臥式鏜床數字化改造

董長亮

（河北港口集團港口機械有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

工業(yè)制造產業(yè)是國家社會經濟活動賴以發(fā)展的根本，是國家支柱產業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展水平是衡量國家綜合國力的重要標志，機床是工業(yè)制造產業(yè)重要的生產工具，提高機床的自動化生產能力是工業(yè)制造產業(yè)技術改造和技術發(fā)展的必由之路。普通鏜床數字化改造是這條路上的主要內容，因為普通鏜床數字化改造能在節(jié)約投資成本的情況下幫助企業(yè)提高機械加工效率、降低勞動強度、提高產品質量。

1 立項背景

現(xiàn)有T619A/1型臥式鏜床為1998年出廠，由于使用時間長，機床出現(xiàn)傳動機構磨損嚴重、加工精度超差、生產效率低等現(xiàn)象，不能滿足公司日常成產要求，采購新設備投入成本太大，所以決定對其進行數字化升級改造，以確保生產運營。通過與車間協(xié)調確定鏜床改造后的性能要求，最后根據改造后的目標要求并結合機床本身結構特點以及改造允許投入的經費，從制定的多種改造方案中選擇改動較少、投入資金較低并能實現(xiàn)改造目標的方案。改造加裝鏜床專用英國NEWALL球柵數顯系統(tǒng)，將T619A/1型臥式鏜床加裝數顯系統(tǒng)，遵循當前提倡的綠色制造、低投入高回報的原則。

2 技術方案

2.1 改造方案

為了使設備操作更為方便，滿足生產要求，達到預期目標，結合鏜床自身情況，提出3種改造方案。

（1）方案一。更換、修復磨損嚴重的主要傳動部件；更換精度超差的軸承及易損件；檢修保養(yǎng)液壓進給、變速系統(tǒng)；調整各傳動部件的旋轉、配合精度；恢復工作臺及主軸箱機械精度，調整修復旋轉工作臺光學讀數頭精度等。

（2）方案二。加裝數顯系統(tǒng)，對設備移動部位實現(xiàn)數字化轉換。由于旋轉編碼器成本高，安裝困難，鏜床工作臺尺寸較小，結合公司成產現(xiàn)狀，決定放棄安裝旋轉數顯，在方案一基礎上加裝主軸箱升降以及工作臺位移數顯系統(tǒng)，使操作者能夠通過數顯表準確、直觀的確定設備各部件進給、位移量，反饋精度達到0.005 mm，能夠實現(xiàn)英制/公制、絕對/相對坐標、清零/置數模式的快速轉換、鏜床PCD/圓周分孔輔助計算、直線分孔輔助計算、圓弧銑削和極坐標顯示等功能，并安裝工作臺及主軸箱位移限位保護裝置等。

（3）方案三。在方案一基礎上安裝鏜床用數控系統(tǒng)，將工作臺縱向、橫向進給絲杠及主軸箱升降絲杠由原來的滑動絲杠更改為滾動絲杠，安裝編碼器對各傳動位置進行實時測量反饋，更換進給伺服電機；工作臺安裝旋轉編碼器；更換主電機；從新設計配電柜以安裝數控系統(tǒng)等，使其能達到數字化控制。

2.2 設計方案對比

對前面三個設計方案進行對比，得出比較參數見表1。

表1 設計方案對比

2.3 方案確定

通過生產、需求綜合比對，最終選擇第二種改造方案最適合。接下來需要確定安裝光柵尺和球柵尺。通過查閱資料對比，由于球柵尺采用全密封結構，有較好的防水、耐油性能；抗污染能力強；剛性及抗干擾能力好；溫差變化影響小；安裝、維護簡單以及較低的價格，最終確定選用球柵尺進行改造。在對比了國內及國際球柵尺生產廠家，英國NEWALL公司憑借其產品的高可靠性、免維護、超長質保及較高的性價比最終獲選。

3 改造實施及調整

通過對T619A/1型臥式鏜床各項參數規(guī)格（表2）進行分析，最終確定采用DP700鏜床專用三坐標球柵數顯系統(tǒng)（圖1）。配備DP7003111S12數顯表一臺；960 mm、1067 mm、1524 mm球柵尺各1套；XL-100DFDM信號延長線3根；支架、防護罩等附件若干。

圖1 球柵尺顯示器

表2 機床參數規(guī)格

3.1 恢復機床傳動及加工精度

針對T619A/1型臥式鏜床出現(xiàn)傳動機構磨損嚴重、部件空回程量超差、平旋盤精度超差、液壓主軸變速亂擋、進給量不準、設備潤滑不良、傳動負載過大、機械標尺松動變形、旋轉工作臺光學讀數頭不準、角偏差超差等現(xiàn)象，采取以下4項措施。①液壓部分維修：主軸通過一臺7.5 kW交流電機驅動，通過油壓推動三聯(lián)齒輪實現(xiàn)18級回轉、12級進給運動；首先更換液壓站液壓油，清洗濾網、油箱等部件，檢查主軸轉閥及進給量變速閥各活塞桿上的定位通油油路是否堵塞；檢查換向閥、溢流閥、電磁閥等各液壓元件磨損情況；排除變速機構機械故障等維修措施消除主軸變速亂擋、進給量不準問題；②潤滑維修：調整P-B258溢流閥壓力至1 MPa，以保障對主軸箱各部齒輪、軸承進行充分潤滑；③平旋盤維修：該設備平旋盤可實現(xiàn)14級轉速變化，最大加工孔徑為500 mm，滑塊行程為170 mm，刀架可實現(xiàn)12級（0.04～6 mm/r）進給；更換平旋盤蝸桿以及軸承，更換磨損嚴重的滑塊，重新調整傳動精度等；④傳動部分維修：更換主軸箱及工作臺橫向、縱向進給絲杠軸承，調整主軸箱及工作臺橫向、縱向絲杠絲母副間隙；更換進給變速箱3軸軸承及磨損嚴重的導套，更換進給離合器摩擦片；更換旋轉工作臺光學讀數頭，調整旋轉工作臺對主軸的角度偏差；拆除主軸箱及工作臺縱向進給標尺等。

3.2 安裝主軸箱數顯尺

在恢復設備各傳動系統(tǒng)精度后，在立柱導軌旁設置2處固定支架，用來加裝數顯球柵尺尺條，用百分表固定到主軸箱，通過主軸箱的升降來調整尺條，以保障對主軸箱升降移動對尺條2個方向的平行度精度；將球柵尺讀數頭套進尺條并固定在主軸箱上跟隨主軸箱升降移動；調整好主軸箱極限位置并安裝兩組限位保護開關，用以保護主軸箱及數顯尺；調整主軸箱極限位置對應數顯尺零位，最后安裝尺條、讀數頭保護罩，防止鐵屑、切屑液等雜質對球柵尺的侵蝕（圖2）。

圖2 主軸箱數顯尺安裝效果

3.3 安裝工作臺數顯尺

工作臺進給數顯尺安裝（圖3）。由于工作臺橫向機械尺條安裝在主軸箱一側，便于操作者加工讀尺，且工作臺另一側有安裝位置，所以決定保留橫向進給機械尺，決定在工作臺對應床身尾部方向安裝數顯球柵尺，制作兩個固定支架將尺條安裝在工作臺橫向進給下滑座上保持不動，調整好尺條對工作臺橫向進給的平行度及水平度；將球柵尺讀數頭套進尺條并固定在工作臺上滑座上跟隨工作臺橫向移動；在床身主導軌下方安裝兩個固定支架用以固定球柵尺尺條，調整好尺條對工作臺縱向進給的平行度及水平度，將球柵尺讀數頭套進尺條并固定在工作臺下滑座上跟隨工作臺縱向移動；確定工作臺橫向、縱向進給極限位置并安裝兩組限位保護開關，用以保護工作臺及數顯尺；調整上滑座極限位置并設置數顯尺零位，最后安裝尺條、讀數頭保護罩等。

圖3 工作臺數顯尺安裝效果

3.4 安裝數顯表

制作數顯表支架并將其固定在主軸箱右側，便于操作者觀看數值，在配電箱增加1個220 V，10 A漏電保護器作為數顯表電源，安裝調試好各方向數顯尺后，通過XL-100DFDM信號延長線將信號傳遞給數顯表，設置好數顯表各項參數，完成數顯系統(tǒng)安裝。

3.5 系統(tǒng)誤差檢測及補償設置

3.5.1 誤差補償

數顯系統(tǒng)可以提高生產效率、減少因加工精度問題造成的不合格零件的數量、通過誤差補償消除一些因絲杠制造精度、反向間隙以及機床本體精度等造成的誤差。如果數顯系統(tǒng)和機床的部件、組件精度都滿足要求，并且安裝正確，數顯系統(tǒng)能夠正常工作，則可以不進行現(xiàn)場校驗和補償。如果加工工件存在精度問題，查找誤差來源的第一步是檢查數顯系統(tǒng)。可以通過比較NEWALL讀數頭的小距離位移和數顯表的示數，判斷球柵數顯的誤差值。在測量短距離的位移值時可以使用高精度的百分表，但測量長距離誤差值時必須使用激光干渉儀。

3.5.2 檢測數顯系統(tǒng)誤差

（1）放置激光干涉儀或將百分表頂柱壓在NEWALL讀數頭的移動方向上。如果使用百分表，必須確保其頂柱嚴格垂直讀數頭的移動面，否則讀數不準確。百分表的或激光干涉儀的讀數十分關鍵，這個讀數必須是讀數頭相對球柵尺的位移；如果這個讀數是在機床上其他位置測得的，計算的誤差數據將無效（可能帶進了機床本身的誤差）。

（2）當讀數頭移動時，激光干涉儀/百分表和數顯表可以記錄位移值。

（3）將機床朝測量方向移動一小段距離以消除反向間隙，然后將激光／百分表和數顯表示數清零。

（4）沿步驟3方向移動機床，記錄激光／百分表的位置讀數和數顯表的示數。

（5）重復步驟3、4若干次，比較激光／百分表和數顯表的示數。如果該誤差值在合格的誤差范圍，則說明數顯系統(tǒng)不存在精度問題，需要進行下一步：檢測機床誤差。如果誤差值較大，則需要對球柵數顯系統(tǒng)重新安裝或進行誤差補償。

3.5.3 檢測機床誤差

（1）將激光干涉儀或百分表放置在最靠近影響加工工件精度的部位（刀頭處）。

（2）重復“檢測數顯系統(tǒng)的誤差”中的步驟3、4若干次，比較激光／百分表和數顯表的示數。兩者差值即為機床誤差值。

（3）沿機床坐標軸運動方向分段繪制出機床誤差曲線。如果誤差是線性的，可以使用線性誤差補償去修正。如果誤差曲線不是線性的，應該使用分段誤差補償去修正。機床誤差類型如圖4所示。

圖4 機床誤差類型

3.5.4 線性誤差補償

在這種模式下，可以為每一個坐標軸設置一個補償系數（圖5），此系數在整個有效行程內都生效。補償系數的單位為百萬分之一（ppm）。

圖5 線性誤差坐標軸

在按步進行直線誤差補償時，選用的標準量具可以是圖6a）和圖6b）兩種。當選用圖6a）時，刀具或測頭必須沿同一方向接近量具，此時數顯表示數即為測量值，當選用圖6b）時，刀具或測頭須沿不同方向接近量具，此時數顯表示數減去刀具或測頭的直徑才是測量值。線性補償可以通過設置線性補償系數來完成，可以在示教模式（Teach mode）和編程模式（Program mode）下進行操作。

圖6 測量示意

3.5.5 分段補償

DP700數顯表在整個有效行程內為用戶提供了多達200點的分段誤差補償功能，每一段都有獨立的的補償系數（圖7）。在采用分段誤差補償功能時，需要定義以下參數：①起始點：起始點又稱零點，一般設在機床的一端，分段誤差補償的過程從這一點開始；②補償點：補償點即用戶自己定義的各個補償位置點，每個補償點的補償值都是補償點距起始點的位移對值；③參考點：參考點又稱絕對零點或者機械坐標系原點，其是數顯表建立機床坐標系的標志。參考點可以設在機床有效行程內的任意位置，不需要跟任何零點或補償點重合。但出于方便的考慮，一般將參考點和起始點設在同一位置。補償時，機床坐標軸要沿正方向進行，補償完成后不能更改數顯表的計數正方向設置。在整個補償過程中始終保持機床朝一個方向運動，否則可能會因為測頭的形狀或機床反向間隙等使補償數據不準確的。

圖7 誤差坐標軸

4 結束語

通過此次對T619A/1型臥式鏜床的數字化改造，使公司老舊設備重新煥發(fā)生機，滿足車間對加工精度的要求，降低勞動強度，提高生產效率，節(jié)省大量資產投入資金，升級改造將來會在更多的老舊設備上得以實施。