五轴加工中心铣削圆孔偏差如何解决?

1序言

一台配置西门子840D powerline数控系统的五轴立式加工中心，在X、Y平面铣削圆孔时，出现非规则椭圆且圆孔表面波纹现象比较严重，圆孔半径偏差0.6mm左右，如图1所示。

2问题分析

首先排除操作、加工程序、刀具及工装夹具等问题，怀疑重点转向设备本身。对于加工中心来说，数控系统动态响应不稳定、伺服优化不完善都会影响加工中心的圆度误差[1]。多轴伺服参数匹配度不足会直接引发联动轮廓误差，两轴位置环增益差异是造成铣圆呈规整椭圆的核心诱因之一。

由于该设备使用的是西门子数控系统，因此可以采用数控系统伺服优化调试之中的循圆测试功能，在X、Y平面进行循圆测试，模拟实际的圆孔加工，通过生成的圆度测试图进行分析。

在MDI模式下，参考实际加工参数，编制X、Y平面循圆测试运行程序如下。

G54 G91 G17;G54坐标系，增量编程，G17平面

G02 I20 J0 F2000 TURN=10;圆半径R=20mm，进给速度2000mm/min，循环10次

M30;程序结束

测试结果如图2所示，Delta R=594.6103μm，偏差主要集中在第一、第三象限，且有较大尖点和杂乱纹波动，偏差较大，与实际加工的圆孔结果基本一致。

为进一步诊断X、Y轴哪根轴存在问题，可以继续使用循圆测试功能，在X、Z平面进行循圆测试，通过生成圆度测试图进行分析。

在MDI模式下，参考实际加工参数，编制X、Z平面循圆测试运行程序如下。

G54 G91 G18;G54坐标系，增量编程，G18平面

G02 I20 K0 F2000 TURN=10;圆半径R=20mm，进给速度2000mm/min，循环10次

M30;程序结束

测试结果如图3所示，Delta R=848.8034μm，椭圆方向主要集中在第一、第三象限，属于规整椭圆，无明显锯齿波纹。

通过排查，发现问题是由于X、Z两根轴的位置环增益参数不一致导致的。X轴MD32200=0.7，Z轴MD32200=1，将Z轴位置环增益值修改成与X轴一致后，重新做循圆测试，测试结果如图4所示，Delta R=43.9119μm。由于该设备使用已达20年，机械存在不同程度的磨损，因此这个测试结果基本正常。

通过X、Y平面与X、Z平面内的循圆测试对比，X、Z平面内圆度测试正常，而X、Y平面内圆度测试存在问题。因此可以初步确定Y轴存在问题。检查Y轴位置环以及速度环相关参数，没有发现明显问题。因此怀疑Y轴存在机械故障。

为进一步确认Y轴机械故障点，单独编制Y轴重复移动测试程序，具体如下。

ABC:;程序头标识

G54 G90;G54坐标系，绝对编程

G01 Y0 F2000;直线插补，进给速度2000mm/min

G04 F0.5;暂停0.5s

Y100.;移动100mm

G04 F0.5;暂停0.5s

GOTOB ABC;回到程序标识ABC，重新执行

经过仔细观察，发现Y轴正向移动到100mm位置，暂停0.5s后换向移动时，有较明显的振动现象。而Y轴移动到0mm位置，暂停0.5s后换向移动时，振动较小。因此怀疑Y轴传动机械存在窜动。检查Y轴传动机构，该轴是伺服电动机通过同步齿形带与丝杠相连，检查同步齿形带，表面无明显损伤且张紧度合适，因此怀疑窜动是由丝杠引起的。

为测试Y轴丝杠是否存在窜动，采用以下方式进行测试，如图5所示:在丝杠端用润滑脂粘一钢珠，用百分表表头打在钢珠最高点，同时执行Y轴重复移动测试程序，发现100mm位置反向时最大偏差为0.8mm左右，偏差较大，因此可以确定Y轴丝杠存在窜动问题。滚珠丝杠支撑轴承预紧失效会加剧轴系反向窜动与振动，在圆弧插补过程中会产生不规则波纹与轮廓偏差[3]。在铣圆时，若偏差过大就会造成"不够圆"，类似于椭圆的形状，从而对铣出的圆的圆度产生影响[4]。

3解决方法

经过以上分析及测试，基本上确定Y轴丝杠存在窜动问题。通过对Y轴丝杠及连接部分进行分解检查，最终发现由于Y轴丝杠支撑轴承预紧螺母出现松动，导致轴承预紧失效，因而在Y轴移动换向时会出现窜动。按照轴承预紧要求，重新把预紧螺母锁紧，重复之前Y轴丝杠窜动测试，Y轴反向移动时偏差最大0.02mm左右，属于正常范围之内[5]。

利用循圆测试功能，重新在X、Y平面进行循圆测试，执行循圆测试运行程序，测试结果如图6所示，Delta R=38.6068μm，这个测试结果基本正常。

观察以上圆度测试图，发现在过象限处，X轴方向有明显向外的尖点，而Y方向有明显向内的尖点，因此可以尝试对X、Y轴进行进一步优化，尽可能将X、Y两根轴优化到最佳状态。

通过调整位置环、速度环、电流环等相关参数以及优化摩擦力补偿后，重新进行X、Y平面循圆测试，测试结果如图7所示，Delta R=20.5491μm。该结果是目前该设备能优化到的最佳结果，如果要进一步提升精度，那么就需要对设备进行全面的机械检测及维修。

对调整优化后的最终结果进行验证，重新调用加工程序加工圆孔，如图8所示，圆孔半径偏差0.02mm左右，无椭圆现象，孔表面质量良好，无明显波纹现象，加工结果与数控系统圆度测试结果图基本一致，满足目前加工精度要求。

4结束语

在加工中心长期使用过程中，滚珠丝杠、导轨及轴承存在一定程度的磨损，且数控系统动态响应不稳定，伺服优化不完善，也会影响加工中心的圆度误差。数控系统伺服优化功能一般在设备装调初期用于机电特性匹配，提升设备动态特性及发挥设备最大性能，是设备安调人员常用的调试工具。对于设备维护人员来说，可作为诊断设备故障的重要辅助手段，灵活使用该功能，可以对当前设备的状态进行初步诊断，可以提高故障的诊断效率。

数控设备维护是一项要求较高的工作，对于设备维护人员来说，不但要求掌握机械、电气自动化以及数控等专业知识，同时对于数控设备操作、编程以及加工工艺等知识也要有一定的了解，只有具备大量的专业知识储备，设备维护人员在故障诊断及解决过程中，才能游刃有余，快速精准定位故障点及解决问题。