普通機(jī)床數(shù)控化改造關(guān)鍵技術(shù)分析研究

范 豪，黃學(xué)榮，唐 杰

(桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001)

隨著中國(guó)制造2025的不斷推進(jìn)，對(duì)機(jī)電加工設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度要求越來(lái)越高。我國(guó)目前現(xiàn)有無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)產(chǎn)能需求或?qū)嶒?yàn)實(shí)訓(xùn)的傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備數(shù)量巨大，特別是一些中小企業(yè)或高校，同時(shí)又無(wú)法完全淘汰。所以，對(duì)一些年代較近、零部件相對(duì)較完整的設(shè)備可以進(jìn)行相關(guān)技術(shù)升級(jí)改造，使其重新發(fā)揮生產(chǎn)效能。用于加工生產(chǎn)的母機(jī)——普通機(jī)床，就是其中典型的傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備。本文通過(guò)研究普通機(jī)床的數(shù)控改造升級(jí)，分析探討普通機(jī)床改造過(guò)程及注意事項(xiàng)等問(wèn)題，為機(jī)床改造升級(jí)或其他傳統(tǒng)設(shè)備改造提供借鑒。

1 機(jī)床改造的研究發(fā)展

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在國(guó)外，有許多企業(yè)以機(jī)床改裝業(yè)務(wù)為主，如德國(guó)希斯(Schiess)公司，美國(guó)貝爾舍(Bertsche)工程公司，日本崗三機(jī)械、千代田工機(jī)、野崎工程、濱田工程、大限公司集團(tuán)、山本工程公司等[1]；國(guó)內(nèi)設(shè)備改裝更多，主要針不同類(lèi)型機(jī)床和機(jī)床不同模塊進(jìn)行改裝優(yōu)化，如數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電氣控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等[2-8]。

1.2 機(jī)床改造的必要性分析

從微觀角度分析，相比于傳統(tǒng)設(shè)備，改造的機(jī)床具有較多優(yōu)勢(shì)：①可以完成多種類(lèi)型零件輪廓的加工；②自動(dòng)化程度大幅提高；③零件加工精度高，尺寸分散度?。虎芄ば蚣?、自動(dòng)補(bǔ)償，降低工作強(qiáng)度等。從宏觀角度分析，目前我國(guó)較落后的傳統(tǒng)設(shè)備數(shù)量大，種類(lèi)多，相比于國(guó)外，機(jī)床數(shù)控改造起步晚，即國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較大，開(kāi)展機(jī)床改造有“利”可圖。

1.3 機(jī)床改造的經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)于中小企業(yè)或者高校，數(shù)控機(jī)床新機(jī)購(gòu)置費(fèi)用高，缺乏相應(yīng)技術(shù)操作人員。相比之下，進(jìn)行機(jī)床改造，尤其是重型加工設(shè)備改造，不僅可以節(jié)省大量資金，還可以在改造過(guò)程中由技術(shù)人員參與，減少機(jī)床后期維修維護(hù)等費(fèi)用。機(jī)床改造后，提高了生產(chǎn)率和零件加工精度，有利于提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 機(jī)床改造的內(nèi)容及思路

數(shù)控機(jī)床改造需要根據(jù)生產(chǎn)或?qū)嵙?xí)實(shí)踐所需來(lái)確定改造方案，從改造技術(shù)和成本而言，大多改造目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)性改造，主要適用于加工螺紋件、盤(pán)類(lèi)件、回轉(zhuǎn)體及其他結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的輪廓加工為主的零件，具體情況還需由改造方根據(jù)機(jī)床原有技術(shù)參數(shù)及改造后所要達(dá)到的加工精度、定位精度、重復(fù)定位精度等目標(biāo)自行確定，并進(jìn)行充分論證。機(jī)床改造流程如圖1所示。

圖1 機(jī)床改造流程

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的選型

數(shù)控系統(tǒng)是CNC機(jī)床的“大腦”，由它完成加工信息的輸入、輸出、變換、插補(bǔ)以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能，決定了整個(gè)CNC機(jī)床的功能強(qiáng)弱。根據(jù)改造設(shè)備、聯(lián)控軸數(shù)、產(chǎn)品售后服務(wù)、資金情況等選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)較多，如德國(guó)SIEMNS、日本FANUC、三菱、中國(guó)廣州數(shù)控、華中數(shù)控、凱恩帝等[9]。

2.2 伺服系統(tǒng)的配置

伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置組成，是機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)和改造主要包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其他配套的電器元件等。由于伺服系統(tǒng)要求高傳動(dòng)效率、穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能、反向間隙誤差小、定位精度和重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)，故優(yōu)先選擇與數(shù)控系統(tǒng)適配度較高的驅(qū)動(dòng)元件，如FANUC自身開(kāi)發(fā)了適配度很高的驅(qū)動(dòng)元件。其中檢測(cè)系統(tǒng)作為機(jī)床閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其是否添加可依據(jù)改造方案確定。對(duì)于改造前機(jī)床自身具備性能較好的驅(qū)動(dòng)元件可以做相應(yīng)保留，同時(shí)要注意其與所選擇的CNC系統(tǒng)是否匹配[10]。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造

2.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)。主傳動(dòng)要求具備較大的調(diào)速范圍、較大切削功率、控制多樣化(如同步螺紋加工控制、刀具更換自動(dòng)準(zhǔn)?？刂啤⒑憔€速控制等)。為提升改造后機(jī)床的加工質(zhì)量，主傳動(dòng)系統(tǒng)改造后可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且具備恒切削速度加工，保證產(chǎn)品加工過(guò)程的一致性?？梢酝ㄟ^(guò)評(píng)估原設(shè)備中主傳動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)各零部件的保有情況確定主傳動(dòng)方式，可以選型增設(shè)變頻器實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)無(wú)極變速，選型增設(shè)編碼器實(shí)現(xiàn)車(chē)床加工螺紋等。

2.3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)將伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給機(jī)床的執(zhí)行裝置，進(jìn)而完成進(jìn)給切削運(yùn)動(dòng)。即完成刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置確定，保證加工精度和位置精度等，所以要求進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具備較高的剛度、傳動(dòng)精度，能夠消除傳動(dòng)間隙和減少摩擦等。進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)一般增設(shè)或更換滾珠絲杠、整修導(dǎo)軌副、齒輪副、調(diào)速電機(jī)等，在更換滾珠絲杠、軸承或電機(jī)時(shí)需根據(jù)所設(shè)定的改造后參數(shù)進(jìn)行切削力、摩擦力等的計(jì)算，選擇適宜的型號(hào)，對(duì)構(gòu)件力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行校核，如變形量、強(qiáng)度、剛度等，同時(shí)利用仿真軟件對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，預(yù)測(cè)改造后機(jī)械系統(tǒng)性能，使得改造方案更加完善合理[11]。

2.3.3 刀架系統(tǒng)選擇

刀架系統(tǒng)的刀架作為刀具的夾持部件，是機(jī)床必不可少的部分，應(yīng)由手動(dòng)換刀方式轉(zhuǎn)為自動(dòng)換刀，可以提高機(jī)床的加工效率。改造后用于數(shù)控加工的刀架，應(yīng)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)位可靠迅速，轉(zhuǎn)位精度和重復(fù)定位精度高、夾持剛度大等要求[12]。其類(lèi)型應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和工件的加工工藝要求確定，如是否需要自動(dòng)換刀裝置，是否需要刀具自動(dòng)夾緊，刀架轉(zhuǎn)位控制方式等。

2.3.4 導(dǎo)軌和立柱確定

機(jī)床床身大多為鑄鐵材料，時(shí)間愈久，其自然時(shí)效越充分，所以保留床身結(jié)構(gòu)，但支持移動(dòng)部件的導(dǎo)軌由于長(zhǎng)時(shí)間磨損、操作不當(dāng)?shù)?，其表面精度大大降低，在改造時(shí)應(yīng)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行更換或修復(fù)，目前修復(fù)技術(shù)大多采用表面刮研，然后貼塑形軟帶或磨削后進(jìn)行表面熱處理等方式[13]。

2.4 其他輔助部分改進(jìn)

改造后的設(shè)備要保留完善的數(shù)據(jù)傳遞接口，便于各系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)置換，各系統(tǒng)之間的線路排置要依據(jù)原有設(shè)備電氣控制柜的檢查情況而定，如原設(shè)備電氣柜運(yùn)行良好且無(wú)較大故障，則建議進(jìn)行修復(fù)并保留；若運(yùn)行狀態(tài)較差，則可更換為新設(shè)備。對(duì)于機(jī)床的輔助裝置，如切削液、照明等，可以通過(guò)改進(jìn)電氣控制來(lái)進(jìn)行改進(jìn)完善。

2.5 改造后機(jī)床調(diào)試與驗(yàn)收

改造完成后，通過(guò)調(diào)試驗(yàn)證最初所設(shè)定的參數(shù)目標(biāo)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，完成對(duì)應(yīng)機(jī)床類(lèi)型相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試加工程序，并通過(guò)激光干涉儀或其他檢測(cè)設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)床精度。通過(guò)試加工可以檢測(cè)機(jī)床的加工精度、定位精度等是否滿(mǎn)足要求。調(diào)試順序可參考如下：①上電試車(chē)，看有無(wú)故障；②在不同的主軸轉(zhuǎn)速下，檢測(cè)器的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和靈活性；③機(jī)床精度的檢測(cè)與調(diào)整；④各坐標(biāo)點(diǎn)位的快速定位及不同速率的進(jìn)給；⑤CNC系統(tǒng)的參數(shù)值設(shè)定；⑥輔助功能是否順利；⑦工件裝夾時(shí)的試加工[14-15]。

3 小結(jié)

機(jī)床改造優(yōu)勢(shì)明顯，不僅可以節(jié)省資金，還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行再次利用，大大提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機(jī)床正在向智能控制、自動(dòng)控制、更柔性的控制方向發(fā)展，在機(jī)床改造中綜合利用先進(jìn)技術(shù)，有利于充分挖掘舊機(jī)床的價(jià)值，提高傳統(tǒng)設(shè)備改造的可靠性，降低維修維護(hù)費(fèi)用，舊設(shè)備升級(jí)改造也是未來(lái)我國(guó)制造業(yè)需要深入研究的課題。