数控机床加工精度异常的诊断处理与预防

当前，数控机床在生产制造行业得以普遍应用。以航空制造业为例，生产活动离不开数控机床。在实际应用中，机床可能发生多种多样的故障，其中加工精度异常是最为常见的问题。在生产活动中，常有操作人员反映加工精度异常，不满足设计标准要求，直接影响车间正常的生产计划。本文结合实际案例，探讨加工精度异常的形成原因，提出相应的诊断处理和预防方法。
1　数控机床加工精度异常的常见原因
1.1　机械传动部件故障
THM6350卧式加工中心，由宁江机床厂生产，数控系统采用FAGOR8055。机床在铣削壳体时，Z轴进给异常造成过切，切削误差量为1mm。现场调查发现，故障具有突发性，进给轴处于点动模式、MDI模式，能够正常进给，而且能正常回到参考点，不存在报警信息，因此电气硬件故障可以排除。故障检查包括以下几点：
（1）机床精度异常时的加工程序段，以刀具的长度补偿为重点，对加工时设定的坐标系进行再次计算，以检验准确性。
（2）处于点动模式下，对Z轴进行多次运动，此时听见Z轴出现异常声响，快速点动状态下，这个噪声更大，可以确定是机械系统出现故障。
（3）检查Z轴的运动精度，辅助应用手摇脉冲发生器，对Z轴进行移动，将手脉倍率定位为1×100挡，辅助利用百分表，分析Z轴的运动是否正常。首先确定运动精度满足要求，然后朝着正向进行运动，在手脉变化的同时，Z轴运动距离始终为0.1mm，可见电机正常运动，定位满足精度要求。
反映到机床的运动位移量上，包括以下四个阶段：第一阶段，机床运动距离d1＞d=0.1mm；第二阶段，电机进给量d-0.1mm＞d2＞d3；第三阶段，机床机构没有发生实质性的移动，表现为反向间隙；第四阶段，机床的运动距离与手脉的给定值数值相等。说明机床运动正常，此时补偿反向间隙，表现出以下特征：第三阶段能补偿，第一、二、四阶段依然存在问题。其中，第一阶段最为严重，加工精度偏差明显增大。分析补偿过程可见，随着间隙补偿的增大，d1的移动距离也随之增大，两者具有正相关性。
检查分析后，认为故障原因包括：电机运行故障，机械系统出现故障，系统内部的部件有间隙。
为了确定故障部位和原因，打开电机、脱离丝杠，针对各个部件进行检查。当电机正常运转时，手盘丝杠的返回运动明显空缺，能感到轴承有序、平滑移动。拆开后发现，轴承发生损坏，其中一颗滚珠脱落。对此，重新更换轴承后，机床恢复正常运行，加工精度满足标准要求。
1.2　机床热变形
MH800C机床，由德国DMG公司生产，批量加工时零件尺寸不稳定，影响正常的生产活动。现场调查认为故障原因可能如下：
（1）机械部件磨损导致连接松动。检查各轴反向间隙发现间隙过大，传动皮带的连接紧密。将反向间隙补偿到坐标轴，机床重新运行发现故障依然存在，可以排除这一原因。
（2）驱动系统受外部干扰。经检查发现接地良好，屏蔽装置有效，可以排除这一原因。
（3）加工过程中机床发生变形。检查显示各个地脚牢固，没有出现问题。
对此，最终怀疑是热变形引起的。为了进一步明确故障原因，辅助利用百分表，在机床试运行的同时进行检测，结果发现检测时的位置坐标一致，但实际位置发生明显变化；而且随着主轴温度的升高，其变化值也在加大；当主轴冷却以后，检测值慢慢恢复正常。由此可见，故障原因是温度变化引起的坐标点漂移，处理方法是将漂移值补偿到程序中。如此，机床运行时，加工精度得以保证，工件尺寸满足加工要求。
1.3　机床地基和水平不符合要求
DMU70VL立式加工中心，由德国DMG公司生产。为了满足工艺需要，机床更换了厂房，但运行期间X轴方向出现超差。现场调查后认为故障原因可能如下：
（1）X轴的传动部件松动。例如，丝杠间隙增大，或者丝杠出现轴向窜动。检查分析后，发现间隙满足标准，丝杠两端也没有松动现象，重新拧紧后，故障没有解除。
（2）热变形问题。观察温度表显示温度均匀变化，主轴温度处于38℃左右；结合以往实践，由热变形引起的故障不会只有一个坐标轴出现问题，因此可以排除。
（3）X轴自身变形。考虑到X轴长度约为3m，因此水平要求高，首先检查地脚螺钉，调整机床的水平位置，结果显示精度差异明显减小，但一段时间后问题再次出现。为了进一步明确故障原因，辅助利用千分表检测X轴丝杠，结果发现发生弯曲，最终确定是机床地基问题。移开机床发现地面塌陷，将机床移回原来的厂房，结果运行恢复正常。
1.4　机床电气参数更改
V600V数控立式加工中心，由大河机床上生产，控制系统采用FANUC0-M。加工运行期间，X轴间隙增大，电机在启动时稳定性不足。操作人员触摸电机时，发现电机出现抖动，处于IOB模式下的抖动更加剧烈。调查分析后，认为故障原因如下：反向间隙过大；X轴电机出现问题。具体检查时，首先，补偿反向间隙，结果故障没有解除，因此可以排除这一故障；然后，借助于FANUC系统的参数功能，调试电机的伺服增益参数、脉冲功能参数，结果电机抖动现象消除，加工精度满足生产要求。
1.5　系统参数变化或改动
在数控机床中，系统参数主要包括进给单位、反向间隙、零点偏置等。SIEMENS系统或FANUC系统是数控机床常用的控制系统，在进给单位上分为公制、英制两种类型。我公司内的CS-GT仪表车床由美国哈挺公司生产，操作人员加工英制螺纹时，首先将进给单位调整为英制，在加工作业完成后，没有将其改回公制单位；而且和下一班组操作人员沟通不畅，结果导致后期加工的元件不满足精度要求，甚至出现废品。此外，机床在修理过程中，因为零点偏置、反向间隙、单位修改等，改变了零件的尺寸，修理完成后却没有及时调整相应的参数。机床随着应用时间的延长，部件之间磨损加大，连接部位也会发生松动，这也会导致参数测量值变化，应该进行相应调整，以满足加工精度要求。
1.6　保养管理不善
公司内的多台JICK6116经济性数控车床在工作运行过程中，横向尺寸或径向尺寸出现超差。调查分析后，发现问题在于加工产品的公差带较宽，多在0.03～0.08mm之间，正常范围则在0.005～0.025mm之间。对比可见，这些车床在加工中，存在精度异常故障。采用跟踪检查的形式，结果发现除了超差废品以外，合格产品的尺寸波动范围满足要求。对此，分析认为故障原因可能如下：
（1）X轴、伺服电机连接端承的润滑不到位，尤其是人工润滑不到位，或者直接使用冷却液，对润滑膜造成损害，导致轴承滚珠发生变形、磨损等现象。在丝杠的传递作用下，切削力到达轴承后，导致刀架的横向窜动量大小不一，因此精度超差。对此，更换新的轴承后，故障解除，满足精度要求。
（2）滚珠丝杠副磨损不均匀，在切削作用下，刀架定位的精度降低，此时单纯预紧丝杠螺母或者进行间隙补偿，是无法有效解决问题的，必须更换丝杠螺母。
（3）X轴托板的导轨面不均匀，或者斜铁磨损不均匀，此时机床运行特性变差，由于各个部位的摩阻力不一致，在切削作用下，刀架的移动松紧也不一致，就会降低定位精度。对于这种问题，单纯调整尺寸无法解决，应该恢复导轨精度。
（4）刀架的定位销孔发生严重磨损，由于回转刀架的定位不精确，加工时的工件尺寸波动，继而造成精度超差。对此，更换发生磨损的部件即可。
（5）机床导轨润滑不足，或者运行中铁销进入导轨副之间，此时摩擦阻力明显加大，影响机床的运动稳定性。
实践证实，因保养管理不善造成的精度异常故障往往具有较强的隐蔽性，由于诊断难度大，要求检查时必须细致。从诊断处理经验来看，针对此类问题，首先由操作人员进行查询，了解设备加工出废品之前的运行情况，掌握各项产品检验数据，以及关键工序、产品质控图等资料。辅助利用工具设备，分析加工尺寸的变化趋势，看波动范围是否正常。如果波动范围正常但尺寸超限，此时可以先不处理，时刻监测尺寸的变化趋势；如果波动范围异常且尺寸超差，此时应该及时寻找故障原因，并进行针对性处理。
2　数控机床故障的诊断原则和方法
2.1　诊断原则
针对数控机床故障，诊断原则如下：
（1）先外后内。数控机床的外部包括机械、电气、液压等，故障发生后会体现在外部，因此维修人员应该从外向内排查，不要随意拆卸或启封，否则会扩大故障范围、降低设备性能。
（2）先静后动。数控机床“带病”运行时，会对其余部件造成损害，因此故障发生后要及时停止运行，进行观察和检验，明确故障部位和原因。如果是破坏性故障，在保障安全的前提下进行通电检查。
（3）先机械后电气。机械和电气密切相关，其中电气系统控制机械系统，因此发生故障后应该先检查机械系统，然后检查电气系统，以提高维修效率。
2.2　诊断方法
数控机床故障诊断的常用方法如下：
（1）直观法。采用望闻问切四个步骤，观察机床故障现象，看报警指示灯、电容器等原件是否变形烧焦，看保护器脱扣情况；询问操作人员机床运行情况；听运行噪声和异常声响；闻有没有元件烧焦的味道；触摸机床了解发热、振动等情况。
（2）隔离法。针对可能发生故障的部位进行隔离，逐渐缩小故障范围。
（3）功能测试法。采用专业软件和程序，判断元件的运行性能。
（4）参数检查法。RAM系统中记录了设备的运行参数，故障发生后会对参数造成影响，出现参数变动或混乱应检查这些参数，以判断故障类型和原因。
（5）同类对调法。使用相同功能的元件代替故障元件，从而明确故障原因。
3　加工精度异常的预防措施
3.1　加强采购管理，提高机床质量
从数控机床本身来看，如果生产质量有缺陷（例如结构刚度低、装配质量差），运行时就会带来加工精度异常。对此，设备安装要严格按照说明书，提高地基强度，以满足承重和抗震要求；科学接地，电气柜中的动力线、信号线要分开布设，增强机床的抗干扰能力。
3.2　定期开展维修保养工作
分析以往机床加工精度异常的原因，维修保养不到位是一个重要原因，会导致机床导轨、回转刀架、主轴、分度工作台等部位的润滑性差，机床运行期间会增大摩擦和损耗，久而久之造成精度降低。此外，机床操作不合理，存在超负荷运行的情况，也会造成精度异常。
3.3　提高操作人员的技能素质
一方面，要树立高度责任心，熟练掌握机床的操作流程和技巧，生产过程中观察机床的运行情况，看有无发生异常现象，提高加工精度；另一方面，要不断提升技能水平，企业应该定期开展培训活动，学习先进的工艺技术，掌握维修技巧和方法，一旦发现异常及时处理，避免出现严重故障，将经济损失降至最低。
4　结语
综上所述，随着科学技术的发展，数控机床得以在制造行业普遍应用，且获得行业青睐。本文结合实际案例，从机械传动部件故障、热变形、地基和水平不符合要求、电气参数更改、系统参数变化或改动、保养管理不善等方面，介绍了加工精度异常的原因和处理方法。在企业生产中，只有加强采购管理，定期开展维修保养工作，提高操作人员的技能素质，才能提高加工精度，促进企业可持续发展。