KV800型立式數控銑床誤差分析及其補償
0引言在如今的生產加工中，精工機床已經成為了不可 或缺的重要加工手段。而精工機床加工與傳統機床相 比較最重要的優勢之_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 可能會出現加工誤差的波動，使機床加工的產品零部 件不能達到需要的精度要求，從而影響整個產品的生 產。因此,保持精工機床加工精度的穩定性成為現代 制造領域的重要課題。國內外針對提高機床精度穩定 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， 現有的誤差補償技術主要包括了硬件補償和軟件補償 兩種[3-]。相對而言，國內外的誤差補償研究更多地集 中在基于后置處理結果改變精工加工程序上，即基于 軟件補償的機床誤差補償方法。這種方法具有成本低 廉、可以在不改變現有機床精度的情況下有效的延長 機床使用壽命等優點，因此在實際生產中被廣泛運用。 但某些誤差，如非線性特征以及不確定性誤差，通過軟 件進行補償的難度很大,難以滿足精工機床對加工精 度穩定性的要求。本文針對一臺KV800型立式銑床 在加工過程中產生的特定誤差，采用硬件補償方法，通過誤差分析,采取了相應的硬件改進措施，通過較小的 結構改進成本，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定性產生特定的影響。 從而使得實際加工軌跡與理想軌跡發生偏離，這就產 生了加工誤差。這些誤差根據誤差產生原因可分為： 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。 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系3]。2機床誤差現象及數據收集被測對象KV 800型立式精工銑床主要用于加工 圓孔和長槽。某企業具有長期使用該型機床的加工經 驗，近期使用中出現一項故障，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 床圓孔加工結果進行測量（X、X45、X_45、F四個方向, 具體方向見圖2),測量結果如表2、圖3所示。表2機床加工圓實測數據 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中的數據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，結果如表3、圖5所示。表3機床加工x方向長槽實測數據 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誤差產生原因分析3.1刀具補償半徑和刀具路徑設置不當由于加工刀具本身具有一定尺寸，在加工時必須 要設置刀具補償以減小誤差。如果刀具補償設置不合 理就會產生較大的誤差940。但這樣的產生的誤差不 會使加工出來的圓孔在四個方向產生不一樣的誤差， 基本可以排除該種可能。3.2工件裝夾產生誤差工件在加工前，須裝夾穩固,確保工件在加工過程 中不會因外力發生位置變化和振動，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研了工件裝夾方式，確認 該機床裝夾方式沒有問題，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 種操作規程指令所產生的實際響應與該操作規程所預 期產生的響應之間的差異。機床熱誤差的主要影響因 素是內部熱源，各種發熱元件包括電動機、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 發熱影響最大。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，同時在連續加工長度為 50mm、100mm、200mm、300mm的長槽時誤差并未出現 較大波動，由此可推斷不是熱誤差。3.4磨損、變形產生誤差由于該精工銑床已經使用多年，絲杠、軸承等關鍵 部件可能由于長期受力，造成間隙過大、磨損、變形等 問題，從而導致誤差產生。通過測量數據分析，由于誤 差并沒有隨著長槽變長而增加，同時誤差比較穩定，基 本可以排除軟件產生誤差的可能性，可初步判斷該誤 差產生原因為系統誤差。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 差為系統誤差，產生系統誤差的原因有很多種，可能是 絲杠、軸承等關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，因而通過其他技術手段來解決這一 問題,對于降低維護成本具有現實意義。4.1通過程序補償通過軟件來實現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 的圖形及數據可以看出，刀具在不同方向都有著不同 的誤差，而且出現凸起，其原因很可能是刀具運行時不 穩。上述現象表明單純通過程序補償來解決該誤差難 以實現。4.2調整相關零件在機床安裝時會有一些調整裝置來調整絲杠、軸 承誤差，軸承預緊力等。其中間隙補償塊（如圖7、圖8 所示）就是用來調整軸承預緊力的裝置。4.2.1增加墊片現用厚度為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據如表4、表5所示。表4加墊片后加工x方向長槽實測數據 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據 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 由上述數據可看出，該調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。測量后數據如表6、表7、表8所示。表6更換補償塊后只加工x方向測量數據 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據 輸入值 各方向實測長度及誤差 5/mm X /mm X方向誤差/mm Y/mm Y方向誤差/mm 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據 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），數據 顯示修正后誤差顯著減少。5結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加工誤差波動的問題。通過分析 確定了誤差產生原因。最終通過硬補償的方式有效的 解決了這一問題。由此可得出以下結論：(1)通過實驗測試，對機床工作狀態下的數據進 行收集、對比和分析，挖掘出加工誤差產生的原因。(2)通過對比分析，得出該機床加工誤差為系統 誤差，根據相關工作狀態推斷，可能是由于絲桿、軸承 等關鍵零部件出現了某種變形，導致產生該誤差。但 在綜合考慮成本、生產效率和加工效果等各方面因素 后，在未更換絲桿、軸承等關鍵部件的條件下，通過修 正機床間隙補償塊的厚度,采取硬件補償的方式，以極 低的成本解決了這一問題。海天精工相關產品：加工中心,鉆攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕銑機