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，越來越受各制造業的青睞。數控機床開始被廣泛應用于各行業，尤其在航空制造業中的應用，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。運動執行部件狀態異常。電氣及伺服驅動控制部分異常。機床位置環和速度環異常。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務水平，加強彼此之間的合作，端正對工作的態度，這類問題就會逐漸消失。另一種是隨機的，沒有規律性。比如尺寸和形狀誤差變化毫無規律，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。一次在洗削殼體的過程中，突然發現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診斷發現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，機床發生了變形，檢查機床各地腳是否牢靠，沒有發現任何問題。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，發現每次檢測時，坐標位置雖然顯示一致，但實際位置卻發生了較大變化，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，就會發現檢測值逐漸恢復到起始狀態，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律，將漂移值補償到計算機當中，在機床執行加工程序時會根據坐標值隨溫度的變化自動執行補償文件。做完這些，再執行加工程序，工件的尺寸就穩定下來了。

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，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度左右的穩定狀態，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，同樣發生了變化，這說明機床水平不穩定，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，在加工過程中發現X軸精度異常，檢查發現X軸存在一定的間隙，且電機啟動時存在不穩定現象，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.系統參數發生變化或改動

系統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，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，認真執行設備維護保養制度，引起精度異常的主要原因是：機床保養不到位，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。