數(shù)控機(jī)床加工精度異常的診斷處理與預(yù)防

當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)制造行業(yè)得以普遍應(yīng)用。以航空制造業(yè)為例，生產(chǎn)活動離不開數(shù)控機(jī)床。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)床可能發(fā)生多種多樣的故障，其中加工精度異常是最為常見的問題。在生產(chǎn)活動中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，直接影響車間正常的生產(chǎn)計(jì)劃。本文結(jié)合實(shí)際案例，探討加工精度異常的形成原因，提出相應(yīng)的診斷處理和預(yù)防方法。
1　數(shù)控機(jī)床加工精度異常的常見原因
1.1　機(jī)械傳動部件故障
THM6350臥式加工中心，由寧江機(jī)床廠生產(chǎn)，數(shù)控系統(tǒng)采用FAGOR8055。機(jī)床在銑削殼體時，Z軸進(jìn)給異常造成過切，切削誤差量為1mm?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，故障具有突發(fā)性，進(jìn)給軸處于點(diǎn)動模式、MDI模式，能夠正常進(jìn)給，而且能正?；氐絽⒖键c(diǎn)，不存在報(bào)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(diǎn)：
（1）機(jī)床精度異常時的加工程序段，以刀具的長度補(bǔ)償為重點(diǎn)，對加工時設(shè)定的坐標(biāo)系進(jìn)行再次計(jì)算，以檢驗(yàn)準(zhǔn)確性。
（2）處于點(diǎn)動模式下，對Z軸進(jìn)行多次運(yùn)動，此時聽見Z軸出現(xiàn)異常聲響，快速點(diǎn)動狀態(tài)下，這個噪聲更大，可以確定是機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
（3）檢查Z軸的運(yùn)動精度，輔助應(yīng)用手搖脈沖發(fā)生器，對Z軸進(jìn)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(yùn)動是否正常。首先確定運(yùn)動精度滿足要求，然后朝著正向進(jìn)行運(yùn)動，在手脈變化的同時，Z軸運(yùn)動距離始終為0.1mm，可見電機(jī)正常運(yùn)動，定位滿足精度要求。
反映到機(jī)床的運(yùn)動位移量上，包括以下四個階段：第一階段，機(jī)床運(yùn)動距離d1＞d=0.1mm；第二階段，電機(jī)進(jìn)給量d-0.1mm＞d2＞d3；第三階段，機(jī)床機(jī)構(gòu)沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的移動，表現(xiàn)為反向間隙；第四階段，機(jī)床的運(yùn)動距離與手脈的給定值數(shù)值相等。說明機(jī)床運(yùn)動正常，此時補(bǔ)償反向間隙，表現(xiàn)出以下特征：第三階段能補(bǔ)償，第一、二、四階段依然存在問題。其中，第一階段最為嚴(yán)重，加工精度偏差明顯增大。分析補(bǔ)償過程可見，隨著間隙補(bǔ)償?shù)脑龃螅琩1的移動距離也隨之增大，兩者具有正相關(guān)性。
檢查分析后，認(rèn)為故障原因包括：電機(jī)運(yùn)行故障，機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)內(nèi)部的部件有間隙。
為了確定故障部位和原因，打開電機(jī)、脫離絲杠，針對各個部件進(jìn)行檢查。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，手盤絲杠的返回運(yùn)動明顯空缺，能感到軸承有序、平滑移動。拆開后發(fā)現(xiàn)，軸承發(fā)生損壞，其中一顆滾珠脫落。對此，重新更換軸承后，機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行，加工精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.2　機(jī)床熱變形
MH800C機(jī)床，由德國DMG公司生產(chǎn)，批量加工時零件尺寸不穩(wěn)定，影響正常的生產(chǎn)活動?，F(xiàn)場調(diào)查認(rèn)為故障原因可能如下：
（1）機(jī)械部件磨損導(dǎo)致連接松動。檢查各軸反向間隙發(fā)現(xiàn)間隙過大，傳動皮帶的連接緊密。將反向間隙補(bǔ)償?shù)阶鴺?biāo)軸，機(jī)床重新運(yùn)行發(fā)現(xiàn)故障依然存在，可以排除這一原因。
（2）驅(qū)動系統(tǒng)受外部干擾。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)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(jī)床發(fā)生變形。檢查顯示各個地腳牢固，沒有出現(xiàn)問題。
對此，最終懷疑是熱變形引起的。為了進(jìn)一步明確故障原因，輔助利用百分表，在機(jī)床試運(yùn)行的同時進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)檢測時的位置坐標(biāo)一致，但實(shí)際位置發(fā)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(dāng)主軸冷卻以后，檢測值慢慢恢復(fù)正常。由此可見，故障原因是溫度變化引起的坐標(biāo)點(diǎn)漂移，處理方法是將漂移值補(bǔ)償?shù)匠绦蛑?。如此，機(jī)床運(yùn)行時，加工精度得以保證，工件尺寸滿足加工要求。
1.3　機(jī)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(chǎn)。為了滿足工藝需要，機(jī)床更換了廠房，但運(yùn)行期間X軸方向出現(xiàn)超差。現(xiàn)場調(diào)查后認(rèn)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(xiàn)軸向竄動。檢查分析后，發(fā)現(xiàn)間隙滿足標(biāo)準(zhǔn)，絲杠兩端也沒有松動現(xiàn)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(jié)合以往實(shí)踐，由熱變形引起的故障不會只有一個坐標(biāo)軸出現(xiàn)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(diào)整機(jī)床的水平位置，結(jié)果顯示精度差異明顯減小，但一段時間后問題再次出現(xiàn)。為了進(jìn)一步明確故障原因，輔助利用千分表檢測X軸絲杠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)生彎曲，最終確定是機(jī)床地基問題。移開機(jī)床發(fā)現(xiàn)地面塌陷，將機(jī)床移回原來的廠房，結(jié)果運(yùn)行恢復(fù)正常。
1.4　機(jī)床電氣參數(shù)更改
V600V數(shù)控立式加工中心，由大河機(jī)床上生產(chǎn)，控制系統(tǒng)采用FANUC0-M。加工運(yùn)行期間，X軸間隙增大，電機(jī)在啟動時穩(wěn)定性不足。操作人員觸摸電機(jī)時，發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)抖動，處于IOB模式下的抖動更加劇烈。調(diào)查分析后，認(rèn)為故障原因如下：反向間隙過大；X軸電機(jī)出現(xiàn)問題。具體檢查時，首先，補(bǔ)償反向間隙，結(jié)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(tǒng)的參數(shù)功能，調(diào)試電機(jī)的伺服增益參數(shù)、脈沖功能參數(shù)，結(jié)果電機(jī)抖動現(xiàn)象消除，加工精度滿足生產(chǎn)要求。
1.5　系統(tǒng)參數(shù)變化或改動
在數(shù)控機(jī)床中，系統(tǒng)參數(shù)主要包括進(jìn)給單位、反向間隙、零點(diǎn)偏置等。SIEMENS系統(tǒng)或FANUC系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床常用的控制系統(tǒng)，在進(jìn)給單位上分為公制、英制兩種類型。我公司內(nèi)的CS-GT儀表車床由美國哈挺公司生產(chǎn)，操作人員加工英制螺紋時，首先將進(jìn)給單位調(diào)整為英制，在加工作業(yè)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(jié)果導(dǎo)致后期加工的元件不滿足精度要求，甚至出現(xiàn)廢品。此外，機(jī)床在修理過程中，因?yàn)榱泓c(diǎn)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(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。機(jī)床隨著應(yīng)用時間的延長，部件之間磨損加大，連接部位也會發(fā)生松動，這也會導(dǎo)致參數(shù)測量值變化，應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿足加工精度要求。
1.6　保養(yǎng)管理不善
公司內(nèi)的多臺JICK6116經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床在工作運(yùn)行過程中，橫向尺寸或徑向尺寸出現(xiàn)超差。調(diào)查分析后，發(fā)現(xiàn)問題在于加工產(chǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)除了超差廢品以外，合格產(chǎn)品的尺寸波動范圍滿足要求。對此，分析認(rèn)為故障原因可能如下：
（1）X軸、伺服電機(jī)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(dǎo)致軸承滾珠發(fā)生變形、磨損等現(xiàn)象。在絲杠的傳遞作用下，切削力到達(dá)軸承后，導(dǎo)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(yù)緊絲杠螺母或者進(jìn)行間隙補(bǔ)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(dǎo)軌面不均勻，或者斜鐵磨損不均勻，此時機(jī)床運(yùn)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(diào)整尺寸無法解決，應(yīng)該恢復(fù)導(dǎo)軌精度。
（4）刀架的定位銷孔發(fā)生嚴(yán)重磨損，由于回轉(zhuǎn)刀架的定位不精確，加工時的工件尺寸波動，繼而造成精度超差。對此，更換發(fā)生磨損的部件即可。
（5）機(jī)床導(dǎo)軌潤滑不足，或者運(yùn)行中鐵銷進(jìn)入導(dǎo)軌副之間，此時摩擦阻力明顯加大，影響機(jī)床的運(yùn)動穩(wěn)定性。
實(shí)踐證實(shí)，因保養(yǎng)管理不善造成的精度異常故障往往具有較強(qiáng)的隱蔽性，由于診斷難度大，要求檢查時必須細(xì)致。從診斷處理經(jīng)驗(yàn)來看，針對此類問題，首先由操作人員進(jìn)行查詢，了解設(shè)備加工出廢品之前的運(yùn)行情況，掌握各項(xiàng)產(chǎn)品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及關(guān)鍵工序、產(chǎn)品質(zhì)控圖等資料。輔助利用工具設(shè)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(jiān)測尺寸的變化趨勢；如果波動范圍異常且尺寸超差，此時應(yīng)該及時尋找故障原因，并進(jìn)行針對性處理。
2　數(shù)控機(jī)床故障的診斷原則和方法
2.1　診斷原則
針對數(shù)控機(jī)床故障，診斷原則如下：
（1）先外后內(nèi)。數(shù)控機(jī)床的外部包括機(jī)械、電氣、液壓等，故障發(fā)生后會體現(xiàn)在外部，因此維修人員應(yīng)該從外向內(nèi)排查，不要隨意拆卸或啟封，否則會擴(kuò)大故障范圍、降低設(shè)備性能。
（2）先靜后動。數(shù)控機(jī)床“帶病”運(yùn)行時，會對其余部件造成損害，因此故障發(fā)生后要及時停止運(yùn)行，進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)，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(jìn)行通電檢查。
（3）先機(jī)械后電氣。機(jī)械和電氣密切相關(guān)，其中電氣系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)，因此發(fā)生故障后應(yīng)該先檢查機(jī)械系統(tǒng)，然后檢查電氣系統(tǒng)，以提高維修效率。
2.2　診斷方法
數(shù)控機(jī)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(jī)床故障現(xiàn)象，看報(bào)警指示燈、電容器等原件是否變形燒焦，看保護(hù)器脫扣情況；詢問操作人員機(jī)床運(yùn)行情況；聽運(yùn)行噪聲和異常聲響；聞有沒有元件燒焦的味道；觸摸機(jī)床了解發(fā)熱、振動等情況。
（2）隔離法。針對可能發(fā)生故障的部位進(jìn)行隔離，逐漸縮小故障范圍。
（3）功能測試法。采用專業(yè)軟件和程序，判斷元件的運(yùn)行性能。
（4）參數(shù)檢查法。RAM系統(tǒng)中記錄了設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，故障發(fā)生后會對參數(shù)造成影響，出現(xiàn)參數(shù)變動或混亂應(yīng)檢查這些參數(shù)，以判斷故障類型和原因。
（5）同類對調(diào)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(yù)防措施
3.1　加強(qiáng)采購管理，提高機(jī)床質(zhì)量
從數(shù)控機(jī)床本身來看，如果生產(chǎn)質(zhì)量有缺陷（例如結(jié)構(gòu)剛度低、裝配質(zhì)量差），運(yùn)行時就會帶來加工精度異常。對此，設(shè)備安裝要嚴(yán)格按照說明書，提高地基強(qiáng)度，以滿足承重和抗震要求；科學(xué)接地，電氣柜中的動力線、信號線要分開布設(shè)，增強(qiáng)機(jī)床的抗干擾能力。
3.2　定期開展維修保養(yǎng)工作
分析以往機(jī)床加工精度異常的原因，維修保養(yǎng)不到位是一個重要原因，會導(dǎo)致機(jī)床導(dǎo)軌、回轉(zhuǎn)刀架、主軸、分度工作臺等部位的潤滑性差，機(jī)床運(yùn)行期間會增大摩擦和損耗，久而久之造成精度降低。此外，機(jī)床操作不合理，存在超負(fù)荷運(yùn)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(zhì)
一方面，要樹立高度責(zé)任心，熟練掌握機(jī)床的操作流程和技巧，生產(chǎn)過程中觀察機(jī)床的運(yùn)行情況，看有無發(fā)生異?，F(xiàn)象，提高加工精度；另一方面，要不斷提升技能水平，企業(yè)應(yīng)該定期開展培訓(xùn)活動，學(xué)習(xí)先進(jìn)的工藝技術(shù)，掌握維修技巧和方法，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時處理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重故障，將經(jīng)濟(jì)損失降至最低。
4　結(jié)語
綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床得以在制造行業(yè)普遍應(yīng)用，且獲得行業(yè)青睞。本文結(jié)合實(shí)際案例，從機(jī)械傳動部件故障、熱變形、地基和水平不符合要求、電氣參數(shù)更改、系統(tǒng)參數(shù)變化或改動、保養(yǎng)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(yè)生產(chǎn)中，只有加強(qiáng)采購管理，定期開展維修保養(yǎng)工作，提高操作人員的技能素質(zhì)，才能提高加工精度，促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。