一種加工中心的安裝調試技術

肖 瀟

（昆明理工大學城市學院，云南昆明 650051）

隨著經濟技術發展，計算機數字控制機床已成為機械制造行業的主要設備之一。加工中心的安裝調試相比于普通機床其安裝調試技術更為復雜:除了機床的幾何精度以外，還配備更多的機床軸數和外設部件，采用了計算機及自動控制系統和各類測量裝置、傳感器等，機床設備安裝調試工作更復雜。在實際工作中既要掌握共性的技術，也要注意之間的不同，才能做到觸類旁通。

本文介紹了臥式加工中心的安裝、調試技術。該機采用整體式床身、滾柱導軌結構，帶雙交換工作臺和箱式刀庫，刀具水平放置、龍門式換刀結構，換刀采用三軸運動控制的龍門式刀爪進行刀對刀的交換。這種刀庫設計不同于通常鏈式或盤式刀庫結構。因此，機床的調試、調整與其他加工中心有所不同。

1 Nbh170機床的吊裝

機床吊裝的要點有:起吊重量:（1）機床重量和吊機的匹配是安全的第一要點;（2）起吊重心的位置和起吊點位置和吊具的選擇，清楚吊裝設備的方法。

該型機床凈重約19 t，在床身底座上有四個吊耳用于起吊搬運，見圖1。在運輸和包裝上采用了整機形式，為在吊裝時防止吊繩損傷機床，HHD公司提供了吊裝輔具，保證了吊裝過程中吊繩垂直和機床平穩。

2 機床水平調整

加工中心安裝就位首先是調平床身底座。機床要求的水平儀精度為0.01 mm/m。由于刀庫結構的特殊性，水平調整中多了一項刀庫水平調整的要求。Nbh170有四組地腳支撐組件（地腳螺釘），見圖2。

第一組是由6顆直徑為M16帶強力膠（化學地錨）的地腳螺釘、墊鐵和調整器（地虎鉗）組成的機床主支撐，用于調平機床工作臺面水平，保證機床的正常工作所需的精度，水平精度要求為0.01 mm;第二組也是由6顆地腳螺釘組成的刀庫支撐，用于調平刀庫底座及刀盒的工作臺面水平，以保證換刀操作的正常工作和抓刀精度，水平精要求0.02 mm;第三組由4顆地腳螺釘組成的托盤交換區支撐，用于調平上下料區托盤工作臺面水平，以保證托盤交換的正常工作和精度，水平精度要求0.01 mm。第四組是外圍件調整的地腳螺釘，用于安裝和調整機床外圍覆蓋件的位置，如電柜、排屑器和機床防護罩等，沒有具體的精度要求，只要保證這些部件的安裝可靠和外觀合宜就可以了。

3 機床各軸幾何精度調整

考慮到運輸過程中機床幾何精度改變，機床安裝時要進行機床幾何精度的檢驗并校正。Nbh170加工中心制造廠家根據德國DIN8601標準，編制了19項精度檢驗協議，內容涵蓋了機床運動控制所需的精度:如各軸的線性度、平行度、相關軸的垂直度、對稱度、跳動等。幾何精度的調整途徑主要有兩種，一是調整機床水平來校正所測的幾何精度;二是調整各軸的調整墊塊校正。兩種方法要根據實際情況配合使用。此外，Nbh170加工中心所配置的SIEMENS 840D系統還具有電子補償功能，對于一些來自機床物理上的影響，如懸垂、螺距誤差等，進行有效的多維補償，糾正的容差帶為1 mm。在幾何精度調整中，可利用電子補償功能，對機械調整后的幾何精度再作最后的修正。

該機床的SIEMENS 840D系統的垂懸補償功能由軸參數（Axis MD）MD 32710 CEC_ENABLE=1激活，因此應在修改補償文件時先將其置為“0”。補償數據文件路徑:F:ArchiveARCCECGEO.ARC，根據補償需要進行設定。

例，補償X/Z的垂直度，實測值為－0.023 mm，修改補償文件內容（X軸）:

補償后實測 －0.001 mm，達到精度要求。

電子補償只能用于X、Y與Z軸的垂直度、直線度的補償，作為幾何精度調整后的補充手段。

4 機床零點調整

機床零點的概念:采用閉環或半閉環位置控制的機床，都在回參考點操作完成后建立一個固定的機床坐標系，該原點位置就是機床零點。

機床在運輸、安裝過程中會使機床零點發生改變，特別是采用絕對位置裝置作為反饋控制的機床，只要在運輸和安裝中拆卸電動機編碼器電纜都會導致機床零點改變，安裝就位后都要進行零點重置和校正。Nbh170 加工中心的控制軸共有:X、Y、Z、B、CS、U、V、X1、Y1、Y2和B2共計11 個軸。

該加工中心機床零點見圖3，機械零點位于機床加工區工作臺的中央。此點的X、Y、Z是機床坐標系的零點位置，且工作臺的中心位于Z軸的軸線上。

直線運動軸的范圍參數:X軸工作行程為1 000 mm，從零點（托盤中央）分中;Y軸工作行程為800 mm，從機械零點偏置150 mm后到950 mm處之間;Z軸工作行程為800 mm，從機械零點偏置130 mm后到930 mm處之間。將Y、Z軸工作行程限定在偏置后的位置，目的是減小機床主軸與工作臺發生沖撞干涉風險采取的技術措施。

零點校正專用工具:不同尺寸的等高樣塊、有刀柄（根據機床主軸的適配形式采用HSK－100或錐柄）的φ40 mm，L=300 mm樣棒以及檢測托盤中心的 φ60 mm專用樣棒。在調試前編制記錄表安排檢驗順序，一般以X、Y、Z軸的字母排列順序進行測量校正。

4.1 X軸零點調整

X軸零點校正時需要φ60 mm樣棒、帶HSK－100刀柄的樣棒（為適配所調機床主軸）、不同尺寸的等高塊以及千分表等測量器具。

見圖4，X軸零點移置檢測示意圖。以JOG操作模式將機床移動到可測量位置，移動時可以用電子手輪和運動控制鍵結合使用，并注意不要在操作中發生碰撞干涉損壞機床。圖中，主軸中心與托盤的樣棒中心距X1與機床控制面板顯示X軸坐標值（在這里我們暫且稱之為X2）的差 ΔX，即，ΔX=X1－X2。ΔX就是所需調整的X軸零點調整值。ΔX是一個帶有極性的數（有±號），用來修正X軸參數 MD34090:REFP_MOVE_DIST_CORR的值，在修改前要將所修改軸的機床光柵反饋環關閉:在User agreement菜單下取消X軸的×?□，加、減值取決于ΔX所帶的極性，輸入新修正值后的參數要用參數激活規定的要求操作（NCK RESET或POWER OFF/ON）來使修改有效，關閉機床總電源后重新上電、重回參考點，用上面的方法再次測量比較托盤的樣棒中心與主軸中心距X1與X2的差值，并進行再修正，如此反復直至滿足機床控制要求的精度:ΔX≤0.01 mm。圖4中所示的“X軸樣塊尺寸”是用等高塊測量得到的值，在實際操作中也可以不用等高塊測量，而使兩根樣棒直接接觸進行測量計算（此時“X軸樣塊尺寸”為零），但這樣做的風險在于樣棒硬接觸不利于機床的主軸和精度保持，還有可能損壞主軸和刀具適配精度。處于安全操作的考慮，我們還是建議用高等樣塊測量計算修正值。

4.2 Y、Z 軸零點調整

Y、Z軸零點校正與X軸原理相同，見圖5。在JOG操作模式下用手動移動機床的測量軸（Y或Z軸）至可測量位置。移動的速度和位置控制以電子手輪和運動控制按鈕操作結合使用，注意不要在操作中發生檢棒之間的碰撞。

首先，Y軸測量計算:確定主軸中心與工作臺（可換托盤）平面的距離Y1與機床控制面板顯示位置值（在這里我們暫且稱之為Y2）的差 ΔY，即，ΔY=Y1－Y2。ΔY就是Y軸零點調整值。ΔY是一個帶有極性的數（有±號），用來修正Y軸參數MD34090:REFP_MOVE_DIST_CORR的值，加、減值取決于ΔY所帶的極性，輸入新修正值后的參數要用參數激活所規定的操作（NCK RESET或POWER OFF/ON）來使修改有效。關閉機床總電源后重新上電、重回參考點，用上述方法再次測量比較差值ΔY，并再次修正。如此反復直至滿足機床控制要求的精度:ΔY≤0.01 mm。圖5中所示的“Y軸樣塊尺寸”是用等高塊測量得到的值，處于同樣的安全操作的考慮，我們還是建議用等高樣塊測量計算修正值。特此說明，在測量Y軸時，可交換工作臺中心的檢棒是不需要安裝的。

Z軸零點測量計算:Z1是主軸的刀具定位端面與托盤中心的距離ΔZ是Z1與機床控制面板顯示的Z軸坐標值（在這里我們暫且稱之為Z2）的差，即，ΔZ=Z1－Z2。ΔZ就是Z軸零點調整值，用來修正Z軸參數MD34090:REFP_MOVE_DIST_CORR的值，方法同上，也要關閉閉環控制。

4.3 B軸零點的調整

B軸就是可旋轉工作臺的角度位置。B軸零點的調整:在JOG模式下將B軸轉到零度，用微米表測量托盤基準面的1、2兩點（圖4）在X軸運動時的高差，轉動B軸使之為零，從控制面板顯示讀出B軸此時的角度值，用來修正B軸參數MD34090:REFP_MOVE_DIST_CORR的值，原理與上述中X等各軸的操作相同。若修正的方向不好判斷，可以在第二次測量時看出修正方向是否正確。

4.4 主軸零點的調整

主軸（即CS軸）的調整，要使用帶刀柄的T形測量工具和水平尺。在MDA操作模式下用SPOS=0指令將主軸轉到換刀定向停位置（主軸定向停位置為零度）。將水平儀放置在T形測具上觀測，并在JOG模式下旋轉主軸調整水平儀至水平位置，記錄此時下控制面板顯示的角度，用來修正CS軸參數MD34090:REFP_MOVE_DIST_CORR的值，原理與B軸類似。

4.5 V軸的零點調整

V軸:換刀機械手是NC控制軸。主要調整換刀爪在抓刀位置的水平。在“Manual”模式下選擇“Double Gripper”，伸出、旋轉換刀爪到抓刀位置，見圖6。

做此操作時，需將V軸分度控制模式參數MD30500:INDEX_AX_ASSIGN_POS_TAB 改為“0”，即取消V軸的分度控制。這樣就可以連續運動V軸。水平儀置于A面，在JOG模式下微調旋轉V軸角度使A面水平，調平后將V軸參考點標定參數MD34210:ENC_REFP_STATE［0］由“2”改為“1”，倍率開關置零，進行V單軸回參考點操作。然后把MD30500改回到“1”。

換刀爪回原位時，還要觀測1、2號換刀爪的位置狀態，如果1號爪在上面，控制面板顯示應為V=0°，見圖7;否則，就要將V軸參考點參數MD 34100:REFP_SET_POS設為“0”，再將參考點標定參數MD34210:ENC_REFP_STATE［0］由“2”改為“1”，倍率開關置零，進行V單軸回參考點操作。

如果是2號爪在上面，控制面板顯示應為V=180°，否則，就要將V軸參考點參數MD 34100:REFP_SET_POS設為“180”，再將參考點標定參數MD34210:ENC_REFP_STATE［0］由“2”改為“1”，把倍率開關置零，進行V單軸回參考點操作。

只有換刀爪的位置與控制位置一致時才能把換刀爪收回原位（Home Position）。

4.6 U軸的參考點調整

4.7 機床換刀位置調整

4.8 托盤交換軸的零點調整

Y2、B2軸是托盤交換器NC控制軸，托盤通過Y2軸抬升，B2軸旋轉來完成交換操作。在調整完機床的其他軸后就可以開始這兩個軸的零點檢測和調整了，見圖9。托盤交換器的零點是交換撥叉落下的最低點位置。

4.9 箱式刀庫換刀位置調整

箱式刀庫的換刀位置經裝運、安裝后會發生改變，需要檢測并調整。

在完成前面各項調整工作后就可以開始刀庫抓刀位置調整了，調整操作分兩步，見圖10。

第一步，用JOG模式或MDA模式將龍門抓刀器移動到圖10所示的“最近刀具位置”，理論控制坐標位置為:X1=330 mm，Y1=400 mm。在該位置裝上測量用的專用檢具（由機床制造商德國 Hueller－Hille GmbH提供），上下運動檢具觀測與抓刀器取刀孔的配合是否順暢，如有配合誤差，就在JOG模式下手動微調X1、Y1的位置使配合誤差消除，檢具上下運動時配合順暢。記下調整位置后的X1、Y1的控制顯示值，并將新值輸入到相應軸參數MD 34100［0］中，同時修改參數 MD 34210［0］“2”→“1”，進給倍率打到“0”后回參考點，完成參考點標定和“最近刀具位置”的調整。

第二步，檢測方式與第一步相同，但調整原理不一樣。“最遠刀具位置”是用調整齒形帶齒距參數的原理來修正抓刀位置。將龍門抓刀器移動到圖10所示的“最遠刀具位置”，在控制顯示上記下該點此時的X1、Y1坐標值作為“原始值”Vold（該點參考值:X1=1 220 mm，Y2=2 823 mm）;用檢具測試配合狀態并微調該點的坐標位置，調整達到精度后再記錄下該點X1、Y1坐標值作為“新值”Vnew，可分別計算X1和Y1參數，運算比值δ=Vold/Vnew用于修改參數MD 31030、MD 36900和 MD 1320。

參數說明:

（1）MD 31030:LEADSCREW_PITCH，傳動軸的絲杠螺距，用于計算電動機旋轉與直線運動距離的關系:mm/r;屬于AXIS MD。

（2）MD 36920:SAFE_ENC_GEAR_PITCH，傳動軸的絲杠螺距，功能同上屬于AXIS MD，用于安全集成。

（3）MD 1320:SAFE_ENC_GEAR_PITCH，絲杠螺距mm/r，屬于驅動參數:Drive MD。

在調整中以上三個參數必須一起修改才有效。計算方式如下:

其中，MDNEW是參數 MD 31030、MD 36920、MD 1320要修正的新值;MDOLD是參數 MD 31030、MD 36920、MD 1320原來的值。三個參數值應該是相同的。修改后的數需要激活才對控制有效。激活的操作過程如下:

所改參數激活后就使調整控制生效，機床回參考點后還要做一次檢測以確定調整正確。

5 機床精度調整

5.1 機床定位精度調整

機床定位精度表示機床在數控裝置的控制下所能達到的精度，用于評估機床加工所能達到的工件加工精度。定位精度檢查的主要內容:（1）直線軸定位精度（主要指X、Y、Z軸）;直線軸重復定位精度;直線軸反向間隙（失動量測量）;回轉軸定位精度（主要指A、B、C軸）;回轉軸重復定位精度;回轉軸向間隙（失動量測量）;各軸原點返回精度。

定位精度測量一般采用雙頻激光干涉儀測量系統，系統由激光儀、PC和數據采集計算軟件組成，可以準確計算出定位均值、散差±3δ和繪制精度曲線，利用該系統可以得到較好的測量效果，方便誤差分析和補償。定位精度檢測標準:ISO230－2。標準規定每個點按五次測量數據算出平均值和散差±3δ。

測量的精度曲線圖11。曲線圖一般有以下三種情況:平行型、交叉型和喇叭型。平行型，正反向誤差曲線均勻地產生±3δ公差帶，反映該坐標軸的反向間隙;只要±3δ＜設計要求誤差，誤差曲線就屬正常情況。交叉型和喇叭型的公差帶±3δ均勻，反映出該坐標的傳動鏈上的誤差在不斷變化，反向間隙、絲杠誤差不均勻。主要原因是機床傳動鏈上的部件松動沒有上緊所致，機床可能有裝配質量問題。

該機床的精度檢測采用德國標準VDI/DGQ 3441 3.0δ，基本等同于ISO230－2的規定。根據各軸行程長度分配測量點數:X軸在－500～+500 mm行程之間選取間距為100 mm的21個測量點;Y軸在150～950 mm行程之間選取間距為100 mm的17個測量點;Z軸在139～939 mm行程之間選取間距為100 mm的17個測量點;B軸在0～360°之間選取間距為30°的13個測量點。測量結果用于誤差分析和補償。

X、Y、Z軸絲杠螺距誤差補償的方法:

該機床設計精度指標為:X、Y、Z軸定位精度10 μm;重復定位精度5 μm;B軸定位精度為±3″，重復定位精度3″。在實際測量中，直線軸精度一般比指標高一倍，B軸精度高1/3，即實測的X、Y、Z軸定位精度5～7 μm;重復定位精度2.5～3 μm;B軸定位精度為±2.5″，重復定位精度 2.5″。可見該加工中心有較好的精度貯備。

5.2 切削精度調整

機床切削精度檢查的目的是對幾何精度、定位精度和各運動軸插補控制的同步匹配，目前采用的標準為ISO11562和NASA試件。試件外形如圖12所示。

以A、B、C三個基準主要考察以下內容:（1）鏜孔精度（基準C）;（2）端面銑削平面精度（基準A）;（3）鏜孔的孔距精度和直徑分散度（基準C）;（4）直線銑削精度（主要指X、Y、Z軸）（基準B）;（5）斜線銑削精度（插補同步匹配）（基準B）;（6）圓弧銑削精度（圓度）（基準C）;（7）箱體掉頭鏜孔同軸度（基準C）;（8）轉臺（B軸）回轉90°銑四方形加工精度（基準C）。

該加工中心采用圖12所示的試件。在實際切削精度檢驗中，NASA樣件精度遠高于標準所要求的精度，再次驗證了機床定位精度檢測結果和機床精度的貯備能力。

6 結語

加工中心的安裝、調試技術實踐性很強，同時，加工中心是集自動化、高精度于一體的機電一體化設備，對安裝、調試的技術要求較高。只有嚴格按機床安裝、調試技術條件要求操作才有利于設備正常工作并能較長時間保持精度和良好狀態。因此，加工中心設備的安裝、調試工作是一項重要的基礎工作。在開展工作前要詳細了解機床特性、結構和機床的工作原理，預先制定工作流程和計劃（可用圖表形式），嚴格按照機床制造商提供的相關技術要求來操作整個安裝調試過程。

本文得益于項目實施過程中的工作實踐，但安裝、調試是一項技術實踐性很強的工作，論述中難免有不足之處。在今后的工作實踐中還要繼續補充和豐富，更好地為實際工作服務。

［1］畢承恩，丁乃建.現代數控機床［M］.北京:機械工業出版社，1993.

［2］Hüller Hille GmbH.Operating instructions for SINUMERIK 810D/840D［M］.Germany，Diedesheim Hessapp，02/01/GB