X52立式升降臺銑床的數(shù)控化改造

1、決定改造方案是舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造中最重要一環(huán)，并不是所有的舊機(jī)床都適合于改裝成數(shù)控機(jī)床，衡量是否合適改造的主要標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)床現(xiàn)有狀況，以及數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)性。主要在數(shù)控系統(tǒng)比較分析選型，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性分析、主傳動、進(jìn)給傳動機(jī)械和電氣部分改造方法等幾個方面進(jìn)行分析及方案制定。在技術(shù)可行性分析方面主要是對被改造的機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀的全面分析。其中包括機(jī)床原來的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理；機(jī)床的基礎(chǔ)部件和結(jié)構(gòu)件是否仍然完好；考察各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用；測量機(jī)床目前的各項精度并與出廠精度進(jìn)行對比，看是否存在差距；綜合總結(jié)目前機(jī)床存在的故障和歷史上出現(xiàn)過的重大故障。根據(jù)分析

2、的結(jié)果，對照改造目標(biāo)和典型工件，編寫改造設(shè)計說明書，做到改造后的機(jī)床達(dá)到一定的先進(jìn)性和實用性。下面以X52立式升降臺銑床的數(shù)控化改造為例，介紹舊機(jī)床改造的技術(shù)方案設(shè)計。2銑床數(shù)控化改造技術(shù)方案準(zhǔn)備2.1機(jī)械系統(tǒng)作為機(jī)床的最終用戶，廠方必須首先要確認(rèn)機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的狀況。如：目前機(jī)床的精度，機(jī)械傳動鏈的狀況，絲杠、導(dǎo)軌的狀況，有無重大故障等，以確定機(jī)床是否要大修、項修。因為是由非數(shù)控機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床，所以首先要考慮機(jī)械改裝的可行性，最重要的是導(dǎo)軌的形式及滾珠絲杠的安裝。其次要考慮機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的傳動間隙與傳動剛度是否符合數(shù)控機(jī)床的要求。2.2電氣系統(tǒng)在確定數(shù)控機(jī)床改造方案時，用戶可以根據(jù)機(jī)床的狀態(tài)及

3、工藝要求來選擇數(shù)控系統(tǒng)。首先是選擇數(shù)控制造廠商，目前世界上性能及信譽(yù)較好的有：西門子（德國）、發(fā)那科（曰本）、三菱（曰本）、NUM（法國）、FAGOR（西班牙）等。用戶可在洋細(xì)了解上述廠商數(shù)控系統(tǒng)的特點及性能價格比等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇一個比較適合的數(shù)控系統(tǒng)。其次是根據(jù)機(jī)床的功能要求選擇相應(yīng)控制系統(tǒng)的類型，做到既能滿足機(jī)床全部功能要求又不提高標(biāo)準(zhǔn)。在選擇數(shù)控系統(tǒng)方面，要特別注意以下兩點：一是要盡量向一個著名廠家的型號系列靠攏，這樣既有利于維修和管理，也利于備件的購買；二是要清楚所選廠家在國內(nèi)的維修服務(wù)狀況，以免將來系統(tǒng)發(fā)生故障時得不到及時的維修。數(shù)控系統(tǒng)選定之后，用戶根據(jù)機(jī)床實際狀況，決定更換或

4、不更換驅(qū)動系統(tǒng)。若不更換，則必須確認(rèn)舊驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)是否可以匹配。對于機(jī)床測量系統(tǒng)，目前數(shù)控系統(tǒng)的要求是增量式脈沖編碼輸入。對于外圍電路，改造可采取的方案有兩種：一種是“接口型改造”，即保留外圍繼電器電路，只對NC、PLC進(jìn)行改造，新PLC不參與外圍電路控制，只處理NC所需的指令信號，此方案改造設(shè)計、調(diào)試工作量較??；另種是“徹底改造”，在繼電器邏輯較復(fù)雜，故障率較高，用戶又能提供清楚邏輯圖的情況下，可用新NC所帶的PLC將外圍電路全部改造，既簡化了外圍電路，又合理利用了PLC的控制能力，此方案可大大簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性，但改造設(shè)計、調(diào)試工作量較大。本課題最后采用了徹底改造方案。工

5、業(yè)挖制機(jī)機(jī)床各部分安裝形式的確定如下。1）控制系統(tǒng)的安裝常見的有懸掛式、柜式、臺式等。安裝方式的選定，直接決定各種連接電纜的走線方式和電纜長度，也關(guān)系到操作與維修的方便性。驅(qū)動系統(tǒng)的安裝，原則上采取電氣柜內(nèi)安裝這種方式，應(yīng)考慮的因素有通風(fēng)冷卻，電纜走線方式及長度，對其他電器的干擾等。電動機(jī)的安裝，根據(jù)機(jī)床的實際，確定電動機(jī)的安裝方式選擇法蘭式、底座式還是帶底座法蘭式，再加上軸伸方向、電動機(jī)接線盒的位置等，這些由電動機(jī)的訂貨輔助參數(shù)確定。測量系統(tǒng)的安裝，如選擇電動機(jī)內(nèi)裝編碼器的結(jié)構(gòu)方式，電動機(jī)安裝一確定，它也就確定了；外裝式需要有彈性聯(lián)軸節(jié)、安裝卡子、電纜走線方向及長度等的考慮。通過對同類數(shù)控銑

6、床的現(xiàn)狀進(jìn)行了解和分析之后，提出了對銑床進(jìn)行數(shù)控化改造的技術(shù)方案，即用華中數(shù)控系統(tǒng)（含數(shù)控單元、PLC、強(qiáng)電柜、伺服驅(qū)動單元和電機(jī)等）對該設(shè)備進(jìn)行徹底改造。3設(shè)備改造的技術(shù)路線技術(shù)路線選用國外數(shù)控系統(tǒng)。該技術(shù)路線的優(yōu)點是技術(shù)成熟，風(fēng)險小，可靠性有保證?？蛇x擇的國外數(shù)控系統(tǒng)有SIEMENS810C數(shù)控系統(tǒng)和FANUC-OiMC數(shù)控系統(tǒng)。據(jù)掌握的資料，這兩種數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)成熟度和可靠性基本相當(dāng)。該技術(shù)路線的缺點是設(shè)備改造總費(fèi)用較高。改造后，一旦設(shè)備的使用時間超出保修期，其維修、技術(shù)服務(wù)的費(fèi)用相當(dāng)昂責(zé)。技術(shù)路線二：選用華中HNC21M型數(shù)控單元+華中伺服單元+登奇交流伺服電機(jī)。該技術(shù)路線的優(yōu)點如下。

7、技術(shù)成熟。華中數(shù)控系統(tǒng)采用進(jìn)口的通用32位工業(yè)控制機(jī)作為數(shù)控單元，平均無故障時間可達(dá)3萬小時以上，此外，本技術(shù)路線采用的華中伺服單元和登奇電機(jī)、控制電柜內(nèi)的大部分電器元器件采用進(jìn)口或中外合資的著名企業(yè)的產(chǎn)品，其可靠性得以保證。系統(tǒng)的維護(hù)和更新?lián)Q代方便容易。由于工控機(jī)與通用PC微機(jī)完全兼容，維護(hù)和更新?lián)Q代方便容易。用戶可非常便利地購置到系統(tǒng)維護(hù)所需要的一切配件。開放性好。由于華中數(shù)控單元采用基于DOS的軟件平臺，其軟件資源豐富，使得華中數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境非常方便友好，且用戶可方便地進(jìn)行二次開發(fā)。操作容易。華中數(shù)控系統(tǒng)在其操作界面上是仿FAUNC的數(shù)控系統(tǒng)，其操作習(xí)慣和編程語言與FANUC相似。在

8、FANUC運(yùn)行的G代碼數(shù)控程序，基本不需修改，可在華中數(shù)控系統(tǒng)上使用。此外，宏程序功能、具有三維仿真校驗和加工過程圖形動態(tài)跟蹤功能，圖形顯示形象直觀。操作、使用方便容易。成本低?？傎M(fèi)用較技術(shù)路線的總費(fèi)用低，且當(dāng)設(shè)備的使用時間超出保修期，其維修、購買配件、得到技術(shù)服務(wù)的費(fèi)用同采用國外系統(tǒng)相比低得多。綜合以上考慮，選擇技術(shù)方案二。4華中數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳析華中數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如所示，系統(tǒng)由數(shù)控單元、控制電柜和機(jī)床三部分組成。數(shù)控單元是系統(tǒng)的核心，采用臺灣生產(chǎn)的工業(yè)PC機(jī)，它由CPU模塊、14彩色顯示器、位置控制模塊（或RS-232通信模塊）、輸入模機(jī)床機(jī)床電桁ra1華中數(shù)檸系統(tǒng)的岵件結(jié)溝閽塊、輸出模塊

9、、多功能模塊、網(wǎng)絡(luò)控制模塊（選件）、高抗干擾開關(guān)電源構(gòu)成。數(shù)控單元內(nèi)運(yùn)行華中數(shù)控軟件，通過其內(nèi)置的位置控制模塊和PLC輸入/輸出模塊控制伺服驅(qū)動單元，進(jìn)而控制安裝在數(shù)控銑床上的X、Y、Z伺服電機(jī)和主軸按指定的程序運(yùn)動。4.1數(shù)控單元的DRAM，具有硬盤和1.44M軟盤接口各一個，軟盤可非常方便地將零件程序讀入和寫出，RS-232接口兩個，電子盤為1.5M，作用是將DOS和CNC系統(tǒng)控制軟件固化，永不丟失。它還存儲機(jī)床參數(shù)，PLC的順序程序，有400k左右的空間存儲用戶零件程序，比目前系統(tǒng)4k的程序空間大100倍，所有這些信息都可斷電記憶。14彩色顯示模塊：用于CNC系統(tǒng)的坐標(biāo)和圖形顯示及交互式

10、人機(jī)中文漢字界面。位置控制模塊：該模塊有三個位置檢測接口，采集光電編碼器的脈沖信號，作為三個坐標(biāo)的位置反饋，并有三路D/A輸出信號控制速度單元，該模塊主要用于系統(tǒng)與伺服驅(qū)動單元配套。除本方案中使用的華中全數(shù)字交流伺服單元及電機(jī)配套外，還可與德國西門子、AMK公司、日本三洋公司、松下公司等的驅(qū)動單元配套。輸入模塊：它是CNC系統(tǒng)內(nèi)裝PLC的硬件輸入接口，輸入電壓為024V，最大電流為100mA，用于操作面板的按鈕信號輸入、機(jī)床的開關(guān)檢測輸入等。這個模塊的輸入點數(shù)為48點，系統(tǒng)可擴(kuò)展的輸入數(shù)點為4x64=256點。輸出模塊：它是CNC系統(tǒng)內(nèi)裝PLC的硬件輸出接口，輸出電壓為24V，用于機(jī)床繼電器控

11、制系統(tǒng)。該模塊的輸出點數(shù)為48點，系統(tǒng)可擴(kuò)展輸出點數(shù)為4x48=196點。多功能模塊：該模塊主要完成手搖脈沖發(fā)生器和主軸的計數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓控制主軸的速度。4.2伺服單元及電機(jī)華中伺服單元及電機(jī)是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的最重要的保證。交流伺服單元的反饋為光電編碼器，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為2500p/r.系統(tǒng)最小分辯率為0.001mm.4.3主軸驅(qū)動單元和電機(jī)建議用戶保留原主軸驅(qū)動電機(jī)和機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。當(dāng)然也可改造成變頻器無級變速主軸驅(qū)動。4.4機(jī)床部分機(jī)械和油路系統(tǒng)的改造除了對設(shè)備的電氣部分進(jìn)行改造外，還需對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，以恢復(fù)該設(shè)備的正常工作，具體工作如下：了解銑床的結(jié)構(gòu)與功能；完成數(shù)控進(jìn)給軸的拆卸

12、工作；完成數(shù)控進(jìn)給軸電機(jī)與機(jī)床部件的聯(lián)接部分的設(shè)計；改造所需機(jī)械零、部件的加工與制造；完成數(shù)控進(jìn)給軸電機(jī)與機(jī)床部件的聯(lián)接的現(xiàn)場安裝調(diào)試；完成機(jī)床清洗、安裝與調(diào)試，恢復(fù)機(jī)械部分原來的各項運(yùn)動功能，使機(jī)床精度恢復(fù)到最佳水平。5結(jié)束語所改造的X52立式升降臺銑床使用時間較短，工作性能良好，經(jīng)檢驗精度保持良好，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌和絲杠精度尚好，所以保留原機(jī)床工作臺，X、Y軸的滑動絲桿副換為滾珠絲桿副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、伺服電機(jī)，增加檢測裝置，為降低改造成本，保留了原機(jī)床主軸運(yùn)動系統(tǒng)，用KM3、KM4控制主軸正反轉(zhuǎn)。在主軸升降垂直進(jìn)給運(yùn)動改造設(shè)計中，拆去了錐齒輪副及絲桿副，更換成滾珠絲桿副，設(shè)計并安裝了減速箱，將電機(jī)安裝在減速箱的偏套上。由于工作臺自重產(chǎn)生下滑，影響加工質(zhì)量，加上該滾珠絲桿無自鎖能力，配合其制動裝置設(shè)計了套液壓平衡機(jī)構(gòu)來平衡工作臺自重，并增加油泵電機(jī)和平衡油缸電機(jī)，改造后升降臺運(yùn)動自如。數(shù)控系統(tǒng)方面經(jīng)過場調(diào)研、比較，最終采用了華中世紀(jì)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的可靠性，設(shè)計中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)抵抗惡劣環(huán)境影響的能力，并有完善的保護(hù)措施，且功能全、應(yīng)用范圍廣。本項目達(dá)到改造目標(biāo)，所需投入較少，新購一臺數(shù)控銑床需花費(fèi)24萬元，改造只需7.2萬元，改造價值顯著。銑床的數(shù)控化改造，提高了機(jī)床性能