五坐标龙门加工中心加工零件表面粗糙度差的原因分析

进行圆度检测。
按数控系统要求进行A/C轴圆度
测试的相关设置，参数设置好后进行
A/C圆度测试，测试结果如图5所示。
图5 A/C轴圆度测试
从A/C轴圆度测试结果看，A/C轴进行圆度测试时A/C的圆度曲线均匀，各 象限图形没有明显的畸变或过冲，圆度测试满足要求，A/C轴运动时没有振动， 机械性能没有明显缺陷，A/C轴机械性能满足要求。
（4）NAS 三轴试件试切。A/C轴的定位精度、圆度和伺服优化测试结果没 有发现问题，为确认零件表面粗糙度超差是否由五轴头引起，可以进行NAS三 轴试件试切，把五轴头锁定加工。加工的三轴NAS试件结果如图6所示。
图4 NAS五轴试切件
3.五轴头机械特性与原电气 特性不匹配
该机床的五轴头前期刚进行大修 翻新，伺服电机、传动部件、轴承、 编码器等全部更换，部件装配面全 部进行刮研校正，如果该大修翻新 的技术指标达不到要求或电气特性不 匹配，零件加工也会相应出现各种问 题。为确认表面粗糙度差是否是由五 轴头造成，可进行一系列测试。
表1 A/C轴的定位精度和重复定位精度
项目 坐标轴
A轴 C轴
定位精度 （P ）要求
10″ 10″
P 实测值
8.4″ 9.2″
重复定位精度
（P smax）要求 8″ 8″
P smax实测值
5.5″ 5.9″
从表1可以看到，该机床的A/C轴的定位精度和重复定位精度都满足机床的
出厂精度要求，同时A/C轴的反向间隙也满足要求。因此表面粗糙度由A/C轴的
表2 A/C轴的速度环、位置环增益
速度环增益
测试值
2.0
2.3
2.0
2.3
原始值 2.0 2.0位置环增益Fra bibliotek测试值
2.6
2.8
2.6
2.8
A/C轴的速度环、位置环的增益设定值为2.0、2.3时进行加工测试，加工的 零件表面粗糙度没有明显改善；继续增加速度环、位置环的增益至2.3、2.8时A/ C轴电机开始啸叫抖动，因此速度环、位置环的增益不能继续加大，要相应降 低增益值，增益值的设定一般是机床轴开始啸叫抖动时增益值的80%为宜。因 此，可以认为零件表面粗糙度问题不是由A/C轴的速度环、位置环的增益引起。
为确认表面粗糙度差的原因是否 由于零件加工程序编制策略造成，于 是使用五坐标机床验收标准中通用的 NAS试切件和程序、参数进行试切 加工，加工结果如图4所示。从NAS 试切件可以看到，零件表面粗糙度有 显著改善，但是表面的波纹依然比较 严重，所以可以认为零件程序编制和 加工参数不是该机床零件表面粗糙度 差的主要原因，而是机床自身问题导 致零件表面粗糙度严重超差。
1.问题分析 某五坐标高速龙门加工中心前期进行了五轴头翻新大 修，机械及电气部件均有更新，在零件试加工过程中发 现，加工的零件表面波纹严重（见图1），表面粗糙度极 差，完全无法满足工艺表面粗糙度的技术要求。
图1 表面波纹严重的零件
零件加工表面粗糙度差的原因比较多，零件加工程序 编制不良或机械部件磨损，运动部件的间隙增大，机械刚 性下降，龙门同步超差，电气参数与机械部件的机械特性 不匹配，伺服优化不好等因素，都会导致坐标轴运动时无 法快速准确定位。机床来回寻找定位位置导致伺服系统振 荡或系统电气响应速度慢，造成零件加工表面出现波纹， 表面粗糙度超差。电气调试和伺服优化主要是针对机床的 三环控制系统进行（见图2）。
74 WMEM·2019年 第6期
图2 机床三环控制
从图2可以看出，机床电气特性一般包括三环特性，由 一系列电气参数设定，比如速度环、位置环增益等。如果 速度环、位置环的增益设定值较大，系统响应就较快，能 够较快达到稳定状态，机床加工时零件表面质量也会相应 提高。但是如果速度环、位置环的增益设定值太高，就会 造成系统振荡，无法达到稳定状态，机床出现抖动，电机 啸叫，加工时零件表面出现波纹；速度环、位置环的增益 设定值过小，则机床响应速度降低，零件加工时表面也会 出现波纹。图3是指令响应及稳定过程。
（3）A/C轴伺服优化测试。如果速度环、位置环的增益设定值较大，系 统响应就较快，能够较快达到稳定状态，机床加工时零件表面质量也会相应提 高。为测试表面粗糙度超差是否是有A/C轴的速度环、位置环的增益设定值小， 响应速度慢引起，可以增加A/C轴的速度环、位置环增益（见表2）。
项目 坐标轴
A轴 C轴
原始值 1.2 1.2
图3 指令响应示意图

产品与技术 Products & Technology
因此，解决此类问题需要从电气 和机械两方面综合分析，才能最终找 到问题所在。
2.零件加工程序编制策略不 符合机床加工特性
图1零件是用来检测机床五轴加 工性能是否良好由使用部门自行制定 的一个通用试切件，试切加工时没有 针对本机结构及特性进行专门的程序 编制和优化，该零件加工程序编制和 加工参数是否符合本机特性，零件试 切结果是否合适存在争议。
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五坐标龙门加工中心加工零件表面粗糙度差 的原因分析
昌河飞机工业（集团）有限责任公司 林超青
公司一台五坐标龙门加工中心在加工时零件表面波纹严重，表面粗糙度严重超差，无法满足 工艺要求。零件表面粗糙度差的成因比较多，解决难度大，本文对该机床零件加工表面粗糙度差 的原因和处理措施进行一些探讨。
（1）A/C轴定位精度检测。数 控机床坐标轴的定位精度和重复定位

精度直接关系到零件加工的质量，该机床五轴头进行过翻新大修， 如果A/C轴定 位精度（P ）和重复定位精度（P smax）不好，坐标轴在快速运行中来回寻找定位 点将造成机床振荡抖动，零件表面相应就会出现波纹，粗糙度下降。因此需要对 A/C轴进行定位精度（P ）和重复定位精度（P smax）检测，结果见表1。
定位精度和重复定位精度造成的可能性可以排除。
（2）A/C轴圆度测试。圆度误差是各种误差中非常重要的一项数据，圆
度误差是回转体在正截面上的实际轮廓对比于理想圆的变动量，数控机床的圆
度误差对数控机床的功能和精度有
直接影响。该机床采用的是FIDIA
C20数控系统，利用系统自带的圆
度检测功能（ERCI）可以对坐标轴