加工中心圓度誤差的原因分析及調(diào)整方法

■ 中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 （陜西西安 710077） 弋 博

圓度誤差是指在回轉(zhuǎn)體同一橫截面內(nèi)被測(cè)物體實(shí)際圓對(duì)理想圓的變動(dòng)量。數(shù)控機(jī)床在長期使用過程中，滾珠絲杠、導(dǎo)軌及軸承或多或少存在一定程度的磨損，同時(shí)，由于保養(yǎng)不到位、缺少潤滑及大吃刀量等因素會(huì)加劇機(jī)械部件磨損，造成數(shù)控設(shè)備幾何精度加速劣化，這些都是引起圓度誤差的因素。數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不穩(wěn)定，伺服優(yōu)化不完善，也會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的圓度誤差。

一般在機(jī)床實(shí)際應(yīng)用過程中，可以通過球桿儀或設(shè)備自帶圓度測(cè)試功能對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行圓度誤差檢測(cè)。Siemens 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)圓度測(cè)試功能可以在不需要零件試切的情況下，通過數(shù)控程序模擬加工，配合數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算能力和位置反饋功能，測(cè)量出機(jī)床實(shí)際與理論的圓度誤差，通過對(duì)圓度測(cè)試得出的不同圖形進(jìn)行分析，可以得出不同誤差產(chǎn)生的原因及此類誤差的調(diào)整方法。一般引起圓度誤差的主要原因有插補(bǔ)軸反向間隙大、反向躍沖、伺服不匹配、兩插補(bǔ)軸不垂直及機(jī)床振動(dòng)等。下面以Siemens 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

1. 反向間隙誤差

機(jī)床反向間隙誤差是指機(jī)床某一軸在運(yùn)動(dòng)過程中，從正向運(yùn)動(dòng)變?yōu)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定角度內(nèi)，盡管驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠已經(jīng)反轉(zhuǎn)，但工作臺(tái)還要等絲杠和螺母間隙消除后才能反向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)間隙就是機(jī)床軸的反向間隙，一般反映在絲杠的螺旋角度上，在半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，軸在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)指令值和實(shí)際運(yùn)動(dòng)量之間的差值即為該軸的反向間隙誤差值。

（1）反向間隙對(duì)圓度誤差的影響 反向間隙的存在會(huì)影響機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，降低數(shù)控機(jī)床加工精度，在加工中心銑圓過程中會(huì)造成圓度誤差。當(dāng)Y軸在反向運(yùn)動(dòng)過程中，由于反向間隙的存在，會(huì)造成Y軸反向后滯后于X軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，銑圓加工會(huì)出現(xiàn)如圖1所示結(jié)果。

圖1 反向間隙造成的圓度誤差

（2）反向間隙測(cè)量與調(diào)整 影響機(jī)床軸反向間隙誤差的因素多種多樣，從驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到運(yùn)動(dòng)部件之間所有的機(jī)械聯(lián)接件都會(huì)存在間隙，電動(dòng)機(jī)對(duì)絲杠的聯(lián)軸結(jié)是否松動(dòng)、滾珠絲杠制造誤差、絲杠預(yù)緊是否過緊或過松、絲母與運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)接是否緊固，都是造成機(jī)床軸反向間隙的原因。對(duì)于機(jī)械部分無法消除的間隙，需要在數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償。

如圖2所示，進(jìn)行反向間隙測(cè)量，用一磁性表座固定一個(gè)位置，千分表表頭壓在要測(cè)量軸的工作臺(tái)上一固定位置，千分表刻度調(diào)零，相同方向繼續(xù)移動(dòng)進(jìn)給軸一定距離，反向移動(dòng)軸到初始位置，讀取千分表的差值A(chǔ)，同樣測(cè)量7次后得出的平均值即為該軸的反向間隙誤差，即A=（A1＋A2＋A3＋A4＋A5＋A6＋A7）/7。把測(cè)量計(jì)算出的值A(chǔ)寫入對(duì)應(yīng)軸的參數(shù)MD32450中，可以消除此軸的反向間隙。通過對(duì)軸反向間隙的補(bǔ)償，可以有效提高進(jìn)給軸的精度，以保證插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的精度，有效改善圓度誤差。

圖2 反向間隙測(cè)量

2. 機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，不僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度，還會(huì)降低被加工零件的輪廓精度，增大表面粗糙度值，振動(dòng)劇烈時(shí)甚至?xí)绊懙毒吆蜋C(jī)床的使用壽命。

（1）振動(dòng)產(chǎn)生原因及對(duì)圓度誤差的影響 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)主要有三方面原因：一是運(yùn)動(dòng)部件之間潤滑不好，移動(dòng)部件所受的摩擦阻力增大，容易造成進(jìn)給軸的爬行和振動(dòng)；二是進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置到移動(dòng)部件之間機(jī)械傳動(dòng)鏈的整體剛度不好；三是在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，由于位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán)增益設(shè)置過大及加速度等參數(shù)設(shè)定不合理而引起系統(tǒng)振蕩。在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用過程中，造成振動(dòng)的原因通常是綜合性的，應(yīng)逐一排查。如圖3所示，當(dāng)機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)時(shí)，刀具和工件會(huì)發(fā)生周期性的跳動(dòng)，工件已加工表面會(huì)隨機(jī)床振動(dòng)出現(xiàn)頻率相同的條紋，工件輪廓精度和表面粗糙度會(huì)受到影響。

圖3 軸振動(dòng)引起的圓度誤差

（2）進(jìn)給軸振動(dòng)抑制的方法 在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)電系統(tǒng)不匹配通常會(huì)引起機(jī)床軸的振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的就是讓機(jī)電系統(tǒng)達(dá)到最佳的匹配，從而獲得最優(yōu)、最穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能。如圖4所示，機(jī)床軸的伺服驅(qū)動(dòng)包含三個(gè)反饋回路，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。當(dāng)進(jìn)給軸發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，首先要檢查機(jī)械系統(tǒng)是否據(jù)有良好的潤滑，傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠窬哂凶銐虻膭偠?；其次要根?jù)機(jī)械維修情況對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，可通過調(diào)整位置環(huán)增益參數(shù)MD32200及速度環(huán)增益參數(shù)1407進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，直到伺服軸不振，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖4 伺服系統(tǒng)框圖

3. 插補(bǔ)軸伺服增益不匹配

加工中心在運(yùn)行一個(gè)圓的周期上，各軸運(yùn)行的距離應(yīng)完全相同。如果出現(xiàn)銑削加工的圓變成橢圓的情況，如圖5所示，則說明兩軸在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程中長軸超前于短軸。對(duì)于已使用過多年的機(jī)床而言，首先要檢修機(jī)床插補(bǔ)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)裝置是否松動(dòng)，磨損是否嚴(yán)重，檢查絲杠、軸承的預(yù)緊進(jìn)行消隙調(diào)整，對(duì)反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，排除以上問題后需對(duì)兩插補(bǔ)軸的增益進(jìn)行重新調(diào)整，確保兩插補(bǔ)軸的加速度參數(shù)MD32300及位置環(huán)增益MD32200保持一致。

圖5 增益不一致造成出現(xiàn)橢圓

4. 反向躍沖

反向躍沖是指當(dāng)機(jī)床某一個(gè)軸在做反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸從負(fù)的速度加速到正的速度時(shí)，該軸速度通過0的時(shí)候，摩擦力的狀態(tài)由靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，所需的力比正常運(yùn)動(dòng)時(shí)要大，造成在換向處由于摩擦力的狀態(tài)發(fā)生改變而出現(xiàn)短時(shí)的黏性停頓現(xiàn)象。

圖6 反向躍沖誤差造成的圓度誤差

（1）反向躍沖誤差對(duì)圓度誤差的影響 在加工中心銑圓過程中，當(dāng)軸在過象限時(shí)，軸的速度方向改變，軸從零速起動(dòng)，摩擦力狀態(tài)隨之改變，必然存在反向躍沖。當(dāng)兩插補(bǔ)軸中一個(gè)軸已經(jīng)達(dá)到最大值而另一個(gè)軸的速度卻為0，這樣將會(huì)有一個(gè)很短時(shí)間的停滯，從而產(chǎn)生輪廓誤差。如圖6所示，圓在過象限的地方有4個(gè)尖角，這就是由靜態(tài)摩擦引起的反向躍沖誤差。補(bǔ)償值MD32520和摩擦補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)MD32540，兩個(gè)參數(shù)值的大小調(diào)整對(duì)象限點(diǎn)影響可參考圖7進(jìn)行，直到過象限尖點(diǎn)被消除。需要注意的是設(shè)置的補(bǔ)償值不宜過大，當(dāng)MD32520＞150mm/min、MD32540＞0.015s時(shí)，就應(yīng)當(dāng)首先檢查機(jī)械傳動(dòng)是否良好，速度環(huán)增益及積分時(shí)間是否合理，過大的靜摩擦補(bǔ)償可能會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）反向躍沖的調(diào)整方法 反向躍沖存在的主因是摩擦力狀態(tài)的改變，所以在出現(xiàn)反向躍沖時(shí)，應(yīng)當(dāng)給插補(bǔ)軸加上摩擦補(bǔ)償，在西門子數(shù)控系統(tǒng)中，摩擦補(bǔ)償是由摩擦補(bǔ)償值MD32520和摩擦補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)MD32540決定的。

對(duì)于反向躍沖的調(diào)整，首先設(shè)置MD32500=1（摩擦補(bǔ)償有效），再調(diào)整躍沖軸對(duì)應(yīng)的摩擦

5. 結(jié)語

圖7 摩擦補(bǔ)償參考

數(shù)控機(jī)床是一個(gè)完整的有機(jī)整體，機(jī)械、電氣及液壓的控制存在相互聯(lián)系和相互影響。因此，在分析解決圓度誤差影響的因素時(shí)，應(yīng)有整體概念和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行多方面檢測(cè)、分析和診斷，直至找出故障根源。