数控机床加工精度异常诊断的处理与预防研讨

2023-02-03陈静

现代制造技术与装备 2023年11期

陈静

（盐城机电高等职业技术学校，盐城 224000）

数控机床加工精度异常的诊断处理与预防在零件生产过程中不可忽视。通过加工精度异常的处理与预防，可确保加工出来的零件尺寸、形状和位置的精准度，提升产品的质量稳定性和一致性；及时发现和修复加工精度异常，减少废品的产生，降低生产成本，提高资源利用率；减少产品返工次数，提高生产效率，改善设备运行状态，降低设备损耗，营造良好的生产作业环境，从而促进企业的可持续发展。因此，具体论述数控机床加工精度的异常原因、诊断与处理方法，落实预防措施的意义重大。

1 机械传动部件发生故障导致精度异常

1.1 故障现象

搭配FAGOR8055 数控系统的THM6350 卧式加工中心在铣削壳体作业时存在精度误差，表现为Z轴进给异常，导致产生至少1 mm 的过切误差。

1.2 异常原因

通过了解生产作业情况发现，这一问题为突发性。在正常工作模式下，该机床的给进值均在正常偏差范围内。调整至参考点位置后，未出现异常报警情况，说明故障原因不在电气控制系统方面。因此，从3 个方面逐一诊断。

第一，加工程序段检查。对发生异常的加工程序段进行检查，主要观察刀具长度的补偿情况以及G54～G59 加工坐标系的计算。如果刀具长度补偿有误或者加工坐标系计算错误，可能会导致加工过程中出现异常。第二，视觉、听觉等方面诊断。在点动模式下，通过反复运动Z轴，观察运动状态特征。特别是在快速点动时，如果存在异常的运动噪声，则机械部件可能存在故障隐患。第三，机床Z轴精度检查。使用手摇脉冲发生器对机床Z轴精度进行检查。通过观察手脉的变化，可以观察机床Z轴的实际运动情况，并总结不同阶段的运动特征。例如，在Z轴正向运动时，每变化一步手脉，机床Z轴实际移动的距离为0.1 mm，说明电机运动和定位精度良好，机床实际运动距离与手脉给定值相等。整个运动过程可以分为4 个阶段。第一阶段，机床运动距离大于0.1 mm。在此阶段，机床Z轴的运动距离超过手脉给定的0.1 mm，此时的斜率为1[1]。第二阶段，电机进给量大于机床运动距离。在此阶段，机床Z轴的运动距离小于手脉给定的0.1 mm。第三阶段，机床机构实际未移动，表现为反向间隙。第四阶段，机床恢复到正常运行。无论如何对反向间隙进行补偿，除了第三阶段能够进行补偿外，其他各阶段的变化仍然存在，特别是第一阶段的变化严重影响机床的加工精度。在补偿过程中发现，间隙补偿越大，机床Z轴的移动距离也越大。

1.3 处理方法

电机运转异常、机械系统出现故障、丝杠存在间隙等均可导致加工系统出现异常。为进一步明确故障，检查电机部分，确认电机运行正常，可以排除电机本身存在异常的可能性。诊断机械部分，轴承是机械部件中承受和传递力量的重要组成部分。由于使用时间长或外部冲击，轴承可能会受损。检查中发现轴承存在空缺感和滚珠脱落问题，表明其已经发生了一定程度的磨损和失效[2]。因此，更换受损的轴承并重新安装，试运行后恢复加工精度。

2 机床出现热变形导致精度异常

2.1 故障现象

MH800C 型数控机床设备，在生产加工时，零部件尺寸的不稳定性存在阶段性特点，除此之外，无其他故障影响到正常施工工序。

2.2 异常原因

第一，对机械部分进行检查，发现存在反向间隙，但经过补偿后并没有解决问题，说明这个故障与反向间隙关系不大。同时，传动部位的连接被确认为良好，排除了机械部分磨损和连接件松动的可能性。第二，对驱动系统进行检查，各控制部分均具有良好的接地处理，且屏蔽装置无异常情况，说明这一故障原因并非电气控制系统的问题。第三，通过排除前两个故障原因并结合既往经验，分析可能加工时存在不同程度机床变形。现场检查机床地脚的稳固性，发现无晃动和接地不良问题。然而，机床变形是一种较隐蔽的问题，需要更专业的检测手段才能准确判断和解决。因此，将百分表置于工作台试运行过程中，发现百分表测量的坐标位置虽然显示为不变，但是实际位置却发生了较大的变化[3]。在观察中发现，主轴温度升高后，变化值增加明显，而冷却后又逐渐恢复。这种现象可能是温度变化导致机床部件的热胀冷缩。随着主轴温度的升高，机床部件会因为热胀而发生微小的变形或伸缩，从而导致坐标点发生漂移。当主轴冷却时，机床部件回到原始状态，坐标点的漂移也会相应恢复。

2.3 处理方法

在机床执行加工程序之前，根据预先建立的温度-坐标漂移关系模型，计算出相应的补偿值，并将补偿值输入机床的控制系统，机床在执行加工程序时会自动根据坐标值随温度变化的规律进行补偿，实现对坐标点的准确控制。再次运行加工程序，加工精度良好。

3 机房地基水平度不符合要求导致精度异常

3.1 故障现象

在移动DMU70VL 型立式加工中心到另一个厂房后，出现X轴方向超差问题。

3.2 异常原因

第一，X轴的传动连接部件松动。长时间的使用可能会导致传动连接部件的磨损或变形，导致松动。再次检查所有锁紧螺栓，并确保被适当紧固，但是故障仍然存在，说明这一故障并非主要原因。第二，存在热变形情况。检查时发现，温度变化具有良好的均匀性，主轴温度始终在38 ℃左右。同时，因为热变形所导致的形变不会仅发生在单一坐标上，所以排除这一原因[4]。第三，机床X轴本身存在形变。该设备的X轴长将近3 m，在生产作业时对水平度要求较高。通过紧固机床的地脚螺栓后，问题有所缓解，但后续问题仍然出现且倾斜方向为相同方向。利用千分表检测设备X轴丝杠后发现，弯曲问题明显存在，通过多次检查，推测原因在于地基基础不平，挪开机床后发现地面存在坑洼缺陷，说明是地基不平导致精度异常。

3.3 处理方法

对地基进行修复，填充和加固塌陷的地面，确保地基的稳定性和平整度。在地基修复完成后，将机床移回原来的厂房，并重新调整。通过紧固所有地脚螺钉，并使用水平仪进行水平调整，确保机床处于稳定的水平状态。机床重新安装调整后，对机床各部分进行细致的质量检验，尤其是X轴丝杠，确保其没有弯曲或其他质量问题。定期进行检测和维护[5]，制订相应的维护计划，包括检查地基的稳定性、紧固螺栓的情况、机床水平状态等，并根据需要进行必要的调整，确保数控机床加工精度良好。

4 机床电气参数发生更改导致精度异常

4.1 故障现象

搭配FANUCO-M 数控系统的V600C 数控立式加工中心，零部件加工作业时存在X轴精度误差。通过检查发现，X轴有间隙存在，设备启动后稳定性差，电机异常抖动，在启停时抖动有所衰减，调整为JOG模式后抖动再次明显。

4.2 异常原因

诊断精度异常原因主要包括2 点：第一，机械反向间隙较大；第二，X轴电机自身工作异常。

4.3 处理方法

针对机械反向间隙较大的问题，确定具体出现故障的机械零件，如传动轴、滑块等，并检查其连接螺栓是否紧固良好。检查机械传动装置是否存在松动、磨损等情况，及时进行维修和更换。经补偿处理后发现故障仍然存在，说明精度异常的形成与反向间隙关联不大。针对X轴电机自身工作异常问题，检查X轴电机的电源供应情况，确保电源稳定并符合要求。在调试电机时，利用FANUC 系统，分别调整伺服增益参数和脉冲功能参数。根据机床的具体型号和使用手册，参考相应的调试流程和参数设置建议调整X轴电机的控制参数。调整后对设备进行试运行，抖动消除且加工精度恢复正常。

5 保养不当导致精度偏差导致精度异常

5.1 故障现象

J1CK6146 型数控车床，在生产加工时存在X轴、Z轴尺寸无规律，偶尔存在精度超差现象。对运行情况予以调查发现，该机床在正常加工作业时存在0.005～0.025 mm 的尺寸波动，并且很少会出现超差问题。然而，在对该机床进行跟踪检查时，发现其他产品的波动范围较正常时大，分析可能为机床本身的问题、刀具磨损、外界干扰等因素影响。

5.2 异常原因

第一，连接X轴和伺服电机的轴承润滑不良，导致轴承在运转过程中出现滚珠变形和严重磨损，进而影响刀架的定位精度。第二，在滚珠丝杠副中，丝杠螺纹带有螺纹槽，滚珠通过滚动在螺纹槽中传递力。第三，X轴托板导轨面或斜铁存在不均匀磨损现象，导致工作台在运动过程中产生较大的摩擦阻力差异，进而影响刀架的移动平稳性和定位精度。调整后未完全解决问题，因为调整只是在局部进行补偿，并无法改善整个导轨系统的运动特性和精度。第四，刀架定位销或孔的严重磨损导致回转刀架无法在每次定位时停留在正确的位置，影响加工精度。第五，机床导轨缺少润滑脂或者在加工时静导轨副中有杂物进入，导致摩擦阻力过大且不均匀，进而影响机床的运动特性，造成加工精度下降。

5.3 处理方法

第一，定期检查润滑油的情况，及时添加和更换润滑油。在使用冷却液时，尽量将其与轴承分开，避免直接接触，以减少对润滑油膜的破坏。发现轴承问题及时更换，以保证刀架的定位精度。通过更换轴承一切正常，刀架横向窜动量得到减小，定位精度提高。第二，由于长时间使用或者使用条件不当，滚珠丝杠副中的螺纹槽和滚珠可能出现磨损或变形，导致定位精度下降。可更换新的螺纹槽和滚珠，恢复正常的装配间隙，从而改善滚珠丝杠副的运行状态，提升刀架的定位精度。第三，对导轨进行检查，确定磨损的程度和位置。对磨损较严重的部分进行修复或更换。采取适当的方法进行磨削或修复，确保导轨的表面平整度和精度。在修复完成后，对导轨进行重新校准，以确保导轨的几何形状和运动特性符合要求。第四，仔细检查刀架定位销和孔的磨损情况，判断是否需要更换磨损的部件。若刀架定位销或孔严重磨损，更换新的部件。新的刀架定位销应与原件尺寸相匹配，以确保定位的准确性和稳定性。更换磨损件后，调整夹紧刀架的力度、调整定位销的尺寸和形状等，确保刀架能够准确地停留在预定的位置。第五，仔细检查机床导轨的润滑系统，确保润滑油或润滑脂的供给充足，润滑系统正常工作，及时清洗、更换润滑油（脂）和维修相应部件。同时，清理导轨表面的铁屑，以确保导轨的运动状态良好。若刮削板失效导致铁屑进入静导轨副之间，及时更换刮削板，恢复机床的正常运行。