KV800型立式數(shù)控銑床誤差分析及其補償
0引言在如今的生產(chǎn)加工中，精工機床已經(jīng)成為了不可 或缺的重要加工手段。而精工機床加工與傳統(tǒng)機床相 比較最重要的優(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，精工機床 可能會出現(xiàn)加工誤差的波動，使機床加工的產(chǎn)品零部 件不能達到需要的精度要求，從而影響整個產(chǎn)品的生 產(chǎn)。因此,保持精工機床加工精度的穩(wěn)定性成為現(xiàn)代 制造領(lǐng)域的重要課題。國內(nèi)外針對提高機床精度穩(wěn)定 性這_問題進行了多年的研究，目前常用的基本方法有兩類:誤差防止和誤差補償。其中在誤差補償方面， 現(xiàn)有的誤差補償技術(shù)主要包括了硬件補償和軟件補償 兩種[3-]。相對而言，國內(nèi)外的誤差補償研究更多地集 中在基于后置處理結(jié)果改變精工加工程序上，即基于 軟件補償?shù)臋C床誤差補償方法。這種方法具有成本低 廉、可以在不改變現(xiàn)有機床精度的情況下有效的延長 機床使用壽命等優(yōu)點，因此在實際生產(chǎn)中被廣泛運用。 但某些誤差，如非線性特征以及不確定性誤差，通過軟 件進行補償?shù)碾y度很大,難以滿足精工機床對加工精 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，采用硬件補償方法，通過誤差分析,采取了相應(yīng)的硬件改進措施，通過較小的 結(jié)構(gòu)改進成本，將加工誤差修正到了可接受的范圍。1機床誤差類型及產(chǎn)生因素機床加工工件的過程中，各種誤差源（如表1所 示）都會對精工機床的精度穩(wěn)定性產(chǎn)生特定的影響。 從而使得實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-]:由于機床原始的制造、裝配存在缺 陷造成的誤差，這種誤差是機床固有的誤差。對機床 的重復精度和運動精度都有影響，能夠直接測量，但測 量結(jié)果會受其他因素影響。熱誤差7-]:機床運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。運動誤差：機床到達準確位置能力的一種體現(xiàn)。 機床的齒輪、軸承、電機等都會影響運動誤差。幾何誤 差與運動誤差存在密切聯(lián)系3]。2機床誤差現(xiàn)象及數(shù)據(jù)收集被測對象KV 800型立式精工銑床主要用于加工 圓孔和長槽。某企業(yè)具有長期使用該型機床的加工經(jīng) 驗，近期使用中出現(xiàn)一項故障，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床X軸 方向表面存在一處明顯起伏（如圖1所示）。針對機 床圓孔加工結(jié)果進行測量（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機床加工圓實測數(shù)據(jù) 輸入值 實測長度 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_步探究誤差產(chǎn)生原因。我們決定單獨加工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機床加工x方向長槽實測數(shù)據(jù) 輸入長度 (mm) 實測長度 (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刀具補償半徑和刀具路徑設(shè)置不當由于加工刀具本身具有一定尺寸，在加工時必須 要設(shè)置刀具補償以減小誤差。如果刀具補償設(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,在實際加工時，會因為夾持位置、重力、支撐物等 原因，使工件的實際位置達不到預想的要求。對于這種可能性我們調(diào)研了工件裝夾方式，確認 該機床裝夾方式?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熱誤差精工機床熱誤差是指：機床熱變形致使機床按某 種操作規(guī)程指令所產(chǎn)生的實際響應(yīng)與該操作規(guī)程所預 期產(chǎn)生的響應(yīng)之間的差異。機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、摩擦運動副 和切削熱等11。其中，摩擦運動副如齒輪、軸承等的 發(fā)熱影響******。而該機床在加工圖4所示的長槽時的 時候處于剛剛開機的狀態(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)生誤差由于該精工銑床已經(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)生原因為系統(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_步 研究。4解決方案通過上述的實驗與分析，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,對于降低維護成本具有現(xiàn)實意義。4.1通過程序補償通過軟件來實現(xiàn)補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行時不 穩(wěn)。上述現(xiàn)象表明單純通過程序補償來解決該誤差難 以實現(xiàn)。4.2調(diào)整相關(guān)零件在機床安裝時會有一些調(diào)整裝置來調(diào)整絲杠、軸 承誤差，軸承預緊力等。其中間隙補償塊（如圖7、圖8 所示）就是用來調(diào)整軸承預緊力的裝置。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 狀的間隙補償塊墊片（如圖9所示），并將此墊片裝入 機床。在進行加工后得到數(shù)據(jù)如表4、表5所示。表4加墊片后加工x方向長槽實測數(shù)據(jù) 輸入長度 (mm) 實測長度 (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加墊片后加工圓實測數(shù)據(jù) 輸入值 實測長度及誤差 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 _塊較厚的間隙補償塊。4.2.2首次更換經(jīng)過測量的原止動補償塊厚度為4. 58mm,所以 新間隙補償塊厚度暫定為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更換補償塊后只加工x方向測量數(shù)據(jù) 輸入長度 (mm) 實測長度 (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更換補償塊后加工長方體測量數(shù)據(jù) 輸入值 實測長度 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。最終通過硬補償?shù)姆绞接行У?解決了這一問題。由此可得出以下結(jié)論：(1)通過實驗測試，對機床工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進 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 正機床間隙補償塊的厚度,采取硬件補償?shù)姆绞剑詷O 低的成本解決了這一問題。海天精工相關(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