数控机床加工精度异常的诊断处理与预防

王小峰 梁国强 高少华

（西安航空动力控制科技有限公司 西安）

在科学技术飞速发展的今天，利用数字信号控制机床运动的数控机床加工技术，越来越受各制造业的青睐。数控机床开始被广泛应用于各行业，尤其在航空制造业中的应用，已经到了不可或缺的地步。在实际应用中难免会存在这样那样的故障，与产品联系最紧密的莫过于机床加工精度的异常问题。

在生产中经常会遇到操作人员反映数控机床加工精度异常，此类问题也时常困扰着生产车间的正常生产，这类问题产生的原因众多，隐蔽性强，诊断难度大，导致此类问题的原因主要有几个方面，一般可从机械，电气和加工3个方面分析。

一、机械方面

机床丝杠螺母，轴承预紧力，导轨间隙等调整不当。机械传动部件故障，如丝杠，轴承，联轴器等部件异常。机床的主要部件磨损导致运动精度损失（如几何精度，定位精度，重复定位精度等）。机床产生的热变形。机床地基和水平不符合要求。机床修理后的调整不当。

二、电气方面

机床进给单位被改动或变化，机床各轴的零点偏置异常。运动执行部件状态异常。电气及伺服驱动控制部分异常。机床位置环和速度环异常。参数设置不合理，（如反向间隙，加减允差，伺服增益等）。机床接地要求不符合规范，无平屏蔽措施，抗干扰能力差。电气控制伺服驱动部件故障。

三、加工方面

加工工艺不合理（工装，刀具，工艺方法等的选择不当）。编程方法不正确（编程路线，工件零点等的选择。）加工参数不正确（加工余量，主轴转速，坐标进给等的选择）。刀具的磨损，对刀不准，零点偏置异常，坐标点计算错误，刀补值输入错误，工装固定不牢等。此外，加工程序的编制，刀具的测量及其他人为因素，也可能导致加工精度异常。

出现这类问题一般有2种情况。一种是有规律可循的，如刀具磨损，对刀不准，零点偏置异常，尺寸单位被转换等加工方面的原因引起的精度异常，只要操作，编程，工艺人员不断提高自己的业务水平，加强彼此之间的合作，端正对工作的态度，这类问题就会逐渐消失。另一种是随机的，没有规律性。比如尺寸和形状误差变化毫无规律，这类故障的原因隐蔽性很强，解决难度大，在原因不清或判断错误的情况下动手，弄不好会使机床故障扩大或废品率更高，甚至停产。所以解决机床随机性故障引起的加工精度异常问题，是今后工作的重点，也是维修人员技能提高的重要方向。根据几个典型例子，来分析引起精度异常问题产生的原因和处理方法。

1.机械传动部件故障导致的加工精度异常

一台宁江机床厂生产的THM6350卧式加工中心，采用FAGOR8055数控系统。一次在洗削壳体的过程中，突然发现Z轴进给异常，造成至少1 mm的切削误差量（过切）。通过调查了解到故障是突然发生的，机床在点动，MDI操作模式下各轴进给正常，且回参考点正常，无任何报警提示，电气控制部分硬件的故障可能性排除。经过分析，对以下几方面进行检查。

（1）检查机床精度异常时正在运行的加工程序段，特别是刀具长度的补偿，加工坐标系（G54-G59）的校对及计算。

（2）在点动方式下，反复运动Z轴，经过视觉，触觉和听觉对其运动状态诊断发现Z向运动声音异常，特别是快速点动，噪声更加明显，由此判断机械方面可能存在隐患。

（3）检查机床Z轴精度，用手摇脉冲发生器（以下简称手脉）移动Z轴（将手脉倍率定位1×100挡，即每变化一步，电机进给0.1 mm），配合百分表观察Z轴的运动情况，在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3…=0.1 mm,说明电机运动良好，定位精度良好，而反映到机床实际运动位移量的变化上，可以分为4个阶段。一是机床运动距离d1>d=0.1 mm。二是表现为电机进给d-0.1 mm>d2>d3。三是机床机构实际未移动，表现为最标准的反向间隙。机床运动距离与手脉给定值相等（斜率等于1），恢复到机床正常运动，无论怎样对反向间隙进行补偿，其表现特征是：除第三阶段能够补偿外，其他各段变化仍然存在，特别是第一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，d1的移动距离也越大。

分析上述检查过程，认为可能原因：一是电机有异常，二是机械方面有故障，三是存在一定的间隙。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。电机运行正常，在对机械部分诊断中发现，用手盘丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感，而正常情况下应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经拆检发现其轴承确已受损，且有一颗滚珠脱落，更换后机床恢复正常。

2.机床热变形引起的精度故障

一台德国DMG公司生产的MH800C，在成产加工过程中，加工一段时间后零件就开始出现尺寸不稳定现象（无其他故障），严重影响到正常生产。

分析认为：故障原因可能有3种，一是机械部分的磨损，联接件有松动，检查各轴反向间隙及皮带传动部位的连接，发现的确有间隙存在，但传动部位的连接很牢靠，将反向间隙补偿到个坐标轴中，让机床运转试加工，问题依然存在，说明此故障与反向间隙没有多大关系。另一种可能是驱动系统受到外部信号干扰造成的，检查各控制部分接地是否良好，屏蔽装置是否有效，均没有发现任何问题，应该不是电气控制原因造成的该故障。那么只有一种可能就是在加工过程中，机床发生了变形，检查机床各地脚是否牢靠，没有发现任何问题。在工作台上架一块百分表，让机床试运行，0.5 h检测一次同一位置的变化情况，经过几个小时的试验，发现每次检测时，坐标位置虽然显示一致，但实际位置却发生了较大变化，而随着主轴温度的升高，变化值都会增加一点，让机床主轴逐渐冷却，就会发现检测值逐渐恢复到起始状态，说明坐标点的漂移，的确是由于温度的变化引起的。这样可以根据坐标值随温度变化的规律，将漂移值补偿到计算机当中，在机床执行加工程序时会根据坐标值随温度的变化自动执行补偿文件。做完这些，再执行加工程序，工件的尺寸就稳定下来了。

3.机床地基和水平不符合要求引起的加工精度异常

公司一台德国DMG公司生产的双工作区，双工作台，立式加工中心DMU70VL，由于工艺布局的需要，从一个厂房搬迁到另一个厂房，但不久就出现产品加工中X轴方向总是超差的问题。经过长时间的探讨分析，认为问题产生的原因有3点。

（1）X轴的传动联接部件有松动，检查没有发现任何问题。X轴丝杠副间隙过大或丝杠轴向有窜动，检查丝杠副间隙，一切正常，检查丝杠两端背冒，无松动现象，松开重新预紧，故障依然存在。

（2）热变形问题，检查中测量温度变化很均匀，且主轴温度一直保持在38度左右的稳定状态，而且热变形引起的变形不会只体现在一个坐标上，排除热变形原因。

（3）X轴本身变形，由于X轴的长度将近3 m，所以对水平的要求比其他机床高一些。检查机床所有地脚螺钉的紧固情况，并重新调整机床水平。问题得到了一些缓解，可没过几天同样的问题又出现了。检查调整过的水平，同样发生了变化，这说明机床水平不稳定，重新调整，过几天又出现同样的问题，而且是向同一方向倾斜，用千分表检测X轴丝杠，发现有弯曲现象，通过反复试验，判断机床地基存在问题，处于试验的目的，将机床移开，发现地面已经塌陷了一个小坑，说明地基的确存在问题，由于地基的变化而引起了机床的变形，导致X轴丝杠弯曲。将机床重新移回原来的厂房，一切恢复正常。

4.机床电气参数更改引起的精度异常

一台大河机床厂生产的V600C数控立式加工中心，配置FANUC0-M数控系统，在加工过程中发现X轴精度异常，检查发现X轴存在一定的间隙，且电机启动时存在不稳定现象，用手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较严重，启停时不太明显，JOG方式下较明显。

分析认为：故障原因有2点，一是机械反向间隙较大，二是X轴电机本身工作异常，首先对存在的机械反向间隙进行补偿，可故障现象依然存在，说明与反向间隙无关，紧接着利用FANUC系统的参数功能，对电机进行调试，调整伺服增益参数及脉冲功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常。

5.系统参数发生变化或改动

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SIEMENS，FANUC数控系统，其进给单位有公制和英制2种，公司有一台美国哈挺公司生产的CS-GT仪表车床，操作工人在加工英制螺纹时，将进给单位改为英制，但加工完成后并没有及时改回公制单位且未对下一班作任何交代，造成另一班的工人加工出废品，机床修理过程中某些处理（修改单位，零点偏置，反向间隙等）常常影响到零件尺寸的变化，因此故障处理完毕应作适时调整和修改，另一方面，由于机械磨损严重或连接松动也可能造成参数实测值得变化，需对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。

6.保养不善引起的精度异常

公司有多台经济型数控车床J1CK6146，在加工过程中都出现过径向（X方向）或横向（Z方向）尺寸无规律，偶热有超差现象。

通过调查了解到，这些数控车床所加工的产品公差带比较宽，在0.03～0.05 mm，正常加工时尺寸波动范围一般在0.005～0.025 mm，所以极少出现超差现象。说明机床可能存在精度功能性故障，通过对产品全程跟踪检查，发现除超差的废品外，其余合各尺寸波动范围也比正常时大。

（1）X轴与伺服电机连接端轴承由于存在润滑不到位的缺陷，人工润滑时有时无，使用冷却液容易破坏润滑油膜导致轴承滚珠变形甚至严重磨损，当切削力通过丝杠副传到轴承时，由于磨损或变形不规则，导致刀架横向窜动量不一，定位精度多大，更换轴承后一切正常。

（2）滚珠丝杠副磨损不均匀。滚珠丝杠副磨损不均匀，在切削力作用下会使刀架定位精度差，对丝杠螺母副预紧或采用间隙补偿，是不能解决由此引起的超差故障的，必须更换丝杠螺母。

（3）X轴托板导轨面或斜铁磨损不均匀。X轴托板导轨面和斜铁磨损不均匀，机床运动特性差，各处摩擦阻力不等，在切削力作用下致使刀架移动松紧不一，定位精度变差，由这类引发的尺寸超差通过调整是无法消除的，只有恢复导轨精度才能彻底解决。

（4）刀架定位销或孔严重磨损。由于刀架定位销或孔磨损，回转刀架每次定位位置就不唯一，通过夹紧刀架就保持在定位位置上，由此引发加工尺寸波动，更换磨损件。

（5）机床导轨润滑不良或运动过程中铁削进入静导轨副之间，机床导轨润滑不良或由于刮削板失效，铁销进入静导轨副之间，导致摩擦阻力过大而不均匀，机床运动特性变差。

通过以上的案例不难看出，对于数控机床加工精度异常的问题，需要维修人员在实际工作中不断的总结和归纳，才能又好又快的解决实际中存在的问题。当然对于这类随机性比较强的精度异常问题，由于其隐蔽性较强，诊断难度大，处理起来要特别仔细，有一点想不到，可能就无法解决存在的问题。所以当出现随机性精度异常问题时，先不要急于动手。应向操作者或检验员了解设备出现废品前的加工情况，并收集设备加工产品检验数据。有的关键工序设备还有产品质控图，认真分析加工尺寸趋势的变化，看波动范围是否正常。这里有2种情况。一是波动范围正常，仅尺寸超差的异常，一般先不理会，但要注意尺寸走向趋势。另一种是波动范围就不正常，尺寸超差是波动范围不正常的必然发展结果，这就要找出原因并给予排除。

7.预防精度异常涉及的其他问题

首先，要把好采购和安装质量关，机床本身如果存在先天性缺陷，如结构刚性差，制造装配质量差，由它引起的精度异常是很难排除的。设备安装应严格按照说明书的要求进行，地基必须结实牢靠，防振，承重符合要求。机床接地应规范，电气柜内动力线和信号线要分开走线，间距符合要求，以提高机床抗干扰能力。

其次，认真执行设备维护保养制度，引起精度异常的主要原因是：机床保养不到位，机床导轨，滚珠丝杠副，分度工作台，回转刀架，主轴旋转等关键部件润滑不良，磨损，松动等造成运动精度下降，另外不合理的使用机床，经常超负荷切削，超规定速度移动部件，也是引起精度异常的原因之一。

再次，提高操作者的熟练程度和责任心。操作者的责任心不强，对机床不熟悉，操作不熟练，会经常出现刀具撞击机床而损坏主轴或刀架，破坏工作台或导轨，引起机床精度损失，这都会使随机性精度异常故障率提高，有时即使原因清楚也很难恢复精度。

最后，提高维修人员的技能水平。实际工作中经常发现由于维修调整，修理不当引起的设备精度故障扩大或修理质量不高的现象，所以，提高维修人员的技能非常重要。