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KV800型立式數(shù)控銑床誤差分析及其補(bǔ)償
閱讀：179 發(fā)布時間：2020-8-11 0引言
在如今的生產(chǎn)加工中，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為了不可 或缺的重要加工手段。而數(shù)控機(jī)床加工與傳統(tǒng)機(jī)床相 比較重要的優(yōu)勢之_就是其加工精度[1-]較高。但 是在使用過程中由于各種因素的綜合影響，數(shù)控機(jī)床 可能會出現(xiàn)加工誤差的波動，使機(jī)床加工的產(chǎn)品零部 件不能達(dá)到需要的精度要求，從而影響整個產(chǎn)品的生 產(chǎn)。因此,保持?jǐn)?shù)控機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性成為現(xiàn)代 制造領(lǐng)域的重要課題。國內(nèi)外針對提高機(jī)床精度穩(wěn)定 性這_問題進(jìn)行了多年的研究，目前常用的基本方法有兩類:誤差防止和誤差補(bǔ)償。其中在誤差補(bǔ)償方面， 現(xiàn)有的誤差補(bǔ)償技術(shù)主要包括了硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償 兩種[3-]。相對而言，國內(nèi)外的誤差補(bǔ)償研究更多地集 中在基于后置處理結(jié)果改變數(shù)控加工程序上，即基于 軟件補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床誤差補(bǔ)償方法。這種方法具有成本低 廉、可以在不改變現(xiàn)有機(jī)床精度的情況下有效的延長 機(jī)床使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。 但某些誤差，如非線性特征以及不確定性誤差，通過軟 件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾y度很大,難以滿足數(shù)控機(jī)床對加工精 度穩(wěn)定性的要求。本文針對一臺KV800型立式銑床 在加工過程中產(chǎn)生的特定誤差，采用硬件補(bǔ)償方法，通過誤差分析,采取了相應(yīng)的硬件改進(jìn)措施，通過較小的 結(jié)構(gòu)改進(jìn)成本，將加工誤差修正到了可接受的范圍。
1機(jī)床誤差類型及產(chǎn)生因素
機(jī)床加工工件的過程中，各種誤差源（如表1所 示）都會對數(shù)控機(jī)床的精度穩(wěn)定性產(chǎn)生特定的影響。 從而使得實(shí)際加工軌跡與理想軌跡發(fā)生偏離，這就產(chǎn) 生了加工誤差。這些誤差根據(jù)誤差產(chǎn)生原因可分為： 幾何誤差6-]:由于機(jī)床原始的制造、裝配存在缺 陷造成的誤差，這種誤差是機(jī)床固有的誤差。對機(jī)床 的重復(fù)精度和運(yùn)動精度都有影響，能夠直接測量，但測 量結(jié)果會受其他因素影響。
熱誤差7-]:機(jī)床運(yùn)行時由于溫度變化引起熱變形 而造成的誤差。由于其特征為非線性特征，所以非常 難以測量。
運(yùn)動誤差：機(jī)床到達(dá)準(zhǔn)確位置能力的一種體現(xiàn)。 機(jī)床的齒輪、軸承、電機(jī)等都會影響運(yùn)動誤差。幾何誤 差與運(yùn)動誤差存在密切3]。
被測對象KV 800型立式數(shù)控銑床主要用于加工 圓孔和長槽。某企業(yè)具有長期使用該型機(jī)床的加工經(jīng) 驗(yàn)，近期使用中出現(xiàn)一項(xiàng)故障，加工出來的圓孔存在較 為明顯的誤差，且用手觸摸可感覺到圓孔在機(jī)床X軸 方向表面存在一處明顯起伏（如圖1所示）。針對機(jī) 床圓孔加工結(jié)果進(jìn)行測量（X、X45、X_45、F四個方向, 具體方向見圖2),測量結(jié)果如表2、圖3所示。
表2機(jī)床加工圓實(shí)測數(shù)據(jù)
| 輸入值 | 實(shí)測長度 | |||
| 5 /mm | X / mm | X方向誤差/mm | Y /mm | Y方向誤差/mm |
| 30. 00 | 29.92 | -0.08 | 29.80 | -0.20 |
| 60. 00 | 59.62 | -0.38 | 59.90 | -0.10 |
| 120.00 | 119.54 | -0.46 | 119.84 | -0.16 |
| 輸入值 | 實(shí)測長度 | |||
| 5/mm | X45 / mm | X45方向誤差/mm | X-45/mm | X45方向誤差/mm |
| 30. 00 | 30.24 | 0.24 | 29.58 | -0.42 |
| 60. 00 | 60.20 | 0.20 | 59.60 | -0.40 |
| 120.00 | 120.04 | 0.04 | 119.52 | -0.48 |
由表2、圖3中的數(shù)據(jù)可以清晰的看出該機(jī)床在銑孔的時候在不同的方向測量出的誤差值并不相同，而且可以看出該誤差并不是按比例增加。為了進(jìn)_步探究誤差產(chǎn)生原因。我們決定單獨(dú)加工X向的長槽測量其誤差。 其加工過程如圖4所示，結(jié)果如表3、圖5所示。
表3機(jī)床加工x方向長槽實(shí)測數(shù)據(jù)
| 輸入長度 (mm) | 實(shí)測長度 (mm) | 誤差 (mm) | 平均誤差 (mm) | 刀具半徑 (mm) |
| 50.00 | 49.65 | -0.35 | -0.35 | 5.00 |
| 49.65 | -0.35 | 5.00 | ||
| 49.64 | -0.36 | 5.00 | ||
| 100.00 | 99.80 | -0.20 | -0.25 | 5.00 |
| 99.72 | -0.28 | 5.00 | ||
| 99.74 | -0.26 | 5.00 | ||
| 200.00 | 199.75 | -0.25 | -0.25 | 5.00 |
| 199.73 | -0.27 | 5.00 | ||
| 799.77 | -0.23 | 5.00 | ||
|
| 299.73 | -0.27 |
| 5.00 |
| 300.00 | 299.71 | -0.29 | -0.30 | 5.00 |
|
| 299.67 | -0.33 |
| 5.00 |
3誤差產(chǎn)生原因分析
3.1刀具補(bǔ)償半徑和刀具路徑設(shè)置不當(dāng)
由于加工刀具本身具有一定尺寸，在加工時必須 要設(shè)置刀具補(bǔ)償以減小誤差。如果刀具補(bǔ)償設(shè)置不合 理就會產(chǎn)生較大的誤差940。但這樣的產(chǎn)生的誤差不 會使加工出來的圓孔在四個方向產(chǎn)生不一樣的誤差， 基本可以排除該種可能。
3.2工件裝夾產(chǎn)生誤差
工件在加工前，須裝夾穩(wěn)固,確保工件在加工過程 中不會因外力發(fā)生位置變化和振動，影響加工的精度。 但是,在實(shí)際加工時，會因?yàn)閵A持位置、重力、支撐物等 原因，使工件的實(shí)際位置達(dá)不到預(yù)想的要求。
對于這種可能性我們調(diào)研了工件裝夾方式，確認(rèn) 該機(jī)床裝夾方式?jīng)]有問題，同時之前的加工_直采用 該種裝夾方法（具體裝夾方式如圖6所示），之前并未 出現(xiàn)該種誤差。因此該種可能可以排除。
3.3熱誤差
數(shù)控機(jī)床熱誤差是指：機(jī)床熱變形致使機(jī)床按某 種操作規(guī)程指令所產(chǎn)生的實(shí)際響應(yīng)與該操作規(guī)程所預(yù) 期產(chǎn)生的響應(yīng)之間的差異。機(jī)床熱誤差的主要影響因 素是內(nèi)部熱源，各種發(fā)熱元件包括電動機(jī)、摩擦運(yùn)動副 和切削熱等11。其中，摩擦運(yùn)動副如齒輪、軸承等的 發(fā)熱影響大。而該機(jī)床在加工圖4所示的長槽時的 時候處于剛剛開機(jī)的狀態(tài)，同時在連續(xù)加工長度為 50mm、100mm、200mm、300mm的長槽時誤差并未出現(xiàn) 較大波動，由此可推斷不是熱誤差。
3.4磨損、變形產(chǎn)生誤差
由于該數(shù)控銑床已經(jīng)使用多年，絲杠、軸承等關(guān)鍵 部件可能由于長期受力，造成間隙過大、磨損、變形等 問題，從而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。通過測量數(shù)據(jù)分析，由于誤 差并沒有隨著長槽變長而增加，同時誤差比較穩(wěn)定，基 本可以排除軟件產(chǎn)生誤差的可能性，可初步判斷該誤 差產(chǎn)生原因?yàn)橄到y(tǒng)誤差。這也與加工圓時各個方向測 得直徑差異較大相吻合。該誤差如何消除需要進(jìn)_步 研究。
4解決方案
通過上述的實(shí)驗(yàn)與分析，我們可以初步判斷該誤 差為系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因有很多種，可能是 絲杠、軸承等關(guān)鍵部件由于長期受力，造成間隙過大、 磨損、變形等問題。但更換絲杠、軸承等部件十分麻煩，而且成本過高，因而通過其他技術(shù)手段來解決這一 問題,對于降低維護(hù)成本具有現(xiàn)實(shí)意義。
4.1通過程序補(bǔ)償
通過軟件來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是低成本高效率的解決方 案，但該誤差不僅僅是X軸的單向誤差，通過加工孔 的圖形及數(shù)據(jù)可以看出，刀具在不同方向都有著不同 的誤差，而且出現(xiàn)凸起，其原因很可能是刀具運(yùn)行時不 穩(wěn)。上述現(xiàn)象表明單純通過程序補(bǔ)償來解決該誤差難 以實(shí)現(xiàn)。
4.2調(diào)整相關(guān)零件
在機(jī)床安裝時會有一些調(diào)整裝置來調(diào)整絲杠、軸 承誤差，軸承預(yù)緊力等。其中間隙補(bǔ)償塊（如圖7、圖8 所示）就是用來調(diào)整軸承預(yù)緊力的裝置。
4.2.1增加墊片
現(xiàn)用厚度為0. 84mm的銅片加工出如圖8所示形 狀的間隙補(bǔ)償塊墊片（如圖9所示），并將此墊片裝入 機(jī)床。在進(jìn)行加工后得到數(shù)據(jù)如表4、表5所示。
表4加墊片后加工x方向長槽實(shí)測數(shù)據(jù)
| 輸入長度 (mm) | 實(shí)測長度 (mm) | 誤差 (mm) | 平均誤差 (mm) | 刀具半徑 (mm) |
|
| 100.02 | 0.02 |
| 5.00 |
| 100.00 | 100.04 | 0.04 | 0.26 | 5.00 |
|
| 100.02 | 0.02 |
| 5.00 |
表5加墊片后加工圓實(shí)測數(shù)據(jù)
| 輸入值 | 實(shí)測長度及誤差 | |||
| 5 /mm | X /mm | X方向誤差/mm | Y / mm | Y方向誤差/mm |
| 20.00 | 20.06 | 0.06 | 20.06 | 0.06 |
| 30.00 | 30.06 | 0.06 | 30.08 | 0.08 |
| 40.00 | 40.08 | 0.08 | 40.08 | 0.08 |
| 輸入值 | 實(shí)測長度及誤差 | |||
| 5/mm | X45 / mm | X45方向誤差/mm | X-45/mm | X-45方向誤差/mm |
| 20.00 | 20.08 | 0.08 | 20.06 | 0.06 |
| 30. 00 | 30.08 | 0.08 | 30.06 | 0.06 |
| 40.00 | 40.06 | 0.06 | 40.06 | 0.06 |
由上述數(shù)據(jù)可看出，該調(diào)整方案收到了明顯的效 果。但由于該墊片并不能長期使用，所以我們將更換 _塊較厚的間隙補(bǔ)償塊。
4.2.2*更換
經(jīng)過測量的原止動補(bǔ)償塊厚度為4. 58mm,所以 新間隙補(bǔ)償塊厚度暫定為5. 32mm。但再次加工長槽 后測量誤差為+0.30mm。顯然新的補(bǔ)償塊太厚了。
4. 2. 3再次更換
經(jīng)過討論決定將止動墊片磨去0. 15mm及將其磨 至 5.17mm。
再次加工，如圖10所示。
測量后數(shù)據(jù)如表6、表7、表8所示。
表6更換補(bǔ)償塊后只加工x方向測量數(shù)據(jù)
| 輸入長度 (mm) | 實(shí)測長度 (mm) | 誤差 (mm) | 平均誤差 (mm) | 刀具半徑 (mm) |
|
| 100.04 | 0.04 |
| 5.00 |
| 100.00 | 100.02 | 0.02 | 0.026 | 5.00 |
|
| 100.02 | 0.02 |
| 5.00 |
表7更換補(bǔ)償塊后只加圓測量數(shù)據(jù)
| 輸入值 | 各方向?qū)崪y長度及誤差 | |||
| 5/mm | X /mm | X方向誤差/mm | Y/mm | Y方向誤差/mm |
| 60.00 | 59.98 | -0.02 | 60.00 | 0.00 |
| 5/mm | X45 / mm | X45誤差/mm | X-45/mm | X-45方向誤差/mm |
| 60.00 | 59.98 | -0.02 | 60.00 | 0.00 |
表8更換補(bǔ)償塊后加工長方體測量數(shù)據(jù)
| 輸入值 | 實(shí)測長度 | |||||
| Y(mm) | X(mm) | X誤差（mm) | Y(mm) | Y誤差（mm) |
| |
| 40.00 | 40.04 | 0.04 | 40.04 | 0.04 |
| |
我們分別取X = 100mm的x向長槽和5 = 60mm的圓在加工前后的誤差進(jìn)行對比（如表9所示），數(shù)據(jù) 顯示修正后誤差顯著減少。
5結(jié)論
本文介紹了某工廠中一臺KV800型立式銑床，在 實(shí)際加工過程中出現(xiàn)加工誤差波動的問題。通過分析 確定了誤差產(chǎn)生原因。終通過硬補(bǔ)償?shù)姆绞接行У?解決了這一問題。由此可得出以下結(jié)論：
(1)通過實(shí)驗(yàn)測試，對機(jī)床工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn) 行收集、對比和分析，挖掘出加工誤差產(chǎn)生的原因。
(2)通過對比分析，得出該機(jī)床加工誤差為系統(tǒng) 誤差，根據(jù)相關(guān)工作狀態(tài)推斷，可能是由于絲桿、軸承 等關(guān)鍵零部件出現(xiàn)了某種變形，導(dǎo)致產(chǎn)生該誤差。但 在綜合考慮成本、生產(chǎn)效率和加工效果等各方面因素 后，在未更換絲桿、軸承等關(guān)鍵部件的條件下，通過修 正機(jī)床間隙補(bǔ)償塊的厚度,采取硬件補(bǔ)償?shù)姆绞剑詷O 低的成本解決了這一問題。
伯特利數(shù)控相關(guān)產(chǎn)品：加工中心,鉆攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕銑機(jī)