常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:05 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 数控机床精度及性能检验 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 数控机床的高精度最终是要靠机床本身的精度来保证,数控 机床精度包括几何精度和切削精度。另一方而,数控机床各项性 能的好坏及数控功能能否正常发挥将直接影响到机床的正常使 用。因此,数控机床精度和性能检验对初始使用的数控机床及维 修调整后机床的技术指标恢复是很重要的。 精度检验 台数控机床的检测验收工作,是一项工作量大而复杂,试 验和检测技术要求高的工作。它要用各种检测仪器和手段对机床 的机、电、液、气各部分及整机进行综合性能及单项性能的检测 最后得出对该数控机床的综合评价。这项工作为数控机床今后稳 定可靠地运行打下一定的基础,可以将某些隐患消除在考机和验 收阶段中,因此,这项工作必须认真、仔细,并将符合要求的技 术数据整理归档,作为今后设备维护、故障诊断及维修中恢复技 术指标的依据。 1、几何精度检验 几何精度检验,又称静态精度检验,是综合反映机床关键零 部件经组装后的综合几何形状误差。数控机床的几何精度的检验 工具和检验方法类似于普通机床,但检测要求更高 几何精度检测必须在地基完全稳定、地脚螺栓处于压紧状态 下进行。考虑到地基可能随时间而变化,一般要求机床使用半年 后,再复校一次几何精度:在几何精度检测时应注意测量方法及 测量工具应用不当所引起的误差。在检测时,应按国家标准规定 即机床接通电源后,在预热状态下,机床各坐标轴往复运动几次
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 05 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 数控机床精度及性能检验 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 数控机床的高精度最终是要靠机床本身的精度来保证，数控 机床精度包括几何精度和切削精度。另一方而，数控机床各项性 能的好坏及数控功能能否正常发挥将直接影响到机床的正常使 用。因此，数控机床精度和性能检验对初始使用的数控机床及维 修调整后机床的技术指标恢复是很重要的。 一、精度检验 一台数控机床的检测验收工作，是一项工作量大而复杂，试 验和检测技术要求高的工作。它要用各种检测仪器和手段对机床 的机、电、液、气各部分及整机进行综合性能及单项性能的检测， 最后得出对该数控机床的综合评价。这项工作为数控机床今后稳 定可靠地运行打下一定的基础，可以将某些隐患消除在考机和验 收阶段中，因此，这项工作必须认真、仔细，并将符合要求的技 术数据整理归档，作为今后设备维护、故障诊断及维修中恢复技 术指标的依据。 1、几何精度检验 几何精度检验，又称静态精度检验，是综合反映机床关键零 部件经组装后的综合几何形状误差。数控机床的几何精度的检验 工具和检验方法类似于普通机床，但检测要求更高。 几何精度检测必须在地基完全稳定、地脚螺栓处于压紧状态 下进行。考虑到地基可能随时间而变化，一般要求机床使用半年 后，再复校一次几何精度：在几何精度检测时应注意测量方法及 测量工具应用不当所引起的误差。在检测时，应按国家标准规定， 即机床接通电源后，在预热状态下，机床各坐标轴往复运动几次
主轴故个等的转速运转十多分钟后进行 常用的检测工具有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、 平行光管、千分表、测微仪及高精度主轴心棒等。检测工具的精 度必须比所测的几何精度高一个等级。 (一)卧式加工中心几何精度检验 1)x、y、z坐标轴的相互垂直度 2)工作台面的平行度 3)x、Z轴移动时工作台面的平行度。 4)主轴回转轴线对工作台面的平行度。 5)主轴在Z轴方向移动的直线度 6x轴移动时工作台边界与定位基准面的平行度。 7)主轴轴向及孔径跳动。 8)回转工作台精度 具体的检测项目及方法见表2-1。 (二)卧式数控车床几何精度检验 斜床身、带转盘刀架的卧式数控车床,其几何精度检验见表 2、定位精度的检验 数控机床的定位精度是测量机床各坐标轴在数控系统控制下 所能达到的位置精度。根据实测的定位精度数值,可判断零件加 工后能达到的精度。 1.直线运动定位精度 这项检测一般在空载条件下进行,对所测的每个坐标轴在全 行程内,视机床规格,分每20mm、50mm或100mm间距正向和 反向快速移动定位,在每个位置上测出实际移动距离和理论移动 距离之差。先进的检测仪器有双频激光干涉仪,用它快速进行五 次以上的测量,由处理装置进行计算打印,绘出带±3σ的误差曲 线。在该曲线上得出正、反向定位时的平均位置偏差X,、标准 偏差S,则位置偏差A=(x,+3S,)mx-(x,-3)m 2.直线运动重复定位精度 重复定位精度是反映轴运动稳定性的一个基本指标。机床运 动精度的稳定性决定着加工零件质量的稳定性和误差的一致性。 直线运动重复定位精度的测量可选择行程的中间和两端任意三个 点作为目标位置,从正向和反向进行五次定位,测量出实际位置 与目标位置之差。如各测量点标准偏差最大值为S/mx,则直线运 动重复定位精度为R=6Sm 3.直线运动的原点复归精度 数控机床每个坐标轴都要有精确的定位起点,此点即为坐标 轴的原点或参考点。为提高原点返回精度,各种数控机床对坐标 轴原点复回采取了一系列措施,如降速、参考点偏移量补偿等 2
2 主轴故个等的转速运转十多分钟后进行。 常用的检测工具有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、 平行光管、千分表、测微仪及高精度主轴心棒等。检测工具的精 度必须比所测的几何精度高一个等级。 (一)卧式加工中心几何精度检验 1)x、y、z 坐标轴的相互垂直度。 2)工作台面的平行度。 3)x、Z 轴移动时工作台面的平行度。 4)主轴回转轴线对工作台面的平行度。 5)主轴在 Z 轴方向移动的直线度： 6)x 轴移动时工作台边界与定位基准面的平行度。 7)主轴轴向及孔径跳动。 8)回转工作台精度。 具体的检测项目及方法见表 2—1。 (二)卧式数控车床几何精度检验 斜床身、带转盘刀架的卧式数控车床，其几何精度检验见表 2—2。 2、定位精度的检验 数控机床的定位精度是测量机床各坐标轴在数控系统控制下 所能达到的位置精度。根据实测的定位精度数值，可判断零件加 工后能达到的精度。 1．直线运动定位精度 这项检测一般在空载条件下进行，对所测的每个坐标轴在全 行程内，视机床规格，分每 20mm、50mm 或 100mm 间距正向和 反向快速移动定位，在每个位置上测出实际移动距离和理论移动 距离之差。先进的检测仪器有双频激光干涉仪，用它快速进行五 次以上的测量，由处理装置进行计算打印，绘出带±3σ 的误差曲 线。在该曲线上得出正、反向定位时的平均位置偏差 X j 、标准 偏差 j S ，则位置偏差 max min ( 3 ) ( 3 ) A X S X S = + − − j j j j 。 2．直线运动重复定位精度 重复定位精度是反映轴运动稳定性的一个基本指标。机床运 动精度的稳定性决定着加工零件质量的稳定性和误差的一致性。 直线运动重复定位精度的测量可选择行程的中间和两端任意三个 点作为目标位置，从正向和反向进行五次定位，测量出实际位置 与目标位置之差。如各测量点标准偏差最大值为 j max S ，则直线运 动重复定位精度为 max 6 R S = j 。 3．直线运动的原点复归精度 数控机床每个坐标轴都要有精确的定位起点，此点即为坐标 轴的原点或参考点。为提高原点返回精度，各种数控机床对坐标 轴原点复回采取了一系列措施，如降速、参考点偏移量补偿等
同时,每次关机之后,重新开机的原点位置精度要求一致。因此, 坐标原点的位置精度必然比行程中其他定位点精度要高。对每个 直线运动轴、从七个不同位置进行原点复归,测量出其停止位置 的数值,以测定性与理论值的最大差值为原点复归精度。 4.直线运动失动量 坐标轴直线运动的失动量,又称直线运动反向差,是该轴进 给传动链上的驱动元件反向死区,以及各机械传动副的反向间隙 和弹性变形等误差的综合反映,测量方法与直线运动重复定位精 度的测量方法相似。如正向平均位置偏差为X个,反向平均位 置偏差为x,∴,则反向偏差B=(x↑-x,可。这个误差 越大,定位精度与重复定位精度就越低。一般情况下,失动量是 由于进给传动链刚性不足,滚珠丝杠顶紧力不够,导执副过紧或 松动等原因造成的。要根本解决这个问题,只有修理和调整有关 元部件。数控系统都有失动量补偿的功能(一般称反向间隙补偿) 最大能补偿020—0.30mm的失动量,但这种补偿要在全行程区域 内失动量均匀的情况下,才能取得较好效果。就一台数控机床的 各个坐标轴而言,软件补偿值越大,表明该坐标轴上影响定位误 差的随机因素越多、则该机床的综合定位精度不会太高 5.回转工作台的定位精度 以工作台某一角度为基准,然后向同一方向快速转动工作台, 每隔30度锁紧定位,选用标准转台、角度多面体、圆光栅及平行 光管等测量工具进行侧量,正向转动和反向转动各测量一周。各 定位位置的实际转角与理论值(指令值)之差的最大值即为分度误 差。如工作台为数控回转工作台,则应以每30度为一个目标位置, 再对每个目标位置正、反转进行快速定位五次。如平均位置偏差 为Q,标准偏差为S,则数控回转工作台的定位精度误差为 A=(Q1+3S,)+(Q1+3S,)mn。 6.回转工作台的重复分度精度 测量方法是在回转工作台的一周内任选三个位置正、反转重 复定位三次,实测值与理论值之差的最大值为重复分度精度。对 数控回转工作台,以每30度取一个测量点作为目标位置正、反转 进行五次快速定位。如各测量点标准偏差最大值S/mx,则重复定 位精度为R=6S 7.数控回转工作台的失动量 数控回转工作台的失动量,又称数控回转工作台的反向差, 测量方法与回转工作台的定位精度测量方法一样。如正向位置平 均偏差为Q,↑,反向位置平均偏差为Q,↓,则反向偏差
3 同时，每次关机之后，重新开机的原点位置精度要求一致。因此， 坐标原点的位置精度必然比行程中其他定位点精度要高。对每个 直线运动轴、从七个不同位置进行原点复归，测量出其停止位置 的数值，以测定性与理论值的最大差值为原点复归精度。 4．直线运动失动量 坐标轴直线运动的失动量，又称直线运动反向差，是该轴进 给传动链上的驱动元件反向死区，以及各机械传动副的反向间隙 和弹性变形等误差的综合反映，测量方法与直线运动重复定位精 度的测量方法相似。如正向平均位置偏差为 X j ，反向平均位 置偏差为 X j ，则反向偏差 max ( ) B X X = − j j 。这个误差 越大，定位精度与重复定位精度就越低。一般情况下，失动量是 由于进给传动链刚性不足，滚珠丝杠顶紧力不够，导执副过紧或 松动等原因造成的。要根本解决这个问题，只有修理和调整有关 元部件。数控系统都有失动量补偿的功能(一般称反向间隙补偿)， 最大能补偿 0.20—0.30mm 的失动量，但这种补偿要在全行程区域 内失动量均匀的情况下，才能取得较好效果。就一台数控机床的 各个坐标轴而言，软件补偿值越大，表明该坐标轴上影响定位误 差的随机因素越多、则该机床的综合定位精度不会太高。 5．回转工作台的定位精度 以工作台某一角度为基准，然后向同一方向快速转动工作台， 每隔 30 度锁紧定位，选用标准转台、角度多面体、圆光栅及平行 光管等测量工具进行侧量，正向转动和反向转动各测量一周。各 定位位置的实际转角与理论值(指令值)之差的最大值即为分度误 差。如工作台为数控回转工作台，则应以每 30 度为一个目标位置， 再对每个目标位置正、反转进行快速定位五次。如平均位置偏差 为 Qj ，标准偏差为 j S ，则数控回转工作台的定位精度误差为： max min ( 3 ) ( 3 ) A Q S Q S = + + + j j j j 。 6．回转工作台的重复分度精度 测量方法是在回转工作台的一周内任选三个位置正、反转重 复定位三次，实测值与理论值之差的最大值为重复分度精度。对 数控回转工作台，以每 30 度取一个测量点作为目标位置正、反转 进行五次快速定位。如各测量点标准偏差最大值 j max S ，则重复定 位精度为 max 6 R S = j 。 7．数控回转工作台的失动量 数控回转工作台的失动量，又称数控回转工作台的反向差， 测量方法与回转工作台的定位精度测量方法一样。如正向位置平 均偏差为 Qj ，反向位置平均偏差为 Qj ，则反向偏差
B=12↑2↓) 8.回转工作台的原点复归精度 回转工作台原点复归的作用同直线运动原点复归的作用 样。复归时,从七个任意位置分别进行一次原点复归,测定其停 止位置的数值,以测定值与理论值的最大差值为原点复归精度。 3、切削精度检验 数控机床切削精度检验,又称动态精度检验,是在切削加工条 件下,对机床几何精度和定位精度的一项综合考核。切削精度检 验可分单项加工精度检验和加工一个标准的综合性试件精度检验 两种。 (一)加工中心切削精度 表2-3为加工中心切削精度检验内容。 1.镗孔精度 试件上的孔先粗镗一次,然后按单边余量小于0.2mm进行 次精镗,检测孔全长上各截面的圆度、圆柱度和表面粗糙度 这项指示主要用来考核机床主轴的运动精度及低速走刀时的平稳 2.镗孔的同轴度 利用转台180度分度,在对边各镗一个孔,检验两孔的同轴 度,这项指标主要用来考核转台的分度精度及主轴对加工平面的 垂直度 3.镗孔的孔距精度和孔径分散度 孔距精度反映了机床的定位精度及失动量在工件上的影响。 孔径分散度直接受到精镗刀头材质的影响,为此,精镗刀头必须 保证在加工100个孔以后的磨损量小于00lmm,用这样的刀头加 工,其切削数据才能真实反映出机床的加工精度 4.直线铣削精度 使ⅹ轴和y轴分别进给,用上铣刀侧刃精铣工件周边。该精 度主要考核机床ⅹ向和y向导轨运动几何精度 5.斜线铣削精度 用Gol控制ⅹ和Y轴联动,用立铣刀侧刃情铣工件周边 项精度主要考核机床的X、Y轴直线差补的运动品质,当两轴的 盲线插补功能或两轨伺服特性不一致时,便会使直线度、对边平 行度等精度超差,有时即使几项精度不超差、但在加工面上出现 根有规律的条纹,这种条纹存两直角边上呈现一边密,一边稀的 状态,这是出于两轴联动时,其中某一轴进给速度不均匀造成的 6.圆弧铣削精度 用立铣刀侧刃精铣外圆表面,要求铣刀从外圆切向进刀,切 向出刀,铣圆过程连续不中断。测量圆试件时,常发现图2-1a 所示的两半圆错位的图形,这种情况一般都是由一坐标方向或两 坐标方向的反向失动量引起的;出现斜椭圆,如图2-1b所示, 是由于两坐标的实际系统增益不一致造成的,尽管在控制系统上
4 max ( ) B Q Q = − j j 。 8．回转工作台的原点复归精度 回转工作台原点复归的作用同直线运动原点复归的作用一 样。复归时，从七个任意位置分别进行一次原点复归，测定其停 止位置的数值，以测定值与理论值的最大差值为原点复归精度。 3、切削精度检验 数控机床切削精度检验，又称动态精度检验，是在切削加工条 件下，对机床几何精度和定位精度的一项综合考核。切削精度检 验可分单项加工精度检验和加工一个标准的综合性试件精度检验 两种。 (一)加工中心切削精度 表 2—3 为加工中心切削精度检验内容。 1．镗孔精度 试件上的孔先粗镗一次，然后按单边余量小于 0.2mm 进行 一次精镗，检测孔全长上各截面的圆度、圆柱度和表面粗糙度。 这项指示主要用来考核机床主轴的运动精度及低速走刀时的平稳 性。 2．镗孔的同轴度 利用转台 180 度分度，在对边各镗一个孔，检验两孔的同轴 度，这项指标主要用来考核转台的分度精度及主轴对加工平面的 垂直度。 3．镗孔的孔距精度和孔径分散度 孔距精度反映了机床的定位精度及失动量在工件上的影响。 孔径分散度直接受到精镗刀头材质的影响，为此，精镗刀头必须 保证在加工 100 个孔以后的磨损量小于 0.01mm，用这样的刀头加 工，其切削数据才能真实反映出机床的加工精度。 4．直线铣削精度 使 x 轴和 y 轴分别进给，用上铣刀侧刃精铣工件周边。该精 度主要考核机床 x 向和 y 向导轨运动几何精度。 5．斜线铣削精度 用 G01 控制 x 和 Y 轴联动，用立铣刀侧刃情铣工件周边。该 项精度主要考核机床的 X、Y 轴直线差补的运动品质，当两轴的 盲线插补功能或两轨伺服特性不一致时，便会使直线度、对边平 行度等精度超差，有时即使几项精度不超差、但在加工面上出现 根有规律的条纹，这种条纹存两直角边上呈现一边密，一边稀的 状态，这是出于两轴联动时，其中某一轴进给速度不均匀造成的。 6．圆弧铣削精度 用立铣刀侧刃精铣外圆表面，要求铣刀从外圆切向进刀，切 向出刀，铣圆过程连续不中断。测量圆试件时，常发现图 2—1a 所示的两半圆错位的图形，这种情况一般都是由一坐标方向或两 坐标方向的反向失动量引起的；出现斜椭圆，如图 2—1b 所示， 是由于两坐标的实际系统增益不一致造成的，尽管在控制系统上
两坐标系统增益设置成完全一样,但由于机械部分结构、装配质 量和负载情况等不同,也会造成实际系统增益的差异;出现圆周 上锯齿形条纹,如图2lc所示,其原因与铣斜四方时出现条纹 的原因类似 X 图2-1圆弧铣削精度 )两半圆错位b)斜椭园c)锯齿形条较 7.过载重切削 在切削负荷大于主轴功率120%150%的情况下,机床应不 变形,主轴运转正常 要保证切削精度,就必须要求机床的定位精度和几何精度的 实际误差要比允差小。例如一台中小型加工中心的直线运动定位 允差为±0.01/300mm、重复定位允差±0007mm、失动量允差 0015mm,但镗孔的孔距精度要求为0.02/200mm。不考虑加工误 差,在该坐标定位时,若在满足定位允差的条件下,只算失动量 允差加重复定位允差(0015mm+0.014mm=0.029mm,即已大于孔 距允差0.02mm。所以,机床的几何精度和定位精度合格,切削 精度不一定合格。只有定位精度和重复定位精度的实际误差小于 允差,才能保证切削精度的合格 (二)数控卧式车床的车削精度 对于数控卧式车床,单项加工精度有:外因车削、端面车削 和螺纹切削。 1.外圆车削 外圆车削试件如图2-2所示。 图2-2外圆车剧试件 试件材料为45钢,切削速度100-150mm/ 背吃刀量 0.1-0.15mm,进给量小于或等于0.lmmh,刀片材料Yw3涂层 刀具。试件长度取床身上最大车削直径的1/2,或最大车削长度的
5 两坐标系统增益设置成完全一样，但由于机械部分结构、装配质 量和负载情况等不同，也会造成实际系统增益的差异；出现圆周 上锯齿形条纹，如图 2—lc 所示，其原因与铣斜四方时出现条纹 的原因类似。 7．过载重切削 在切削负荷大于主轴功率 120％一 150％的情况下，机床应不 变形，主轴运转正常。 要保证切削精度，就必须要求机床的定位精度和几何精度的 实际误差要比允差小。例如一台中小型加工中心的直线运动定位 允差为±0.01/300mm、重复定位允差±0.007mm、失动量允差 0.015mm，但镗孔的孔距精度要求为 0.02/200mm。不考虑加工误 差，在该坐标定位时，若在满足定位允差的条件下，只算失动量 允差加重复定位允差(0.015mm+0.014mm=0.029mm，即已大于孔 距允差 0.02mm。所以，机床的几何精度和定位精度合格，切削 精度不一定合格。只有定位精度和重复定位精度的实际误差小于 允差，才能保证切削精度的合格。 （二）数控卧式车床的车削精度 对于数控卧式车床，单项加工精度有：外因车削、端面车削 和螺纹切削。 1．外圆车削 外圆车削试件如图 2—2 所示。 试件材料为 45 钢，切削速度 100—150mm／min，背吃刀量 0.1—0.15mm，进给量小于或等于 0.1mm/r，刀片材料 Yw3 涂层 刀具。试件长度取床身上最大车削直径的 1/2，或最大车削长度的