数控机床加工精度异常的诊断与处理
数控机床加工精度异常的诊断与处理
摘 要 ：作为数控车床操作者不光要能熟练操作机床还要能排除机床的故障，更为重要的是能对机床加工精度做出正确的诊断以及故障正确排除。所以通过对数控车床机械精度、系统精度参数改动或发生变化，机床电气精度参数优化电机运行等方式来提高数控机床工作精度，并能以在其日常生产中遇到的常见数控机床加工精度异常故障为依据，剖析了生产过程中数控车床出现的精度故障，提出相应的诊断与处理方案。
关键词 ： 精度异常 数控 故障诊断
在机械制造业发展快速的今天，不光要求操作者能熟练操作机床还要求操作者能对数控机床精度的稳定性和加工精度异常故障的诊断与处理做出正确的判断以及提出正确的解决方案。
以数控车床发那科系统为例在生产中经常会遇到数控车床加工精度异常的故障。有些故障能很好的排除有些故障隐蔽性强、诊断难度大。那么如何去排除这些故障，并查找出导致此类故障的原因。
一、机床几何精度、定位精度发生变化
数控机床的高精度最终是要靠机床本身的精度来保证零件形位公差，数控机床精度包括几何精度、定位精度。另一方面，数控机床各项性能的好坏及数控功能能否正常发挥将直接影响到机床的正常使用。
（一）数控机床几何精度的检验及解决办法
1.数控机床几何精度的检验
数控机床的几何精度检验，又称静态精度检验，包括以下几个检测项目：1) 工作台面的平面度；2) 各坐标方向上移动的相互垂直度；3) 工作台面X、Y 坐标方向上移动的平行度；4) 主轴孔的径向圆跳动；5) 主轴轴向的窜动；6) 主轴箱沿z 坐标轴心线方向移动时的主轴线平行度；7) 主轴在z 轴坐标方向移动的直线度和主轴回转轴心线对工作台面的垂直度等。
目前，检测机床几何精度的常用检测工具有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、平行光管、千分表、测微仪、高精度检验棒等。检测工具的精度必须比所测的几何精度高一个等级，否则测量的结果将是不可信的。每项几何精度的具体检测方法可照JB2670-82 《金属切削机床精度检测通则》、JB4369-86 《数控卧式车床精度》等有关标准的要求进行。
2．数控机床几何精度异常解决办法
（1）机床水平调整
数控机床经通电初步运转后，使用精密水平仪等检测工具，主要通过调整垫铁的方式精调机床床身的水平，使机床几何精度达到允许公差范围；调整机床床身水平，一般在0.04/1000mm 的范围内。对于数控车床，除了水平和不扭曲达到要求外，还应进行导轨直线度的调整，确保导轨的直线度为凸的合格水平。对于数控铣床、加工中心机床，应确保运动工作台的水平也在合格范围内。水平调整合格后，可以进行数控机床的试运行。以数控车床为例简单说明水平调整的过程：
粗调：把数控车床地角螺栓全部放松，卸除数控车床的支撑，用棉丝将两个水平仪和放置水平仪相应接触面擦拭干净。
步骤1 将两个框式水平仪以横向、纵向分别与X 轴、Z 轴平行的位置。水平仪放置位置见图
步骤2 观察水平仪的气泡方向，气泡在哪边,哪边就高。例如气泡在右边就调整左边的地角螺栓，依次类推，循环这种方法，观察平行于X 轴的水平仪，使气泡处于居中位置，这样粗调就完成了。
精调：步骤1 数控车床通电，用指令移动溜板到主轴箱端，待稳定后观察水平仪中的气泡位置确定外围四个地角螺栓的高低，调平。
步骤2 用指令移动溜板到尾座端，根据水平仪气泡位置调节相应地角螺栓使其尽量居中。观察气泡位置，气泡偏向哪方，则对它相对方向的数车地角螺栓进行调节，（注：此时的气泡经过粗调后已偏离中心不大，所以在调地角螺栓时要轻要慢）。
步骤3 依照步骤1、2 进行反复操作。
步骤4 移动数控车床溜板从主轴箱端到尾座端，观察气泡位置，移动时气泡允许晃动，移动停止待稳定后水泡变化在2 格之内，偏差值在0.04mm。最后将1-4 螺母旋紧，再将中间5，6 地角螺栓、螺母旋紧，使气泡尽量居中。数控车床精调操作完成。
（2）数控车床静态精度调整
通过对数控车床：①Z轴运动对主轴轴线的平行度；②在YZ平面内主轴与尾座两顶尖间轴线与Z轴移动的平行度（等高）；③在ZX平面内主轴与尾座两顶尖间轴线与Z轴移动的平行度（要求尾座处向刀架方向偏）；④主轴轴线对X轴移动的垂直度；⑤主轴锥孔轴线的径向跳动；⑥主轴定位端面跳动和径向跳动等检测可对其调整：
第1、5、6为测主轴制造精度、主轴安装和轴承精度，可以调节主轴箱解决问题。
第2、3、4 为测机床导轨精度，可以通过修复或更换导轨解决。
（二）检测数控机床定位精度及解决办法
数控机床定位精度，是指机床各坐标轴在数控装置控制下运动所能达到的位置精度。数控机床的定位精度又可以理解为机床的运动精度。普通机床由手动进给，定位精度主要决定于读数误差，而数控机床的移动是靠数字程序指令实现的，故定位精度决定于数控系统和机械传动误差。机床各运动部件的运动是在数控装置的控制下完成的，各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接反映加工零件所能达到的精度。
1．定位精度主要检查内容及方法：
（1）定位精度的检测工具有：数控机床测微仪和成组块规，标准长度刻线尺和光学读数显微镜及双频激光干涉仪等。标准长度测量以双频激光干涉仪为准。数控车床回转运动检测工具有：360齿精确分度的标准转台或角度多面体、高精度圆光栅及平行光管等。
（2）定位精度内容：①直线运动定位精度（包括X、r、Z、U、y、Ⅳ轴）；②直线运动重复定位精度；③直线运动同机械原点的返回精度；④直线运动失动量的测定；⑤回转运动定位精度；⑥回转运动的重复定位精度；⑦回转轴原点的返回精度；⑧回转运动失动量测定；
（3）定位精度的检测方法：
①直线运动定位精度检测(包括X、Y、Z、U、V、W 轴)直线运动定位精度一般都在机床和工作台空载条件下进行。按国家标准和国际标准化组织的规定（ISO 标准），对数控机床的检测，应以激光测量为准。在没有激光干涉仪的情况下，对于一般用户来说也可以用标准刻度尺，配以光学读数显微镜进行比较测量。但是，测量仪器精度必须比被测的精度高1～2 个等级。为了反映出多次定位中的全部误差，ISO 标准规定每一个定位点按五次测量数据算平均值和散差+-3 散差带构成的定位点散差带。
②直线运动重复定位精度检测用的仪器与检测定位精度所用的相同。一般检测方法是在靠近各坐标行程中点及两端的任意三个位置进行测量，每个位置用快速移动定位,喷射泵，在相同条件下重复7 次定位，测出停止位置数值并求出读数最大差值。以三个位置中最大一个差值的二分之一，附上正负符号，作为该坐标的重复定位精度，它是反映轴运动精度稳定性的最基本指标。
③直线运动的原点返回精度检测，原点返回精度，实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度，因此它的检测方法完全与重复定位精度相同。
④直线运动的反向误差检测，直线运动的反向误差也叫失动量，它包括该坐标轴进给传动链上驱动部位（如伺服电动机、伺趿液压马达和步进电动机等）的反向死区，各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。误差越大，则定位精度和重复定位精度也越低。反向误差的检测方法是在所测坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定（一般为7 次），求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向误差值,喷胶棉。
⑤回转工作台的定位精度检测，测量工具有标准转台、角度多面体、圆光栅及平行光管（准直仪）等，可根据具体情况选用。测量方法是使工作台正向（或反向）转一个角度并停止、锁紧、定位，以此位置作为基准，然后向同方向快速转动工作台，每隔30 锁紧定位，进行测量。正向转和反向转各测量一周，各定位位置的实际转角与理论值（指令值）之差的最大值为分度误差。如果是数控回转工作台，应以每30 为一个目标位置，对于每个目标位置从正、反两个方向进行快速定位7 次，实际达到位置与目标位置之差即位置偏差，再按GB10931-89《数字控制机床位置精度的评定方法》规定的方法计算出平均位置偏差和标准偏差，所有平均位置偏差与标准偏差的最大值和与所有平均位置偏差与标准偏差的最小值的和之差值，就是数控回转工作台的定位精度误差。考虑到实际使用要求，一般对0、90、180、270 等几个直角等分点进行重点测量，要求这些点的精度较其他角度位置提高一个等级。
⑥回转工作台的重复分度精度检测，测量方法是在回转工作台的一周内任选三个位置重复定位3 次，分别在正、反方向转动下进行检测。所有读数值中与相应位置的理论值之差的最大值分度精度。如果是数控回转工作台，要以每30 取一个测量点作为目标位置，分别对各目标位置从正、反两个方向进行5 次快速定位，测出实际到达的位置与目标位置之差值，即位置偏差，再按GB10931-89 规定的方法计算出标准偏差，各测量点的标准偏差中最大值的6 倍，就是数控回转工作台的重复分度精度。
⑦回转工作台的原点复归精度检测，测量方法是从7 个任意位置分别进行一次原点复归，测定其停止位置，以读出的最大差值作为原点复归精度。
2.数控机床定位精度异常解决办法
我们以数控车床Oi-Mate MD为例用雷尼绍公司生产的激光干涉仪进行精度测量为例如图。
（1）系统参数的检测及补偿：
步骤1： 将参数写入开关打开。
步骤2：将I/O 通道置于所需传输手段的状态。
步骤3：找到系统参数内每个轴的参考点的螺距补偿点号。（FANUC 0i-MD所对应参数为03620）。
步骤4：检查每个轴的设定螺距误差补偿倍率(FANUC 0i-MD 对应参数为3621补偿倍率为10 倍)。每个轴的螺距误差补偿点的间隔参数3624，务必检查，运行激光干涉仪得到数据之后打印误差补偿表时需要补偿问隔。
（2)坐标系的检测
通过雷尼绍附带软件生成的数控程序调用绝对坐标(G54)，而补偿参考的是机械坐标，所以运行程序前将绝对坐标(G54)与机械坐标统一以方便操作。
（3）设备的连接以及摆放可以参照激光干涉仪厂家说明书进行操作。
二、机床系统未优化电机运行异常
在机床使用一段时间后产生误差，导致加工出零件表面质量不达标（震纹明显，排除机床系统刚度）此时应该考虑到机床电气参数未优化电机运行而导致的精度异常。如手触摸X轴伺服电机时感觉伺服电机抖动比较厉害，在停止时抖动不明显，尤其是点动方式下伺服抖动比较明显。分析认为，故障原因有两点，一是滚珠丝杠反向间隙很大；二是X轴伺服电机工作异常。利用FAUNC系统的伺服增益调节功能，对伺服电机进行调试。首先对存在的反向间隙进行补偿；调整伺服增益参数及脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常，Z轴用同样的方式进行调整。
三、螺距及螺纹切入点精度异常
（一）螺距产生超差原因及解决途径
我们平时加工零件时往往会碰到部分机床，在加工螺纹时非技术原因产生螺距精度误差。此时我们就要考虑数控机床使用一定时间后产生：⑴滚珠丝杠副处在进给系统传动链的末级，丝杠和螺母存在各种误差，如螺距累积误差、螺纹滚道型面误差、直径尺寸误差等，其中丝杠的螺距累积误差会造成机床目标值偏差；⑵滚珠丝杠在装配过程中，由于采用了双支承结构,使丝杠轴向拉长,造成丝杠螺距误差增加,产生机床目标值偏差；⑶在机床装配过程中,丝杠轴线与机床导轨平行度的误差会引起机床目标值偏差。丝杆本身螺距误差，无法通过间隙来补偿，而在FANUC数控系统可以通过丝杠螺距误差补偿方法来进行补偿，只要能够正确测量滚珠丝杠轴的螺距误差，就可以通过补偿来消除误差，达到提高机床加工螺纹精度，此方法使用简单，而且减少维修成本延长机床使用寿命，是一个十分有效方法，作为数控机床操作者或生产管理者必须掌握螺距测量及误差补偿方法。
1.螺距误差补偿的作用
螺距误差补偿通过调整数控系统的参数增减指令值的脉冲数，实现机床实际移动距离与指令移动距离相接近，以提高机床的定位精度。螺距误差补偿只对机床补偿段起作用，在数控系统允许的范围内起到补偿作用。
2.螺距误差补偿方法
通过设定螺距误差补偿数据,对每个轴的检测单位进行补偿。将参考点返回的位置作为补偿原点，以设定每个轴上的补偿间隔，将相当于补偿点数量的补偿值设定在螺距误差补偿数据中。螺距误差补偿数据也可用外部I/O 设备(如Handy File)设定(见用户手册)，还可通过MDI 面板直接设定。在螺距误差补偿中，需要设定下面的参数，对于用这些参数设定的螺距误差补偿点的号码，需要设定螺距误差补偿量。螺距误差补偿示例如图所示。
螺距误差补偿示例
操作步骤：
步骤1：将参数写入开关打开。
步骤2：补偿点的指定，各轴补偿点在坐标轴的机械行程范围内选择，参考点必须包括在补偿范围内。机械的行程超过正侧、负侧所指定的范围时，不进行螺距补偿(补偿量全都成为0)。
步骤3：设置系统参数内每个轴的参考点的螺距补偿点号，在螺距误差设定页面上提供有共计1025 点，从0 到1023，通过参数将该编号任意分配给各轴。（FANUC 0i-MD所对应参数为03620号，此值可以随意设置）。
步骤4：设置系统参数每个轴负方向最远端的补偿点号，即在补偿的范围内可通过下列方式计算出：“补偿点号=参考点补偿号-(机床负方向行程长度/补偿间隔)+1”。（FANUC 0i-MD所对应参数为03621号，此值取计算结果的整数）
步骤5：设置系统参数每个轴正方向最远端的补偿点号，其计算方式同步骤4。（FANUC 0i-MD所对应参数为03622号，此值取计算结果的整数）
步骤6：设置补偿倍率，因为FANUC的螺距补偿设置值为-7至+7之间，所有补偿倍率只能设置为1和2,设置为0和1相同。（FANUC 0i-MD所对应参数为03623号，此值取计算结果的整数）
步骤7：设置补偿点的间隔值，此值=由每个轴的总长/补偿次数。（补偿次数越多修正机床精度越高，螺距误差补偿点间距（隔）的最小值=最大进给速度(快速移动速度)/7500，其补偿次数号为03624）
步骤8：在系统“螺补”界面里从参数0622所设补偿点号到参数0621所设补偿点号，按照顺序输入每次测量值与测量间隔的误差值。（务必检查，运行激光干涉仪得到数据之后打印误差补偿表时需要补偿间隔是否与3624所设值一致）
注：螺距误差补偿点间距的最小值可选的单位有mm、in、( °)。最大进给速度单位有mm/min、
in/min, (°)/min。例如最大进给速度为15OO0mm/min 时，螺距误差补偿点的间距的最小值为2mm。
（二）螺切入点精度异常的原因及解决途径
1.切入点精度异常的原因
数控车床在加工螺纹时，部分车床往往会出现螺纹切入点发生微弱误差导致螺纹发生轻微乱牙或加工中发生扎刀现象。其常见的原因：①切削螺纹时主轴转速过高导致刀具进给速度跟不上产生的乱牙；②主轴位置编码器0点脉冲发生偏移，导致车床在加工螺纹时系统识别每次刀具起始切入点发生偏移而产生的乱牙现象；③变频器控制主轴速度产生误差，导致实际加工螺纹转速与加工程序中所设置速度不一致。
2.切入点精度异常解决途径
（1）加工时主轴转速过高导致刀具进给速度跟不上：出现此类情况应该是机床系统1420参数Z轴（最大轴速度mm/min）所设值小于切削螺纹时刀具移动速度，将其改为大于刀具移动速度即可但不得大于滚珠丝杠最大输出速度。
（2）主轴位置编码器0点脉冲发生偏移：首先出现该现象应该是系统参数3720的值与位置编码器脉冲不匹配，修改一致即可；另一种情况是位置编码器精度丢失考虑更换。
（3）变频器控制主轴速度产生误差：这类情况应该是系统输送给变频器的模拟电压与变频器实际变频值产生误差，可以在参数3721和参数3722中设置编码器与主轴之间的齿轮比来调节主轴速度误差。
四、刀位定位精度误差
在排除系统、轴向间隙等精度误差时往往要考虑刀架选刀定位精度误差。本校有20台CK6140D 数控车床，系统配置采用FANUCOi-Mate TD系统。经过一个月时间使用发现其中有1 台机床加工尺寸精度不稳定（30 个零件之中有6 个件尺寸达不到图纸要求）造成了小批量零件报废，其加工误差范围在0.03～0.08 mm之间。经过各项检测，引起此故障的原因是由于刀架定位精度不准确。
刀架定位精度不准确的原因刀架动作顺序：换刀信号→电机正转→刀架转位→到位信号→电机反转→初定位→精定位夹紧→电机过流停转→换刀信息反馈→换刀结束（如图2）。弱电部分由位置传感器（霍尔元件）组成，每个霍尔元件对应电动刀架一个工位。对刀架控制工作原理及刀架机械传动原理进行分析，得知影响刀架的重复定位精度产生误差的原因：刀盘连接部件松动；定位牙盘内有污物；霍尔元件开关位置不良，造成电器控制失效；每次刀盘到位的夹紧力不均。
(一)电气及控制部分故障导致的加工精度异常
检修刀架到位后的夹紧力不均导致加工精度不稳定。从刀架控制原理可以看出，正转由K1 继电器控制，反转由K2 控制，RC是抗干扰夹弧器，拆开刀架控制盒盖板，输入换刀指令，T2 计算机输出TL+ 正转信号，K1 继电器吸合，三相主触点闭合，电机得电正转。当二号刀到位后，霍尔元件与磁钢导通，发出到位信号送回数控系统，系统按到反馈信号电平后，中断正转信号。同时发出TL- 反转信号，K2 继电器吻合，反三相主触点闭合，电机反转使刀架锁紧。K2 继电器吸合时，用万用表测量其输出电压是否为AC380 V。如果此电压不是AC380 V，将可以断定K2 中间继电器。继电器触点接触不良，引起输出AC380 V三相电压不平衡。电机反转锁紧刀架时，保护空气开关没有出现过流断路，以致换刀时间短，电机反转瞬间。
转功率不够，是因电机反相锁紧力达不到1.2 N，刀架夹紧力不够造成刀盘定位精度不准。此时应该拆下刀架控制盒，拔下K2 中间继电器，并更换，更换后，再连接好线路。刀架控制电路可以不采用刀架厂生产的刀架控制盒，而直接用交流接触器代替刀架控制盒K1，K2 中间继电器拖动刀架电机。这样可以增强刀架控制线路的稳定性。最后对多个零件进行试加工，结果显示，尺寸准确。表明故障已经排除。
（二）机械故障导致的加工精度异常
1.对刀架机械传动部分进行检修。
检修时拆下箱盖板发现此刀架传动螺杆与传动轴有污物，此时需进行刀架清洗上油。通过检修可以对刀架连接部件的松动、定位牙盘内的污物、霍尔元件开关位置的不良造成电器控制失效等故障排除。
2.刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。
主要是后靠装置不起征作用。检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。出现刀架运转不到位（有时中途位置突然停留），主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠见图7。
五、结束语
影响数控机床加工精度因素还有很多，怎样在这些互相影响的因素中找到其规律与共性，使其能更好的排除这些异常的故障并找出更好方法来诊断与处理，依次来提高零件的加工质量与生产效率是数控机床使用人员值得深入探讨的问题。
参考文献：
廖平兰.机床加工过程综合误差实时补偿技术.机械工程学报，1992，28（2）
李书和.张奕群.杨世民.多轴机床空间误差的一般模型.仪器仪表学报，1997
刘蔡保 《数控机床故障诊断与维修》 化学工业出版社 2012年8月
数控机床加工精度异常的诊断与处理.doc
