重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造

張映紅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造

張映紅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

通過對重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀分析，提出五軸聯(lián)動數(shù)控化改造方案，運用新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品對其實施改造，提升舊銑床的性能、精度和可靠性，解決當前汽車制造對模具復(fù)雜空間曲面加工高精度和高效率的問題，滿足現(xiàn)代汽車模具加工的要求，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

銑床；數(shù)控技術(shù)；五軸聯(lián)動；模具加工

我院校外實習基地在20世紀90年代從意大利引進一臺重型數(shù)控龍門銑床，工作臺面長5米，寬3.7米，高1.3米，對當時加工大、中型汽車模具發(fā)揮了應(yīng)有的效能。隨著社會的進步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模具制造技術(shù)和工藝也不斷發(fā)展變化，模具制造不但曲面越來越復(fù)雜,而且質(zhì)量要求也越來越高，這臺20世紀90年代引進的重型數(shù)控龍門銑床也逐漸表現(xiàn)出難以滿足現(xiàn)代汽車模具加工精度高、效率高和成本低的要求。如何解決重型數(shù)控龍門銑床加工復(fù)雜空間曲面模具時所遇到的瓶頸問題，就成為我們要研究和解決的問題。

（一）重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀分析

1.重型數(shù)控龍門銑床的數(shù)控技術(shù)已淘汰

重型數(shù)控龍門銑床是20世紀90年代從意大利引進的，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)落后和老化，主要表現(xiàn)在重型數(shù)控龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)主要控制 X、Y、Z軸直線聯(lián)動來實現(xiàn)加工模具，而對加工目前汽車覆蓋件模具的復(fù)雜空間曲面時，就顯得這種銑床力不從心，加工模具的空間曲面形狀和精度均達不到產(chǎn)品的設(shè)計要求。第二，銑床加工模具時，還需要多次裝夾，輔助時間較長，生產(chǎn)效率低。第三，數(shù)控系統(tǒng)的軟件版本功能較低，沒有RTCP等功能，滿足不了現(xiàn)代汽車制造對模具加工的需求。而數(shù)控系統(tǒng)的硬件如CPC、電路板、接口等已老化，內(nèi)存也小。綜合分析數(shù)控龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)落后和老化。

2.重型數(shù)控龍門銑床出現(xiàn)劣化現(xiàn)象

重型數(shù)控龍門銑床從1994年開始使用至今，幾乎每天24小時都在使用，銑床的開動率高達92.8%。同時，銑床的服役時間已有17年，已超過重型數(shù)控龍門銑床的有效使用年限7年，銑床的機械部分、電控部分等已出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，如床身導(dǎo)軌磨損加大，銑床出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，降低了銑床運動精度。各傳動齒輪磨損較大，運動時出現(xiàn)響聲等，銑床的故障率也逐步升高。

3.數(shù)控銑床的發(fā)展方向

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展帶動了機械加工技術(shù)的飛速發(fā)展，使傳統(tǒng)的制造工藝發(fā)生了顯著的變化。五軸聯(lián)動數(shù)控銑床是集機械、電氣、液壓、數(shù)控技術(shù)為一體的高科技、高精密的專門用于加工復(fù)雜曲面的銑床，特別適用于國防、軍工、航空航天、發(fā)電設(shè)備、能源交通、模具制造等行業(yè)的關(guān)鍵精密零件的加工，數(shù)控銑床在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。

在加工汽車覆蓋件模具復(fù)雜空間曲面時，采用五軸聯(lián)動數(shù)控銑床能更好的保證模具的加工質(zhì)量，能讓模具的裝夾變得容易，避免了多次裝夾，使模具加工變得更加容易，也使模具修改變得容易，能實現(xiàn)汽車模具加工的高精度、高效率、低成本的目的。

（二）制訂重型數(shù)控龍門銑床改造方案

經(jīng)過分析重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀，針對造成加工現(xiàn)代汽車模具精度不高，生產(chǎn)效率低等主要問題，成立專項小組，對重型數(shù)控龍門銑床進行全面的檢測，掌握銑床原有性能指標，如原銑床的主運動參數(shù)，進給系統(tǒng)狀態(tài)，動態(tài)切削性能等。遵循設(shè)備管理原則使修理、改造與更新相結(jié)合，充分吸收意大利重型數(shù)控龍門銑床的設(shè)計思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運用新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品，對重型數(shù)控龍門銑床進行五軸聯(lián)動數(shù)控化改造，以提升舊重型數(shù)控龍門銑床的功能、精度和可靠性，滿足現(xiàn)代汽車模具加工的要求。

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造總的要求為：技術(shù)上追求先進性，質(zhì)量上強調(diào)可靠性，投入上堅持經(jīng)濟性。經(jīng)研究論證銑床改造主要有以下幾方面：

1.保留重型數(shù)控龍門銑床的基礎(chǔ)件，如床身、立柱、橫梁、工作臺等大型鑄件（或焊接件），并恢復(fù)原有的功能和精度。

2.更換不能滿足現(xiàn)代模具加工要求的三軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，選配適合現(xiàn)代模具復(fù)雜空間曲面加工的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)。

3.根據(jù)重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)，配置一個數(shù)控雙擺角銑頭，重新設(shè)計主軸傳動系統(tǒng)。以實現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動，完成復(fù)雜空間曲面的模具加工，擴充銑床的功能和檔次。

4.在銑床的進給系統(tǒng)中，將步進電機和步進驅(qū)動更換為伺服電機和伺服驅(qū)動；將絲桿更換為滾珠絲桿，以提高銑床精度和效率。

5.重新設(shè)計銑床電控線路、增加電控柜的空調(diào)裝置等和更換老化的電氣元件等。

6.銑床的輔助部分如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)基本保持不變，只進行維護保養(yǎng)。

圖1 AC雙擺角銑頭示意圖

（三）重型數(shù)控龍門銑床改造方案實施

1.采用先進的技術(shù)和新產(chǎn)品，實現(xiàn)五軸聯(lián)動

（1）選配適合現(xiàn)代汽車模具加工的數(shù)控系統(tǒng)

根據(jù)重型數(shù)控龍門銑床加工現(xiàn)代汽車模具的工藝要求，重新選配當前比較先進的意大利 FIDIA C10五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，更換舊的三軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)。FIDIA C10數(shù)控系統(tǒng)功能強大、性能可靠、操作方便，同時，還具有直線,圓弧,螺旋線和拋物線插補、動態(tài)RTCP補償，旋轉(zhuǎn)軸同步編程、線性誤差和反向誤差的補償、螺距誤差補償、刀具長度校正、2D 刀具半徑補償、鏡像加工等功能?？蓪崿F(xiàn)圖形模擬、圖形編程、作業(yè)順序編程、CAD文件的顯示、故障自診斷等功能，該系統(tǒng)還適用于高功率、高速度的數(shù)字交流伺服驅(qū)動，能使數(shù)控龍門銑床具有高精度、高效率加工復(fù)雜曲面模具的功能。

（2）運用現(xiàn)代設(shè)計方法，優(yōu)化雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代設(shè)計方法是隨著當代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在所涉及的領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。它是以設(shè)計產(chǎn)品為目標的一個總的知識群體的總稱。在運用現(xiàn)代設(shè)計方法進行工程項目設(shè)計時，一般都以計算機作為分析、計算、綜合、決策的工具。

所謂五軸聯(lián)動數(shù)控銑床是指在一臺銑床上有五個坐標軸（X、Y、Z三個直線坐標和兩個旋轉(zhuǎn)坐標），而且可在計算機數(shù)控系統(tǒng)控制下同時協(xié)調(diào)運動進行復(fù)雜空間曲面的加工。

要實現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造，關(guān)鍵問題之一是要在重型數(shù)控龍門銑床增加兩個旋轉(zhuǎn)運動，而重型數(shù)控龍門銑床改造時的工作臺不變，同時，銑床主要用于加工汽車覆蓋件模具，因此,采用主軸頭旋轉(zhuǎn)方式立式結(jié)構(gòu),將A、C旋轉(zhuǎn)軸設(shè)在主軸上，銑頭繞Z軸旋轉(zhuǎn)為C軸，銑頭繞X軸旋轉(zhuǎn)為 A軸。進給機構(gòu)采用蝸桿/蝸輪副傳動結(jié)構(gòu)，選用SIEMENS伺服電機。并且通過現(xiàn)代設(shè)計方法，以有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)和性能，對AC旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并重新設(shè)計主軸傳動系統(tǒng)，最終形成AC雙擺角銑頭如圖1所示，A軸正反旋轉(zhuǎn)各為210度，C軸正反旋轉(zhuǎn)各為400度，完成X、Y、Z三軸直線運動和A、C軸旋轉(zhuǎn)運動的五軸聯(lián)動，使銑刀始終垂直于模具曲面，實現(xiàn)復(fù)雜空間曲面的模具加工。

（3）采用先進的液壓平衡法，以平衡主軸箱系統(tǒng)的重量

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造，增加了一個數(shù)控AC軸雙擺角銑頭功能，重新設(shè)計了主軸傳動系統(tǒng)。當銑床主軸（Z向）運動時，為了平衡主軸箱系統(tǒng)的重量，采用目前技術(shù)水平最先進的大型儲能筒式液壓平衡機構(gòu)，使主軸箱進給運動時平穩(wěn)性和伺服隨動性得到大幅提高。

2.采用新技術(shù)、新工藝延長機床的使用壽命

（1）運用新產(chǎn)品，改善進給系統(tǒng)，提高機床的定位精度

重型數(shù)控龍門銑床的進給系統(tǒng)用于接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令，放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動銑床運動執(zhí)行件，以實現(xiàn)預(yù)期的運動。因此進給系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了銑床的性能，直接影響到加工模具的精度。為了保證銑床的加工精度，將該銑床X軸、Y軸、Z軸的直線進給運動的絲桿，更換為高速性能好、摩擦力矩小、傳動效率高、接觸剛度高、變形小的、高精度的滾珠絲桿副，并采取消隙、螺距誤差補償?shù)却胧?，使進給系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、傳動精度高、構(gòu)件剛度性強、低摩擦的功能。同時，對銑床X軸、Y軸、Z軸方向的伺服驅(qū)動裝置均采用轉(zhuǎn)子慣量小、動態(tài)響應(yīng)好，質(zhì)量小、轉(zhuǎn)速高、輸出功率大的交流伺服電機和驅(qū)動，從而滿足重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動的定位精度要求。

（2）采用修磨技術(shù)和工藝，提高機床的運動精度

對重型數(shù)控龍門銑床的機械傳動部件如主軸、床身導(dǎo)軌、工作臺采用修磨技術(shù)和工藝進行修復(fù)。同時，床身導(dǎo)軌采用耐磨貼塑處理，降低導(dǎo)軌間的摩擦力，消除導(dǎo)軌可能產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象，提高了銑床的運動精度，延長銑床的使用壽命。

3.重新設(shè)計銑床電控系統(tǒng)

對重型數(shù)控龍門銑床電控系統(tǒng)進行重新規(guī)劃布線，用新的數(shù)控系統(tǒng)和強電裝置代替舊的系統(tǒng)等；更換老化的電氣元件和電纜及附件等，恢復(fù)銑床電控系統(tǒng)的各項功能，確保銑床正常運轉(zhuǎn)、操作靈敏可靠，延長銑床的電控使用壽命。同時，根據(jù)電控系統(tǒng)產(chǎn)生的熱負荷等數(shù)據(jù)進行熱量計算，增加電控柜空調(diào)裝置，解決溫控問題。

（四）重型數(shù)控龍門銑床改造效果

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造后的檢驗，是參照歐美國家設(shè)備對高檔汽車模具加工精度的要求。對銑床進行幾何精度（工作臺面運動的平行度檢測、銑頭橫向移動對工作臺面的平行度檢測、銑頭垂直升降移動對工作臺在X、Y方向上的垂直度檢測、銑頭主軸旋轉(zhuǎn)中心對工作臺的垂直度檢測、銑頭主軸端徑向跳動和端面跳動精度檢測等項目的檢測）、定位精度、重復(fù)定位精度、NAS試件和“S”試件加工檢測，汽車前門外板模具實物加工檢測。經(jīng)檢驗銑床各項指標數(shù)據(jù)表明，所改造的重型數(shù)控龍門銑床主要參數(shù)、功能、精度、可靠性，基本達到同類五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的出廠標準。

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造后的效果主要表現(xiàn)為以下四個方面：

第一，使舊重型數(shù)控龍門銑床獲得新生，實現(xiàn)銑床數(shù)控五軸聯(lián)動，解決當前汽車制造對模具復(fù)雜空間曲面的加工要求高精度、高效率的問題，大大提高了生產(chǎn)技術(shù)裝備水平，提高了市場競爭力，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。在2010年生產(chǎn)中產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益約為 500萬元，實現(xiàn)新增利稅約 125萬元。

第二，按目前同等五軸聯(lián)動重型數(shù)控龍門銑床的價格比較，可節(jié)約設(shè)備采購費700多萬元。

第三，運用科學(xué)新技術(shù)對重型數(shù)控龍門銑床進行五軸聯(lián)動數(shù)控化改造，具有投資少、見效快的特點, 實現(xiàn)節(jié)能省材，促進環(huán)保，為企業(yè)機床技術(shù)改造更新提供了一種借鑒。

第四，在充分吸收意大利重型數(shù)控龍門銑床的設(shè)計思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的進行期改造，掌握重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動的結(jié)構(gòu)，把握數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動的發(fā)展趨勢，積累數(shù)控機床改造維護經(jīng)驗，打造了一支舊機床數(shù)控改造的團隊，提高工程技術(shù)人員和專業(yè)教師的專業(yè)能力，也為機電設(shè)備管理與維修專業(yè)教學(xué)提供了案例。

（五）結(jié)束語

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動數(shù)控化改造的技術(shù)難點主要表現(xiàn)為：

1.五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)控制

重型數(shù)控龍門銑床是機電一體化的典型產(chǎn)品，銑床中的X、Y、Z軸直線和A、C軸旋轉(zhuǎn)的進給運動均為獨立的傳動機構(gòu)，各運動軸線都有各自的進給伺服系統(tǒng)（交流伺服驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動等），均通過銑床的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制下,完成數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動的運動。因此，數(shù)控系統(tǒng)性能優(yōu)劣決定數(shù)控銑床的加工效率、成形精度和運行的穩(wěn)定性、實現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動加工的控制。

2.AC雙擺角銑頭優(yōu)化, 實現(xiàn)五軸聯(lián)動

運用現(xiàn)代設(shè)計方法，以有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)和性能，對AC雙擺角銑頭進行優(yōu)化，重新設(shè)計主軸傳動系統(tǒng)，以實現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動的加工。

[1] 向剛亞,胡勇,佟麗明,李雄偉.電主軸系統(tǒng)在五軸數(shù)控銑床改造中的分析與應(yīng)用[J].裝備維修技術(shù), 2010(1):45-50.

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TG547

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1008-1151(2011)06-0103-02

2011-03-15

張映紅（1960－），女（瑤族），廣東興寧人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系副教授，從事機電設(shè)備維修與管理專業(yè)課程教學(xué)和科研。