浅析数控机床加工精度降低的原因
2023.04.12
编辑： 南京众博机械
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造成加工精度异常故障的原因隐蔽性强，诊断难度比较大，归纳出五个主要原因：机床进给单位被改动或变化；机床各个轴的零点偏置异常；轴向的反向间隙异常；电机运行状态异常，即电气及控制部分异常；机械故障，如丝杠，轴承，轴联器等部件。另外加工程序的编制，刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。一、造成加工精度异常故障的原因 造成加工精度异常故障的原因隐蔽性强，诊断难度比较大，归纳出五个主要原因：机床进给单位被改动或变化；机床各个轴的零点偏置异常；轴向的反向间隙异常；电机运行状态异常，即电气及控制部分异常；机械故障，如丝杠，轴承，轴联器等部件。另外加工程序的编制，刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。 二、数控机床故障诊断原则 1.先外部后内部数控机床是集机械，液压，电气为一体的机床，故其故障的发生也会由这三者综合反映出来。维修人员应先由外向内逐一进行排查，尽量避免随意地启封，拆卸，否则会扩大故障，使机床丧失精度，降低性能。 2.先机械后电气一般来说，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断则难度较大些。在故障检修之前，首先注意排除机械性的故障，往往可达到事半功倍的效果。 3.先静后动先在机床断电的静止状态下，通过了解，观察，测试，分析，确认为非破坏性故障后，方可给机床通电；在运行工况下，进行动态的观察，检验和测试，查找故障。而对破坏性故障，必须先排除危险后，方可通电。 4.先简单后复杂当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。往往简单问题解决后，难度大的问题也可能变得容易。 三、数控机床故障诊断方法 1.直观法：（望闻问切）问-机床的故障现象，加工状况等；看-CRT报警信息，报警指示灯，电容器等元件变形烟熏烧焦，保护器脱扣等；听-异常声响；闻-电气元件焦糊味及其它异味；摸-发热，振动，接触不良等。 2.参数检查法：参数通常是存放在RAM中，有时电池电压不足，系统长期不通电或外部干扰都会使参数丢失或混乱，应根据故障特征，检查和校对有关参数。 3.隔离法：一些故障，难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常采用隔离法。 4.同类对调法用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板，或将功能相同的模板或单元相互交换。 5.功能程序测试法将G，M，S，T，功能的全部指令编写一些小程序，在诊断故障时运行这些程序，即可判断功能的缺失。 四、加工精度异常故障诊断和处理实例 1.机械故障导致加工精度异常 故障现象：一台SV-1000立式加工中心，采用Frank系统。在加工连杆模具过程中，忽然发现Z轴进给异常，造成至少1mm的切削误差量（Z方向过切）。 故障诊断：调查中了解到，故障是忽然发生的。机床在点动，在手动输入数据方式操作下各个轴运行正常，且回参考点正常，无任何报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。应主要对以下几个方面逐一进行检查。 检查机床精度异常时正在运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿，加工坐标系（G54-G59）的校对和计算。 在点动方式下，反复运动Z轴，经过视，触，听，对其运动状态诊断，发现Z向运动噪音异常，特别是快速点动，噪音更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。 检查机床Z轴精度。用手摇脉冲发生器移动Z轴，（将其倍率定为1×100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm），配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动保持正常后作为起始点的正向运动，脉冲器每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3=…=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度也良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：（1）机床运动距离d1>d=0.1mm（斜率大于1）；（2）表现出为d1=0.1mm>d2>d3（斜率小于1）；（3）机床机构实际没移动，表现出最标准的反向间隙；（4）机床运动距离与脉冲器经定数值相等（斜率等于1），恢复到机床的正常运动。无论怎样对反向间隙进行补偿，其表现出的特征是：除了（3）阶段补偿外，其他各段变化依然存在，特别是（1）阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，（1）阶段移动的距离也越大。 分析上述检查认为存在几点可能原因：一是电机有异常，二是机械方面有故障，三是丝杠存在间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。检查结果是电机运行正常；在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有很大的空缺感。而正常情况下，应该能感觉到轴承有序而平滑的移动。 故障处理：经过拆卸检查发现该轴承确实受损，且有滚珠脱落。更换后机床恢复正常。 2.控制逻辑不妥导致加工精度异常 故障现象：一台上海机床厂家生产的加工中心，系统是Frank.加工过程中，发现该机床X轴精度异常，精度误差最小为0.008mm，最大为1.2mm.故障诊断：检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在手动输入数据方式操作下，以G54坐标系运行一段程序即“GOOG90G54X60.OY70.OF150；M30；”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为（X轴）“-1025.243”，记录下该数值。然后在手动方式下，将机床点动到其他任意位置，再次在手动输入数据方式操作下运行刚才的程序段，待机床停止后，发现此时机床坐标数值显示为“-1024.891”，同上一次执行后的数值比较相差了0.352mm.按照同样的方法，将X轴点动移动到不同的位置，反复执行该程序段，而显示器上显示的数值都有所不同（不稳定）。用百分表对X轴进行仔细检查，发现机械位置实际误差同数字显示出来的误差基本一致，从而认为故障原因为X轴重复定位误差过大。对X轴的反向间隙及定位精度进行检查，重新补偿其误差值，结果起不到任何作用。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题。但为什么产生如此大的误差，却又未出现相应的报警信息进一步检查发现，此轴为垂直方向的轴，当X轴松开时主轴箱向下掉，造成了误差。 故障处理：对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在X轴松开时，先把X轴使能加载，再把X轴松开；而在X轴夹紧时，先把X轴夹紧后，再把使能去掉。调整后机床故障得以解决。 3.机床位置问题导致加工精度异常 故障现象：一台杭州产的立式数控铣床，配备北京KND-10M系统。在点动或加工过程中，发现Z轴异常。 故障诊断：检查发现，Z轴上下移动不均匀且有噪声，且存在一定间隙。电机启动时，在点动方式下Z轴向上运动存在不稳定的噪声及受力不均匀，且感觉电机抖动比较厉害；而向下运动时，就没有抖动得这么明显；停止时不抖动，在加工过程中表现得比较明显。分析认为，故障原因有三点：一是丝杠反向间隙很大；二是Z轴电机工作异常；三是皮带轮受损至受力不均。但有一个问题要注意的是，停止时不抖动，上下运动不均匀，所以电机工作异常这个问题可以排除。因此先对机械部分诊断，在诊断测试过程中没有发现异常，在公差之内。利用排除法则，余下的只有皮带问题了，在检测皮带时，发觉这条皮带刚换不久，但在细心检测皮带时，发现皮带内侧出现不同程度的受损，很明显是受力不均所至，是什么原因造成的呢在诊断中发现电机放置有问题，即装夹的角度位置不对称造成受力不均。 故障处理：只要将电机重装，对准角度，测量好距离（电机与Z轴的轴承），皮带两边（长度）要均匀。这样，Z轴上下移动不均匀且有噪声及抖动现象就消除了，Z轴加工恢复正常。 4.系统参数未优化，电机运行异常 导致加工精度异常系统参数主要包括机床进给单位，零点偏置，反向间隙等。例如Frank数控系统，其进给单位有公制和英制两种。在机床修理过程中对于局部处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕后应作适时的调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或连接位松动也可能造成参数实测值的变化，需要对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。 故障现象：一台杭州产的立式数控铣床，配备北京KND-10M系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。 故障诊断：检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定的现象。用手触摸X轴电机时感觉电机拉动比较厉害，停止时拉动不明显，尤其是点动方式下比较明显。分析认为，故障原因有两点：一是丝杠反间隙很大；二是X轴电机工作异常。 故障处理：利用KND-10M系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行补偿，再调整伺服系统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。
