數控機床加工精度異常的診斷處理與預防

當前，數控機床在生產制造行業得以普遍應用。以航空制造業為例，生產活動離不開數控機床。在實際應用中，機床可能發生多種多樣的故障，其中加工精度異常是為常見的問題。在生產活動中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿足設計標準要求，直接影響車間正常的生產計劃。本文結合實際案例，探討加工精度異常的形成原因，提出相應的診斷處理和預防方法。
1　數控機床加工精度異常的常見原因
1.1　機械傳動部件故障
THM6350臥式加工中心，由寧江機床廠生產，數控系統采用FAGOR8055。機床在銑削殼體時，Z軸進給異常造成過切，切削誤差量為1mm?，F場調查發現，故障具有突發性，進給軸處于點動模式、MDI模式，能夠正常進給，而且能正?；氐絽⒖键c，不存在報警信息，因此電氣硬件故障可以排除。故障檢查包括以下幾點：
（1）機床精度異常時的加工程序段，以刀具的長度補償為重點，對加工時設定的坐標系進行再次計算，以檢驗準確性。
（2）處于點動模式下，對Z軸進行多次運動，此時聽見Z軸出現異常聲響，快速點動狀態下，這個噪聲更大，可以確定是機械系統出現故障。
（3）檢查Z軸的運動精度，輔助應用手搖脈沖發生器，對Z軸進行移動，將手脈倍率定位為1×100擋，輔助利用百分表，分析Z軸的運動是否正常。首先確定運動精度滿足要求，然后朝著正向進行運動，在手脈變化的同時，Z軸運動距離始終為0.1mm，可見電機正常運動，定位滿足精度要求。
反映到機床的運動位移量上，包括以下四個階段：階段，機床運動距離d1＞d=0.1mm；第二階段，電機進給量d-0.1mm＞d2＞d3；第三階段，機床機構沒有發生實質性的移動，表現為反向間隙；第四階段，機床的運動距離與手脈的給定值數值相等。說明機床運動正常，此時補償反向間隙，表現出以下特征：第三階段能補償，、二、四階段依然存在問題。其中，階段為嚴重，加工精度偏差明顯增大。分析補償過程可見，隨著間隙補償的增大，d1的移動距離也隨之增大，兩者具有正相關性。
檢查分析后，認為故障原因包括：電機運行故障，機械系統出現故障，系統內部的部件有間隙。
為了確定故障部位和原因，打開電機、脫離絲杠，針對各個部件進行檢查。當電機正常運轉時，手盤絲杠的返回運動明顯空缺，能感到軸承有序、平滑移動。拆開后發現，軸承發生損壞，其中一顆滾珠脫落。對此，重新更換軸承后，機床恢復正常運行，加工精度滿足標準要求。
1.2　機床熱變形
MH800C機床，由德國DMG公司生產，批量加工時零件尺寸不穩定，影響正常的生產活動?，F場調查認為故障原因可能如下：
（1）機械部件磨損導致連接松動。檢查各軸反向間隙發現間隙過大，傳動皮帶的連接緊密。將反向間隙補償到坐標軸，機床重新運行發現故障依然存在，可以排除這一原因。
（2）驅動系統受外部干擾。經檢查發現接地良好，屏蔽裝置有效，可以排除這一原因。
（3）加工過程中機床發生變形。檢查顯示各個地腳牢固，沒有出現問題。
對此，終懷疑是熱變形引起的。為了進一步明確故障原因，輔助利用百分表，在機床試運行的同時進行檢測，結果發現檢測時的位置坐標一致，但實際位置發生明顯變化；而且隨著主軸溫度的升高，其變化值也在加大；當主軸冷卻以后，檢測值慢慢恢復正常。由此可見，故障原因是溫度變化引起的坐標點漂移，處理方法是將漂移值補償到程序中。如此，機床運行時，加工精度得以保證，工件尺寸滿足加工要求。
1.3　機床地基和水平不符合要求
DMU70VL立式加工中心，由德國DMG公司生產。為了滿足工藝需要，機床更換了廠房，但運行期間X軸方向出現超差?，F場調查后認為故障原因可能如下：
（1）X軸的傳動部件松動。例如，絲杠間隙增大，或者絲杠出現軸向竄動。檢查分析后，發現間隙滿足標準，絲杠兩端也沒有松動現象，重新擰緊后，故障沒有解除。
（2）熱變形問題。觀察溫度表顯示溫度均勻變化，主軸溫度處于38℃左右；結合以往實踐，由熱變形引起的故障不會只有一個坐標軸出現問題，因此可以排除。
（3）X軸自身變形?？紤]到X軸長度約為3m，因此水平要求高，首先檢查地腳螺釘，調整機床的水平位置，結果顯示精度差異明顯減小，但一段時間后問題再次出現。為了進一步明確故障原因，輔助利用千分表檢測X軸絲杠，結果發現發生彎曲，終確定是機床地基問題。移開機床發現地面塌陷，將機床移回原來的廠房，結果運行恢復正常。
1.4　機床電氣參數更改
V600V數控立式加工中心，由大河機床上生產，控制系統采用FANUC0-M。加工運行期間，X軸間隙增大，電機在啟動時穩定性不足。操作人員觸摸電機時，發現電機出現抖動，處于IOB模式下的抖動更加劇烈。調查分析后，認為故障原因如下：反向間隙過大；X軸電機出現問題。具體檢查時，首先，補償反向間隙，結果故障沒有解除，因此可以排除這一故障；然后，借助于FANUC系統的參數功能，調試電機的伺服增益參數、脈沖功能參數，結果電機抖動現象消除，加工精度滿足生產要求。
1.5　系統參數變化或改動
在數控機床中，系統參數主要包括進給單位、反向間隙、零點偏置等。SIEMENS系統或FANUC系統是數控機床常用的控制系統，在進給單位上分為公制、英制兩種類型。我公司內的CS-GT儀表車床由美國哈挺公司生產，操作人員加工英制螺紋時，首先將進給單位調整為英制，在加工作業完成后，沒有將其改回公制單位；而且和下一班組操作人員溝通不暢，結果導致后期加工的元件不滿足精度要求，甚至出現廢品。此外，機床在修理過程中，因為零點偏置、反向間隙、單位修改等，改變了零件的尺寸，修理完成后卻沒有及時調整相應的參數。機床隨著應用時間的延長，部件之間磨損加大，連接部位也會發生松動，這也會導致參數測量值變化，應該進行相應調整，以滿足加工精度要求。
1.6　保養管理不善
公司內的多臺JICK6116經濟性數控車床在工作運行過程中，橫向尺寸或徑向尺寸出現超差。調查分析后，發現問題在于加工產品的公差帶較寬，多在0.03～0.08mm之間，正常范圍則在0.005～0.025mm之間。對比可見，這些車床在加工中，存在精度異常故障。采用跟蹤檢查的形式，結果發現除了超差廢品以外，合格產品的尺寸波動范圍滿足要求。對此，分析認為故障原因可能如下：
（1）X軸、伺服電機連接端承的潤滑不到位，尤其是人工潤滑不到位，或者直接使用冷卻液，對潤滑膜造成損害，導致軸承滾珠發生變形、磨損等現象。在絲杠的傳遞作用下，切削力到達軸承后，導致刀架的橫向竄動量大小不一，因此精度超差。對此，更換新的軸承后，故障解除，滿足精度要求。
（2）滾珠絲杠副磨損不均勻，在切削作用下，刀架定位的精度降低，此時單純預緊絲杠螺母或者進行間隙補償，是無法有效解決問題的，必須更換絲杠螺母。
（3）X軸托板的導軌面不均勻，或者斜鐵磨損不均勻，此時機床運行特性變差，由于各個部位的摩阻力不一致，在切削作用下，刀架的移動松緊也不一致，就會降低定位精度。對于這種問題，單純調整尺寸無法解決，應該恢復導軌精度。
（4）刀架的定位銷孔發生嚴重磨損，由于回轉刀架的定位不，加工時的工件尺寸波動，繼而造成精度超差。對此，更換發生磨損的部件即可。
（5）機床導軌潤滑不足，或者運行中鐵銷進入導軌副之間，此時摩擦阻力明顯加大，影響機床的運動穩定性。
實踐證實，因保養管理不善造成的精度異常故障往往具有較強的隱蔽性，由于診斷難度大，要求檢查時必須細致。從診斷處理經驗來看，針對此類問題，首先由操作人員進行查詢，了解設備加工出廢品之前的運行情況，掌握各項產品檢驗數據，以及關鍵工序、產品質控圖等資料。輔助利用工具設備，分析加工尺寸的變化趨勢，看波動范圍是否正常。如果波動范圍正常但尺寸超限，此時可以先不處理，時刻監測尺寸的變化趨勢；如果波動范圍異常且尺寸超差，此時應該及時尋找故障原因，并進行針對性處理。
2　數控機床故障的診斷原則和方法
2.1　診斷原則
針對數控機床故障，診斷原則如下：
（1）先外后內。數控機床的外部包括機械、電氣、液壓等，故障發生后會體現在外部，因此維修人員應該從外向內排查，不要隨意拆卸或啟封，否則會擴大故障范圍、降低設備性能。
（2）先靜后動。數控機床“帶病”運行時，會對其余部件造成損害，因此故障發生后要及時停止運行，進行觀察和檢驗，明確故障部位和原因。如果是破壞性故障，在保障安全的前提下進行通電檢查。
（3）先機械后電氣。機械和電氣密切相關，其中電氣系統控制機械系統，因此發生故障后應該先檢查機械系統，然后檢查電氣系統，以提高維修效率。
2.2　診斷方法
數控機床故障診斷的常用方法如下：
（1）直觀法。采用望聞問切四個步驟，觀察機床故障現象，看報警指示燈、電容器等原件是否變形燒焦，看保護器脫扣情況；詢問操作人員機床運行情況；聽運行噪聲和異常聲響；聞有沒有元件燒焦的味道；觸摸機床了解發熱、振動等情況。
（2）隔離法。針對可能發生故障的部位進行隔離，逐漸縮小故障范圍。
（3）功能測試法。采用專業軟件和程序，判斷元件的運行性能。
（4）參數檢查法。RAM系統中記錄了設備的運行參數，故障發生后會對參數造成影響，出現參數變動或混亂應檢查這些參數，以判斷故障類型和原因。
（5）同類對調法。使用相同功能的元件代替故障元件，從而明確故障原因。
3　加工精度異常的預防措施
3.1　加強采購管理，提高機床質量
從數控機床本身來看，如果生產質量有缺陷（例如結構剛度低、裝配質量差），運行時就會帶來加工精度異常。對此，設備安裝要嚴格按照說明書，提高地基強度，以滿足承重和抗震要求；科學接地，電氣柜中的動力線、信號線要分開布設，增強機床的抗干擾能力。
3.2　定期開展維修保養工作
分析以往機床加工精度異常的原因，維修保養不到位是一個重要原因，會導致機床導軌、回轉刀架、主軸、分度工作臺等部位的潤滑性差，機床運行期間會增大摩擦和損耗，久而久之造成精度降低。此外，機床操作不合理，存在超負荷運行的情況，也會造成精度異常。
3.3　提高操作人員的技能素質
一方面，要樹立高度責任心，熟練掌握機床的操作流程和技巧，生產過程中觀察機床的運行情況，看有無發生異?，F象，提高加工精度；另一方面，要不斷提升技能水平，企業應該定期開展培訓活動，學習先進的工藝技術，掌握維修技巧和方法，一旦發現異常及時處理，避免出現嚴重故障，將經濟損失降至低。
4　結語
綜上所述，隨著科學技術的發展，數控機床得以在制造行業普遍應用，且獲得行業青睞。本文結合實際案例，從機械傳動部件故障、熱變形、地基和水平不符合要求、電氣參數更改、系統參數變化或改動、保養管理不善等方面，介紹了加工精度異常的原因和處理方法。在企業生產中，只有加強采購管理，定期開展維修保養工作，提高操作人員的技能素質，才能提高加工精度，促進企業可持續發展。