KV800型立式數(shù)控銑床誤差分析及其補(bǔ)償*

蒙林濤，方　輝，殷國(guó)富

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都　610065)

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KV800型立式數(shù)控銑床誤差分析及其補(bǔ)償*

蒙林濤，方輝，殷國(guó)富

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065)

摘要：機(jī)床的加工精度是判斷機(jī)床工作性能的重要指標(biāo)。機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間使用之后，由于熱變形、零部件結(jié)構(gòu)變化、切削應(yīng)力變化、刀具磨損等原因的綜合影響會(huì)造成機(jī)床產(chǎn)生熱誤差、幾何誤差、運(yùn)動(dòng)誤差等不同類型的誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致機(jī)床加工精度的波動(dòng)，進(jìn)而影響零件的制造質(zhì)量。針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中機(jī)床加工精度的波動(dòng)問(wèn)題，以KV800型立式銑床為對(duì)象，通過(guò)分析實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)的誤差波動(dòng)現(xiàn)象和產(chǎn)生原因，確定了該機(jī)床絲桿、軸承等傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差。在綜合考慮各方面因素后，提出一種在不更換傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的情況下設(shè)計(jì)合適的間隙補(bǔ)償塊來(lái)補(bǔ)償機(jī)床系統(tǒng)誤差的方法。實(shí)驗(yàn)證明效果較好，以較低的成本解決了該機(jī)床的誤差問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：立式銑床；加工精度；誤差分析

0引言

在如今的生產(chǎn)加工中，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為了不可或缺的重要加工手段。而數(shù)控機(jī)床加工與傳統(tǒng)機(jī)床相比較最重要的優(yōu)勢(shì)之一就是其加工精度[1-2]較高。但是在使用過(guò)程中由于各種因素的綜合影響，數(shù)控機(jī)床可能會(huì)出現(xiàn)加工誤差的波動(dòng)，使機(jī)床加工的產(chǎn)品零部件不能達(dá)到需要的精度要求，從而影響整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，保持?jǐn)?shù)控機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的重要課題。國(guó)內(nèi)外針對(duì)提高機(jī)床精度穩(wěn)定性這一問(wèn)題進(jìn)行了多年的研究，目前常用的基本方法有兩類：誤差防止和誤差補(bǔ)償。其中在誤差補(bǔ)償方面，現(xiàn)有的誤差補(bǔ)償技術(shù)主要包括了硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種[3-5]。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)外的誤差補(bǔ)償研究更多地集中在基于后置處理結(jié)果改變數(shù)控加工程序上，即基于軟件補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床誤差補(bǔ)償方法。這種方法具有成本低廉、可以在不改變現(xiàn)有機(jī)床精度的情況下有效的延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。但某些誤差，如非線性特征以及不確定性誤差，通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾y度很大，難以滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)加工精度穩(wěn)定性的要求。本文針對(duì)一臺(tái)KV800型立式銑床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的特定誤差，采用硬件補(bǔ)償方法，通過(guò)誤差分析，采取了相應(yīng)的硬件改進(jìn)措施，通過(guò)較小的結(jié)構(gòu)改進(jìn)成本，將加工誤差修正到了可接受的范圍。

1機(jī)床誤差類型及產(chǎn)生因素

機(jī)床加工工件的過(guò)程中，各種誤差源(如表1所示)都會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度穩(wěn)定性產(chǎn)生特定的影響。從而使得實(shí)際加工軌跡與理想軌跡發(fā)生偏離，這就產(chǎn)生了加工誤差。這些誤差根據(jù)誤差產(chǎn)生原因可分為：

幾何誤差[6-7]：由于機(jī)床原始的制造、裝配存在缺陷造成的誤差，這種誤差是機(jī)床固有的誤差。對(duì)機(jī)床的重復(fù)精度和運(yùn)動(dòng)精度都有影響，能夠直接測(cè)量，但測(cè)量結(jié)果會(huì)受其他因素影響。

熱誤差[7-8]：機(jī)床運(yùn)行時(shí)由于溫度變化引起熱變形而造成的誤差。由于其特征為非線性特征，所以非常難以測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)誤差：機(jī)床到達(dá)準(zhǔn)確位置能力的一種體現(xiàn)。機(jī)床的齒輪、軸承、電機(jī)等都會(huì)影響運(yùn)動(dòng)誤差。幾何誤差與運(yùn)動(dòng)誤差存在密切聯(lián)系[3]。

表1　數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生因素

2機(jī)床誤差現(xiàn)象及數(shù)據(jù)收集

被測(cè)對(duì)象KV 800型立式數(shù)控銑床主要用于加工圓孔和長(zhǎng)槽。某企業(yè)具有長(zhǎng)期使用該型機(jī)床的加工經(jīng)驗(yàn)，近期使用中出現(xiàn)一項(xiàng)故障，加工出來(lái)的圓孔存在較為明顯的誤差，且用手觸摸可感覺(jué)到圓孔在機(jī)床X軸方向表面存在一處明顯起伏(如圖1所示)。針對(duì)機(jī)床圓孔加工結(jié)果進(jìn)行測(cè)量(X、X45、X-45、Y四個(gè)方向，具體方向見(jiàn)圖2)，測(cè)量結(jié)果如表2、圖3所示。

圖1　機(jī)床加工圓實(shí)物圖

圖2　測(cè)量方向示意圖

輸入值實(shí)測(cè)長(zhǎng)度?/mmX/mmX方向誤差/mmY/mmY方向誤差/mm30.0029.92-0.0829.80-0.2060.0059.62-0.3859.90-0.10120.00119.54-0.46119.84-0.16輸入值實(shí)測(cè)長(zhǎng)度?/mmX45/mmX45方向誤差/mmX-45/mmX45方向誤差/mm30.0030.240.2429.58-0.4260.0060.200.2059.60-0.40120.00120.040.04119.52-0.48

圖3　機(jī)床加工圓孔平均誤差統(tǒng)計(jì)圖

由表2、圖3中的數(shù)據(jù)可以清晰的看出該機(jī)床在銑孔的時(shí)候在不同的方向測(cè)量出的誤差值并不相同，而且可以看出該誤差并不是按比例增加。

為了進(jìn)一步探究誤差產(chǎn)生原因。我們決定單獨(dú)加工X向的長(zhǎng)槽測(cè)量其誤差。其加工過(guò)程如圖4所示，結(jié)果如表3、圖5所示。

圖4　機(jī)床加工長(zhǎng)槽實(shí)物圖

輸入長(zhǎng)度(mm)實(shí)測(cè)長(zhǎng)度(mm)誤差(mm)平均誤差(mm)刀具半徑(mm)50.0049.65-0.3549.65-0.3549.64-0.36-0.355.005.005.00100.0099.80-0.2099.72-0.2899.74-0.26-0.255.005.005.00200.00199.75-0.25199.73-0.27799.77-0.23-0.255.005.005.00300.00299.73-0.27299.71-0.29299.67-0.33-0.305.005.005.00

圖5　加工x方向長(zhǎng)槽

3誤差產(chǎn)生原因分析

3.1刀具補(bǔ)償半徑和刀具路徑設(shè)置不當(dāng)

由于加工刀具本身具有一定尺寸，在加工時(shí)必須要設(shè)置刀具補(bǔ)償以減小誤差。如果刀具補(bǔ)償設(shè)置不合理就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[9-10]。但這樣的產(chǎn)生的誤差不會(huì)使加工出來(lái)的圓孔在四個(gè)方向產(chǎn)生不一樣的誤差，基本可以排除該種可能。

3.2工件裝夾產(chǎn)生誤差

工件在加工前，須裝夾穩(wěn)固，確保工件在加工過(guò)程中不會(huì)因外力發(fā)生位置變化和振動(dòng)，影響加工的精度。但是，在實(shí)際加工時(shí)，會(huì)因?yàn)閵A持位置、重力、支撐物等原因，使工件的實(shí)際位置達(dá)不到預(yù)想的要求。

對(duì)于這種可能性我們調(diào)研了工件裝夾方式，確認(rèn)該機(jī)床裝夾方式?jīng)]有問(wèn)題，同時(shí)之前的加工一直采用該種裝夾方法(具體裝夾方式如圖6所示)，之前并未出現(xiàn)該種誤差。因此該種可能可以排除。

圖6　工件裝夾實(shí)物圖

3.3熱誤差

數(shù)控機(jī)床熱誤差是指：機(jī)床熱變形致使機(jī)床按某種操作規(guī)程指令所產(chǎn)生的實(shí)際響應(yīng)與該操作規(guī)程所預(yù)期產(chǎn)生的響應(yīng)之間的差異。機(jī)床熱誤差的主要影響因素是內(nèi)部熱源，各種發(fā)熱元件包括電動(dòng)機(jī)、摩擦運(yùn)動(dòng)副和切削熱等[11]。其中，摩擦運(yùn)動(dòng)副如齒輪、軸承等的發(fā)熱影響最大。而該機(jī)床在加工圖4所示的長(zhǎng)槽時(shí)的時(shí)候處于剛剛開(kāi)機(jī)的狀態(tài)，同時(shí)在連續(xù)加工長(zhǎng)度為50mm、100mm、200mm、300mm的長(zhǎng)槽時(shí)誤差并未出現(xiàn)較大波動(dòng)，由此可推斷不是熱誤差。

3.4磨損、變形產(chǎn)生誤差

由于該數(shù)控銑床已經(jīng)使用多年，絲杠、軸承等關(guān)鍵部件可能由于長(zhǎng)期受力，造成間隙過(guò)大、磨損、變形等問(wèn)題，從而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，由于誤差并沒(méi)有隨著長(zhǎng)槽變長(zhǎng)而增加，同時(shí)誤差比較穩(wěn)定，基本可以排除軟件產(chǎn)生誤差的可能性，可初步判斷該誤差產(chǎn)生原因?yàn)橄到y(tǒng)誤差。這也與加工圓時(shí)各個(gè)方向測(cè)得直徑差異較大相吻合。該誤差如何消除需要進(jìn)一步研究。

4解決方案

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)與分析，我們可以初步判斷該誤差為系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因有很多種，可能是絲杠、軸承等關(guān)鍵部件由于長(zhǎng)期受力，造成間隙過(guò)大、磨損、變形等問(wèn)題。但更換絲杠、軸承等部件十分麻煩，而且成本過(guò)高，因而通過(guò)其他技術(shù)手段來(lái)解決這一問(wèn)題，對(duì)于降低維護(hù)成本具有現(xiàn)實(shí)意義。

4.1通過(guò)程序補(bǔ)償

通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是低成本高效率的解決方案，但該誤差不僅僅是X軸的單向誤差，通過(guò)加工孔的圖形及數(shù)據(jù)可以看出，刀具在不同方向都有著不同的誤差，而且出現(xiàn)凸起，其原因很可能是刀具運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)。上述現(xiàn)象表明單純通過(guò)程序補(bǔ)償來(lái)解決該誤差難以實(shí)現(xiàn)。

4.2調(diào)整相關(guān)零件

在機(jī)床安裝時(shí)會(huì)有一些調(diào)整裝置來(lái)調(diào)整絲杠、軸承誤差，軸承預(yù)緊力等。其中間隙補(bǔ)償塊(如圖7、圖8所示)就是用來(lái)調(diào)整軸承預(yù)緊力的裝置。

圖7　拆卸間隙補(bǔ)償塊

圖8　間隙補(bǔ)償塊實(shí)物圖

4.2.1增加墊片

現(xiàn)用厚度為0.84mm的銅片加工出如圖8所示形狀的間隙補(bǔ)償塊墊片(如圖9所示)，并將此墊片裝入機(jī)床。在進(jìn)行加工后得到數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

圖9　墊片實(shí)物圖

輸入長(zhǎng)度(mm)實(shí)測(cè)長(zhǎng)度(mm)誤差(mm)平均誤差(mm)刀具半徑(mm)100.00100.020.02100.040.04100.020.020.265.005.005.00

表5　加墊片后加工圓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)可看出，該調(diào)整方案收到了明顯的效果。但由于該墊片并不能長(zhǎng)期使用，所以我們將更換一塊較厚的間隙補(bǔ)償塊。

4.2.2首次更換

經(jīng)過(guò)測(cè)量的原止動(dòng)補(bǔ)償塊厚度為4.58mm，所以新間隙補(bǔ)償塊厚度暫定為5.32mm。但再次加工長(zhǎng)槽后測(cè)量誤差為+0.30mm。顯然新的補(bǔ)償塊太厚了。

4.2.3再次更換

經(jīng)過(guò)討論決定將止動(dòng)墊片磨去0.15mm及將其磨至5.17mm。

再次加工，如圖10所示。

圖10　加工長(zhǎng)槽、圓和正方形實(shí)物圖

測(cè)量后數(shù)據(jù)如表6、表7、表8所示。

表6　更換補(bǔ)償塊后只加工x方向測(cè)量數(shù)據(jù)

表7　更換補(bǔ)償塊后只加圓測(cè)量數(shù)據(jù)

表8　更換補(bǔ)償塊后加工長(zhǎng)方體測(cè)量數(shù)據(jù)

我們分別取X=100mm的x向長(zhǎng)槽和φ=60mm的圓在加工前后的誤差進(jìn)行對(duì)比(如表9所示)，數(shù)據(jù)顯示修正后誤差顯著減少。

表9　修正前后誤差測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

5結(jié)論

本文介紹了某工廠中一臺(tái)KV800型立式銑床，在實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)加工誤差波動(dòng)的問(wèn)題。通過(guò)分析確定了誤差產(chǎn)生原因。最終通過(guò)硬補(bǔ)償?shù)姆绞接行У慕鉀Q了這一問(wèn)題。由此可得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、對(duì)比和分析，挖掘出加工誤差產(chǎn)生的原因。

(2)通過(guò)對(duì)比分析，得出該機(jī)床加工誤差為系統(tǒng)誤差，根據(jù)相關(guān)工作狀態(tài)推斷，可能是由于絲桿、軸承等關(guān)鍵零部件出現(xiàn)了某種變形，導(dǎo)致產(chǎn)生該誤差。但在綜合考慮成本、生產(chǎn)效率和加工效果等各方面因素后，在未更換絲桿、軸承等關(guān)鍵部件的條件下，通過(guò)修正機(jī)床間隙補(bǔ)償塊的厚度，采取硬件補(bǔ)償?shù)姆绞?，以極低的成本解決了這一問(wèn)題。

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(編輯趙蓉)

Analysis of KV800 Vertical CNC Milling Machine Error and Hard Compensation

MENG Lin-tao, FANG Hui, YIN Guo-fu

(Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

Abstract：Machining accuracy of machine tools is an important index which judges the working performance of machine tools. It would lead to errors after a long time use of a machine tool that thermal deformation, structure change of parts, change of cutting stress, tool wear and other factors. Such as thermal error, geometric error, motion error and so on. These errors would change machining accuracy, so the quality of product would be influenced. This paper concentrated on the undulance of machining accuracy in manufacturing. By Taking KV800 vertical milling machine as an instance and through analyzing the error undulance as well as its courses, this paper found the systematic error in parts of transmission system such as silk pole and bearing. Under the integrated considering of many items, this paper came up with a new method to compensate the systematic error of machine tools by designing a suitable block with clearance compensation which can ensure the parts of transmission system unchanged. Experimental results showed the effect is better, with a relatively low cost to solve the problem of the error of the machine tool.

Key words：vertical milling machine; machining accuracy ; error analysis

中圖分類號(hào)：TH164;TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：蒙林濤(1992—)，男，四川南充人，四川大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，(E-mail)635620649@qq.com；通訊作者：方輝(1973—)，男，湖南岳陽(yáng)人，四川大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)榫苤圃旒夹g(shù)與設(shè)備、數(shù)控加工裝備精度分析與誤差補(bǔ)償，(E-mail)jfh@scu.edu.cn。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51175356);四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZ0119)

收稿日期：2015-02-06；修回日期：2015-03-16

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0070-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.019