益參數及脈沖功能參數，X軸電機的抖動消除，機床加工精度恢復正常。

5.系統(tǒng)參數發(fā)生變化或改動

系統(tǒng)參數主要包括機床進給單位，零點偏置，反向間隙等。例如SIEMENS，FANUC數控系統(tǒng)，其進給單位有公制和英制2種，公司有一臺美國哈挺公司生產的CS-GT儀表車床，操作工人在加工英制螺紋時，將進給單位改為英制，但加工完成后并沒有及時改回公制單位且未對下一班作任何交代，造成另一班的工人加工出廢品，機床修理過程中某些處理（修改單位，零點偏置，反向間隙等）常常影響到零件尺寸的變化，因此故障處理完畢應作適時調整和修改，另一方面，由于機械磨損嚴重或連接松動也可能造成參數實測值得變化，需對參數做相應的修改才能滿足機床加工精度的要求。

6.保養(yǎng)不善引起的精度異常

公司有多臺經濟型數控車床J1CK6146，在加工過程中都出現過徑向（X方向）或橫向（Z方向）尺寸無規(guī)律，偶熱有超差現象。

通過調查了解到，這些數控車床所加工的產品公差帶比較寬，在0.03～0.05 mm，正常加工時尺寸波動范圍一般在0.005～0.025 mm，所以極少出現超差現象。說明機床可能存在精度功能性故障，通過對產品全程跟蹤檢查，發(fā)現除超差的廢品外，其余合各尺寸波動范圍也比正常時大。

（1）X軸與伺服電機連接端軸承由于存在潤滑不到位的缺陷，人工潤滑時有時無，使用冷卻液容易破壞潤滑油膜導致軸承滾珠變形甚至嚴重磨損，當切削力通過絲杠副傳到軸承時，由于磨損或變形不規(guī)則，導致刀架橫向竄動量不一，定位精度多大，更換軸承后一切正常。

（2）滾珠絲杠副磨損不均勻。滾珠絲杠副磨損不均勻，在切削力作用下會使刀架定位精度差，對絲杠螺母副預緊或采用間隙補償，是不能解決由此引起的超差故障的，必須更換絲杠螺母。

（3）X軸托板導軌面或斜鐵磨損不均勻。X軸托板導軌面和斜鐵磨損不均勻，機床運動特性差，各處摩擦阻力不等，在切削力作用下致使刀架移動松緊不一，定位精度變差，由這類引發(fā)的尺寸超差通過調整是無法消除的，只有恢復導軌精度才能徹底解決。

（4）刀架定位銷或孔嚴重磨損。由于刀架定位銷或孔磨損，回轉刀架每次定位位置就不唯一，通過夾緊刀架就保持在定位位置上，由此引發(fā)加工尺寸波動，更換磨損件。

（5）機床導軌潤滑不良或運動過程中鐵削進入靜導軌副之間，機床導軌潤滑不良或由于刮削板失效，鐵銷進入靜導軌副之間，導致摩擦阻力過大而不均勻，機床運動特性變差。

通過以上的案例不難看出，對于數控機床加工精度異常的問題，需要維修人員在實際工作中不斷的總結和歸納，才能又好又快的解決實際中存在的問題。當然對于這類隨機性比較強的精度異常問題，由于其隱蔽性較強，診斷難度大，處理起來要特別仔細，有一點想不到，可能就無法解決存在的問題。所以當出現隨機性精度異常問題時，先不要急于動手。應向操作者或檢驗員了解設備出現廢品前的加工情況，并收集設備加工產品檢驗數據。有的關鍵工序設備還有產品質控圖，認真分析加工尺寸趨勢的變化，看波動范圍是否正常。這里有2種情況。一是波動范圍正常，僅尺寸超差的異常，一般先不理會，但要注意尺寸走向趨勢。另一種是波動范圍就不正常，尺寸超差是波動范圍不正常的必然發(fā)展結果，這就要找出原因并給予排除。

7.預防精度異常涉及的其他問題

首先，要把好采購和安裝質量關，機床本身如果存在先天性缺陷，如結構剛性差，制造裝配質量差，由它引起的精度異常是很難排除的。設備安裝應嚴格按照說明書的要求進行，地基必須結實牢靠，防振，承重符合要求。機床接地應規(guī)范，電氣柜內動力線和信號線要分開走線，間距符合要求，以提高機床抗干擾能力。

其次，認真執(zhí)行設備維護保養(yǎng)制度，引起精度異常的主要原因是：機床保養(yǎng)不到位，機床導軌，滾珠絲杠副，分度工作臺，回轉刀架，主軸旋轉等關鍵部件潤滑不良，磨損，松動等造成運動精度下降，另外不合理的使用機床，經常超負荷切削，超規(guī)定速度移動部件，也是引起精度異常的原因之一。

再次，提高操作者的熟練程度和責任心。操作者的責任心不強，對機床不熟悉，操作不熟練，會經常出現刀具撞擊機床而損壞主軸或刀架，破壞工作臺或導軌，引起機床精度損失，這都會使隨機性精度異常故障率提高，有時即使原因清楚也很難恢復精度。

最后，提高維修人員的技能水平。實際工作中經常發(fā)現由于維修調整，修理不當引起的設備精度故障擴大或修理質量不高的現象，所以，提高維修人員的技能非常重要。