數控銑床故障及處理對策分析

嚴 磊

（南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州225300）

0 引言

數控技術帶動了我國工業生產、機械制造事業的效率與質量革新，數控機床的加工精度表征了我國工業化發展水平。其中，數控銑床是生產高精密零件的關鍵設備之一，但由于各種機械內部與生產環境外部因素影響，或多或少的存在加工誤差。數控銑床的各種誤差中，幾何誤差較為常見且對零件加工的干擾力較大，是數控銑床誤差的最關鍵因素；數控銑床在長期循環工作環境下容易產生熱變形進而形成零件加工的熱誤差，是零件表面加工質量不過關、加工精度低的主要原因[1]。為此，本文針對數控銑床的幾何誤差故障與熱誤差故障進行深入探究，并制定了針對性的誤差補償對策，經過實際測試應用驗證了誤差補償方法的有效性。

2 數控銑床精度校正方法

2.1 基于幾何誤差的精度補償方法

1 數控銑床加工精度故障及產生原因

數控銑床加工精細零件過程是刀具、工件、機床、操作系統等軟硬件的綜合運用于協作配合的過程，難免由于某個環節操作不當引起銑床加工精度故障，增加零件加工的誤差，諸如幾何誤差、熱誤差、控制誤差等等[2]。數控銑床運行誤差將直接導致加工工件精度波動，影響產品加工質量。根據實際生產與加工經驗初步總結了引起數控銑床精度故障的幾種原因：（1）刀具引起的誤差。數控銑床加工精度受到刀具因素干擾，如使用不當、制造不合格、安裝不達標導致道具與工具產生非正常作用，刀具在受損情況下導致加工過程波動較大，形成加工誤差[3]。（2）工裝和夾具誤差。未通過質量檢驗標準的工裝和夾具會導致加工誤差，這是生產環節誤差致因；工裝和夾具安裝過程中可能存在安裝程度不貼合、不到位等問題，也容易引起數控銑床的加工誤差。（3）熱變形誤差。數控銑床工作主軸傳動、機床運動摩擦、電氣系統運行產生的熱量為內部熱變形因素，生產環境中溫度升高為外部熱變形因素[4]，內外因皆可引致加工誤差。（4）數控系統誤差。數控銑床的自動化與智能化源于數控系統的應用，但是數控系統中伺服進給模塊、CNC 控制模塊、位置檢測模塊在長期運行狀態下容易發生老化失靈，直接引起零件加工誤差增加問題。

本次研究基于激光干涉儀檢測數控銑床的幾何加工誤差，目的是計算數控銑床加工的“螺距誤差”與“反向間隙”[5]；數控銑床控制器將這兩個參量作為誤差補償值的計算依據，實現對數控銑床幾何誤差的補償控制，提高機床加工精度。

2.1.1 激光干涉儀檢測幾何誤差原理

超高精度測量、自動高效校準是激光干涉儀的主要測量優勢，由于數控銑床加工精度標準較高，需要選用測量精度超高的儀器監測加工誤差，激光干涉儀成為不二之選。激光干涉儀采用氦氖鐳射完成誤差測量，在長時間的實踐與應用中，激光干涉儀檢測誤差不超過0.05 ppm[6]，為數控銑床幾何誤差測量創造了有利條件。

激光干涉儀與數控銑床安裝連接完畢后開始工作，此時激光干涉儀發射光束經處理后分為兩路，分別作為參考光與測量光。前者光束在預先設置的反射鏡處理下轉變為參考光，后者光束經數控銑床主軸反射鏡的處理轉變為測量光。干涉光獲得則需要兩種光束再次以分光鏡為介質進行匯總形成一束干涉光。在分光束相位差異作用下產生明亮有所差別的條紋，數控銑床主軸位移的微距則通過這些條紋明暗進行辨識，從而得到主軸加工的誤差情況。

2.1.2“螺距誤差”與“反向間隙”參量解釋

“反向間隙”：當數控銑床機械的傳動方向發生變化時，機床的工作臺面不會隨之發生運動，則導致機床的伺服電機運行狀態為空轉。此時在機械磨損因素影響下，機床傳動系統中的螺桿即產生一個反向的間隙。

“螺距誤差”：在零件加工過程中，機床傳動系統滾珠絲杠自身產生一種誤差，即“螺距誤差”。基于滾珠絲杠和主軸上構件為線性關系，所以此誤差影響主軸構件的運動精度，引起運動誤差。

2.1.3 數控銑床的幾何誤差補償

圖1 描述了數控銑床幾何誤差補償的過程，此過程應用到激光干涉儀檢測方法、“螺距誤差”與“反向間隙”參量。第一步：根據激光干涉儀檢測結果巨鼎是否對數控銑床進行誤差補償；第二步：如若需要進行幾何誤差補償，則輸入“螺距誤差”與“反向間隙”參量計算模型，采集相關的參數并計算參量值，否則結束控制過程[7]；第三步：將采集的數據存儲在計算機控制端，對于數控銑床的“誤差補償控制量”根據數學模型求取得到，并傳遞至伺服電機，進而完成對數控銑床幾何誤差的補償控制。

圖1 數控銑床幾何誤差補償的過程描述

上述誤差補償控制過程為循環執行，目的是實時發現數控銑床加工存在的誤差，校正零件加工精度。所以，此過程中補償控制計算為持續進行狀態。

2.2 熱誤差補償方法

數控銑床的誤差補償控制原理如下：首先要測量數控銑床運行當中產生的熱誤差，然后根據熱誤差溫度變化趨勢數據構建熱誤差補償模型，最后利用此模型進行數控銑床的熱誤差補償控制[8]。以上過程中，需要設計一個補償控制單元來存儲熱誤差補償模型，然后將此單元集成在數控銑床控制模塊，即可實現熱誤差的實時補償控制。

對數控銑床進行熱誤差補償控制的單元結構如圖2 所示，具體包括控制器模塊、無線通信模塊、串口模塊、接口等主要部分。

圖2 熱誤差補償控制單元布局

由圖可知，熱誤差補償控制單元的核心部分是控制器模塊，誤差數據傳輸、模型計算均以此模塊為連接實現；補償控制單元發送的操作指令由通信模塊接收并及時反饋；補償控制單元同數控銑床及其電源的連接通過接口電路實現；串口電路則將補償控制單元的關鍵參數傳輸給計算機控制端，實現誤差補償控制參數的初始設置與調整；補償控制單元的電能支持由供電模塊提供，完成數控銑床24 V 電壓向3.3 V 電壓的轉換，便于單元中的各個模塊適應供電[9]。

3 實驗分析

為驗證本文方法解決數控銑床精度故障的有效性與合理性，以實際的數控銑床加工環境為場所進行工件加工測試應用。實驗使用的儀器設備包括VL1060 數控銑床、雷尼紹XL-30 激光干涉儀、熱誤差補償控制單元等等。在正常加工工件的過程中，分別針對幾何誤差、熱誤差產生的數控銑床加工精度故障進行補償控制，測試結果如下詳述。

3.1 幾何誤差的精度補償效果分析

工件加工過程中，基于本文方法校正數控銑床的加工誤差取得了理想的控制效果，分別記錄了幾何誤差補償控制前后的誤差數據，包括X、Y 兩個加工軸上的精度數據，詳見表1。

表1 數控銑床幾何誤差控制效果

表中數據顯示，本文方法補償控制后，X 軸向的定位誤差與循環誤差分別降低了33.11%、58.32%，Y軸向的定位誤差與循環誤差分別降低了33.07%、46.30%，效果較為理想。

3.2 熱誤差的精度補償效果分析

工件加工過程中，本文控制數控銑床熱誤差的效果如圖3 所示，分別記錄了160 min 內數控銑床X軸、Y 軸兩個軸向的加工精度，詳細描述了此時段內的熱誤差發展趨向。

圖3 數控銑床熱誤差控制效果

進行熱誤差補償控制之前，X 軸向與Y 軸向的熱誤差區間分別為[-6.012μm，5.694μm]、[-7.466μm，6.541μm]。圖中數據顯示，經過熱誤差補償后的數控銑床加工精度大幅度提升，X 軸向與Y 軸向的熱誤差區間分別降低至[-1.812μm，2.135μm]、[-1.021μm，1.712μm]，證明了本文提出的熱誤差解決對策可行且有效。

4 結論

本文綜合研究了數控銑床幾何誤差與熱誤差故障的控制對策，在實際工件加工過程中證明了解決對策的有效性與可行性，數控銑床加工的幾何誤差與熱誤差有效降低，加工精度得到可靠保障，希望為數控銑床工件加工誤差控制提供一定的借鑒與參考。數控銑床精度維護工作不僅要從外部控制方法入手，更要加強日常數控機床使用與檢修的力度，將一些可以避免的加工誤差扼殺在最初環節，及時發現刀具、環境、加工系統等各個環節存在的問題，防微杜漸，降低數控銑床加工過程中的各種誤差，實現數控機械安全穩定運行、零件產品加工高效有序發展。