数控机床随机性精度超差故障处理

    一、前言

    零件加工精度取决于数控机床及数控系统的控制精度，而控制精度又受机械运动精度和数控系统性能、电气控制精度影响。通常在正确选择数控机床和机床正常的前提下，机床加工过程中产生废品的机率是很低的。当机床存在精度方面的功能性故障时，废品率就会上升。
    一般精度超差有两种，一种是有规律的，如刀具磨损、对刀不准、零点偏置值异常、尺寸单位被转换、刀补值输入错误、坐标点计算错误、程序编制错误以及刀具选择错误等引起的超差，这类故障解决比较容易。另一种没有规律，如尺寸和形位误差变化毫无规律，这类故障原因隐蔽性强，解决难度大，在原因不清或判断错误情况下动手，弄不好会使机床故障扩大或废品率更高。当数控机床成为生产线上的关键瓶颈设备或处于通用机床无法替代的工序上时，如停机就意味着停产。所以，研究数控机床随机性精度超差故障成因并提出预防措施，指导企业在设备出现随机性精度超差故障时，如何快速查找原因并迅速排除是当前服务企业的主要任务。

    二、精度故障的查找与判断方法

    精度故障的查找，一定要根据连续出现超差前加工产品状况来判断。一般衡量机床加工精度的指标为工序能力指数C_pk，指数值大表示尺寸波动范围小，超差概率越小。正常时的废品率一般与所加工的产品公差带宽度、机床精度特性、工艺系统稳定性有关。正常时机床工序能力C_pk>1，理想工序能力C_pk>1.33。
    当设备存在某种影响精度的机械或电气故障时，反映到产品尺寸上，波动范围就大，废品率就会偏离正常值。对某台机床而言，这个正常值就是正常加工情况下，经过长时间运行由统计方法所得的废品率值。一旦偏离统计废品率值，就说明机床存在故障。对解决机床产生精度故障的效果，也只能用发生故障的频次趋势来判断。

    三、对随机性精度故障的处理方法

    当出现随机性精度超差，先不急于动手。应向操作者或质检员了解该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变化，看波动范围是否正常。这里有两种情况：一是波动范围正常，仅尺寸超差的为异常。一般先不要理会，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。

    四、随机性精度超差故障产生原因

    为弄清精度故障产生的原因，首先要了解数控机床精度的控制方法。数控机床对加工精度的控制是通过保证其位移精度和定位精度来实现的。进给伺服系统的位移精度是指：指令脉冲要求机床进给的位移量和该指令脉冲经过伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。进给伺服系统的定位精度是指：输出量能复现输入量的精确程度。数控机床为保证其高的位移精度和定位精度，多采用闭环伺服系统和半闭环伺服系统。它们都是用插补运算得到的位置指令与位置检测装置反馈回来的机床坐标轴实际位置的差值进行控制，直到差值消除为止。所不同的是闭环伺服系统，位置检测装置装在执行部件末端，其环内各组件的误差、传动链误差以及运动中造成的误差可以提前得到补偿，因此可得到较高的位移精度和定位精度。闭环伺服系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。而半闭环伺服系统，位置检测装置装在伺服电机轴上或丝杠端部，它将机械构件封闭在反馈控制环外，由此产生的传动链误差以及运动中造成的误差不能得到补偿，因此其控制精度低于闭环伺服系统，但系统稳定性好。半闭环系统和开环系统出现精度超差故障概率相对较大。
    数控机床加工过程中出现的随机性精度超差故障，归纳原因有以下几方面：
    1.机床的主轴、导轨、滚珠丝杠螺母、工作台、刀架等关键零部件磨损不均导致运动精度下降；
    2.机床丝杠螺母、轴承的预紧、导轨间隙调整不当等；
    3.从进给电机到与刀架或工作台连接的螺母之间任何一个传动元件间有间隙或松动都可能引起随机性精度超差，如电机与丝杠连接销钉及防止丝杠轴向窜动的螺母松动等；
    4.导轨润滑不良、导轨移动部位未及时清扫铁屑、刮屑板坏，铁屑进入导轨运动副之间，导轨严重磨损；
    5.机床参数设置不合理，如与位置控制有关的参数反向间隙、夹紧允差等设置不合理会引起精度超差；
    6.机床地基和水平不符合要求；
    7.机床接地要求不符合规范，无屏蔽措施，抗干扰能力差；
    8.超负荷切削，超过规定速度快速移动而引起步进电机丢步；
    9.机床修理调整不当。

    五、案例

    1．江铃底盘公司有多台半闭环型数控车床CAK6150D，在加工过程中都出现过径向（X方向）尺寸无规律，偶然有超差现象。
    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0.035～0.06mm之间。正常加工时，尺寸波动范围一般在0.005～0.025mm之间，所以极少有超差现象。现出现超差，就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验，发现除超差的废品外，其余合格品尺寸波动范围也比正常时大。通过对这些精度故障的排除效果追踪，归纳起来有如下原因会引起机床随机性故障超差。
    (1)X轴与伺服电机连接端轴承ZRKN2052T由于存在自动润滑不到位缺陷，人工润滑时有时无，使用冷却液又容易破坏润滑油膜导致轴承滚珠变形，保持架或滚道破坏，严重磨损。故障机理：当滚珠变形，保持架或滚道破坏严重磨损时，当切削力通过丝杠螺母副传到轴承时，由于磨损或变形不规则，导致刀架横向窜动量不一，定位精度过大。排除方法：更换轴承。预防对策：通过改善轴承润滑条件，提高轴承寿命，严禁超出负荷使用设备。
    (2)滚珠丝杠螺母副磨损不均匀。滚珠丝杠螺母副磨损不均匀，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，必须更换丝杠螺母副。加强设备日常维护保养，定期检查并消除丝杠螺母间隙。
    X轴与电机相连处螺母松动。X轴与电机相连处螺母松动，造成丝杠轴向窜动，由于松动造成丝杠轴向窜动量在不断变化，结果造成加工尺寸不稳定。拧紧螺母或加防松装置后紧固。定期检查和调整。
    (3)X轴拖板导轨面或镶条磨损不均匀。X轴拖板导轨面和镶条磨损不均匀，机床运动特性变差，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。排除方法是项修，铲刮X轴拖板导轨面和镶条。加强设备日常维护保养，定期检查刮屑板，及时更换失效件。
    (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。平时注意刀架的润滑，防止出现撞击事件和过负荷切削。
    (5)机床导轨润滑不良或运动过程中铁屑进入动静导轨副之间。机床导轨润滑不良或由于刮屑板失效，铁屑进入动静导轨副之间，导致摩擦阻力大而不均匀，机床运动特性变差。坚持对导轨加油，更换破损刮屑板。加强设备日常维护保养。
    2．在一台H1-K001三轴单元上精镗11A主减壳直径l00mm、90mm等孔，该机由两个加工中心单元组成，其中NC1单元精撞直径l00mm孔，NC2单元精撞直径90mm孔，加工时NC1单元精镗直径100mm孔从未出现过超差，而NC2单元精撞直径90mm孔则不时出现尺寸超差现象，废品概率少时约1‰，高时达2％左右（此数中不含刀具磨损、对刀错误等异常情况造成的废品）。
    众所周知，撞刀一经调好，就成定值刀具，如对刀错误，产生的精度超差也为系统误差。现加工过程中有时出现镗孔尺寸超差，不作任何调整又恢复正常尺寸这种随机性精度故障。为此，专门成立一个攻关小组，列出工件材料、刀具夹紧力、冷却液、吹屑系统、主轴和刀具7:24锥面、拉钉与抓爪、套筒、蝶形弹簧等配合移动情况等7项可能会引起精度故障原因，并逐一检查分析。在不正常时对机床跟踪监控，发现以下4种情况：
    (1)不同厂家毛坯出现的废品概率不同；
    (2)检查发现主轴与刀柄7:24锥面接触面积达不到要求；
    (3)主轴刀具夹紧装置内出现两片碟形弹簧破碎，使废品写提高；
    (4)NC2单元在刀具交换时，NC1单元精撞直径100mm孔仍在进行，铁屑飞溅落在NC2单元主轴内超差。
    从故障处理效果看，引起偶发尺寸超差主要原因是，主轴刀柄夹紧力不足和主轴内锥与刀柄接触刚度差所致。当材料较硬时，由于刀杆较长，主轴与刀柄接触刚度又差，切削力较大时，刀片位置就会发生变化，所以铿出孔偏大。
    3．江铃底盘公司2004年购进一批CKA6150数控车床中，有一台投产三个月后开始偶尔出现X轴方向尺寸超差（加工件公差带0.035mm），废品基本上出现在返回参考点后加工第一件，但并非每次回参考点加工第一件都是废品，只是偶尔出现。经检查加工件超差有几个毫米，只要重回一下参考点，又正常。
    在排除操作者误操作可能性后，判断这故障与回参考点有关，检查减速挡块及电气开关，无松动现象，于是通知机床生产厂“三包”人员，在同厂家人员一起对废品检查中，发现超差约为一个丝杠螺距，可是检查减速挡块到参考点距离也正常。后偶尔一次检查发现，由于减速开关处很多灰尘堆积，导致开关灵敏度变差，更换减速开关，故障排除。

    六、快速处理随机性精度故障方法

    由于处理随机精度故障，查找与判断需要一段时间的观察并积累原始数据，如果前期一直注意资料的积累，在查找的过程中就便于分析趋势并作出正确的处理。
    为快速处理随机性精度故障，在设备管理方面，应养成建立设备维修档案的习惯。每台设备一个档案本，记录着每次设备故障现象、原因分析、处理过程、备件更换、修后效果跟踪、修理人等记录，同时要作好设备保养记录，确保记录真实性，这对分析查找故障有益。
    在质量管理方面，应按质量管理标准要求，坚持做质量控制图，常见的有X―R图，便于找出随机性误差。

    七、随机性精度故障的预防

    1.把好设备采购和安装质量关
    采购设备应选名牌定型产品，机床本身存在先天性缺陷如结构刚性差、制造装配质量差引起的精度故障很难排除。设备安装应严格按使用说明书要求进行，地基必须结实、防振，承重符合要求，合理布置调整垫块位置，水平调调整应符合要求，机床接地应规范，电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。
    2.认真执行设备的维护保养制度
    引起精度故障主要原因是：机床维护保养不到位，机床导轨、滚珠丝杠螺母副、分度工作台、回转刀架、主轴传动等关键部件润滑不良、磨损、松动等造成运动精度下降。另外不正确合理使用机床、经常超负荷切削、超规定速度移动部件，也是引起精度故障原因之一。
    3.提高操作者熟练程度
    操作者不熟练，如出现刀具撞击机床损坏主轴或刀架、破坏工作台或导轨，这都会使随机性精度故障率提高。原因即使知道也难于排除。
    4.正确合理使用数控机床
    数控机床使用不当是引发随机性精度超差原因之一，使用步进电机驱动的开环数控车床如超负荷切削或使用过大的快移速度会导致电机丢步。
    5．提高修理工的修理技能
    实际工作过程中常发现由于维修工调整、修理不当而引起设备精度故障扩大或修理质量不高现象。因此，提高修理工的修理技能很重要。

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• 2016-10-25数控机床随机性精度超差故障处理