五轴立式加工中心的故障排除

    Votaw精密技术公司参与航空航天产品的制造已有45年的历史，目前拥有22297m²的现代化厂房，员工130人。公司主要为航空航天和国防制造业加工一些非常重要的高端产品零件，例如火星探测器、Aries1火箭、Raptor战斗机和各种卫星等中应用的关键机械零件。
    “我们是这些项目产品的最早期供应商，因为我们一直拥有加工这些高精度产品的先进设备和技术。”Votaw公司维修部经理Richard Roy说。Votaw公司在几年前就购买了几台当时最先进的五轴立式加工中心，这些机床主要用于航空航天和精密工程中各种复杂轮廓零件的高精度加工。五轴立式加工中心机床移动工作台的X、Y、Z轴工作行程为2.4m×4.8m×0.9m，配备A和B倾斜轴，每天工作16～20h，每星期工作5.5天。
    但是，从2007年开始，该公司发现使用这些设备加工，出现了严重的质量问题，加工的零件远远达不到航空航天顶端精密产品要求的高精度。“我们已经习惯用这些机床加工许多高精度零件，但是后来用这些机床加工，总是不能达到零件的图纸要求精度，加工出的零件尺寸超出要求的公差范围。”Roy说，“我们不得不重复地对机床进行调整，使这些极其重要的关键零件继续在这几个价格昂贵的先进机床上加工。”
    当时购买的这种五轴立式加工中心，其各直线轴都设计有带位置反馈的测量系统，它是通过在滚珠丝杠上装有旋转译码器的结构形式，对加工零件中的各轴向尺寸进行准确的自动测量。“但经多年的使用后，有时我们发现加工零件的尺寸超差。经试验研究表明，为始终周期性地在一个轴向上出现测量误差，原因主要由与滚珠丝杠密切配合使用的旋转编码器造成。我们对滚珠丝杠和旋转编码器进行了多次认真的检测、调试，想了许多办法，还是不能满足使用要求。”
    这时，Votaw公司知道是需要对外求援的时候了。Votaw公司请来了专业机床修理人员、技术咨询公司和机床经销商。“我们在外援帮助下，获得了一个挑战性的建议。”Roy介绍说，他们认为这种在滚珠丝杠上装有旋转编码器的结构形式，只通过调试，是不会恢复到原来的加工精度的。建议使用后期研制的高分辨率光栅尺测量系统，替换先前的旋转编码器测量方案，应该能够满足我们的使用要求。
    “最后根据技术咨询公司A Tech Authority公司的建议，选择使用由德国Heidenhain公司制造的绝对封闭式光栅尺测量系统，对五轴立式加工中心进行了技术改造，使加工零件达到新、旧产品的高尺寸精度的技术要求。
    对于Votaw公司，幸运的是考虑到A Tech Authority公司是这方面的专家，所以向他们咨询，并采纳了他们的很好的意见。“遗憾的是，当时Votaw公司并没能真正理解先进光栅尺测量系统的整个技术优势。当然，专业机床修理人员和机床经销商也并不是非常熟悉。”A Tech Authority经理Craig Dambrosio说。
    Roy说：“我们后来才知道最近几年开发的先进机床都使用了光栅尺先进测量系统。据有关资料介绍，既使在旧式机床上改装成新的先进光栅尺测量系统，也能实现高精度加工。使用先进光栅尺测量系统的确是提高机床加工精度的重要手段。”Votaw公司经A Tech Authority公司引进了两套封闭式Heidenhain LS 100系列和一套LB 382先进光栅尺测量系统，替换原来在X、Y和Z轴上的旧式旋转编码器测量系统。 其中的两套封闭式Heidenhain LS 100系列产品，具有能在振动状态下仍能保证获得高精度零件的特点。
    “有一家客户，曾经委托我们将他们购买的一台价值50万美元的机床，改装成先进光栅尺测量系统，在一个零件上加工出50、60个高精度孔，给了我们一个全新的感觉。经测量发现，零件加工的尺寸都非常稳定，并获得很高尺寸精度（其实，这类质量问题的产生，大多数是由于测量系统例如旋转编码器的分辨率低或精度下降与对振动敏感造成，与机床本身的加工精度无关）。”A Tech Authority公司的Bill Ritter说。
    A Tech Authority公司技术员将安装好的系统，与机床控制系统连接。Craig Dambrosio介绍：“当测量系统与控制系统接通，则准备工作全部完成。”在选择好的零件加工后，Votaw公司照常使用了激光校准仪，对加工好的零件进行检验。经激光校准仪检验显示，加工出零件的尺寸精度，完全达到图纸要求的精度。
    “零件加工中再没出现周期性的尺寸误差，”Roy说，“原来在三条直线轴上加工精度为±0.013mm；而现在三条直线轴上加工精度能够稳定在±0.005mm，使加工精度提高150%。”Roy说。
    Votaw公司改进后的五轴立式加工中心现已投入正式生产。“改装后的五轴立式加工中心，使加工精度大大提高，现已正在为787 Dreamliner客机和联合攻击战斗机加工高精度零件。”Roy说。