重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造

張映紅

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造

張映紅

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

通過對重型數控龍門銑床的現狀分析，提出五軸聯動數控化改造方案，運用新技術、新工藝、新產品對其實施改造，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雜空間曲面加工高精度和高效率的問題，滿足現代汽車模具加工的要求，創造更大的經濟效益和社會效益。

銑床；數控技術；五軸聯動；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、中型汽車模具發揮了應有的效能。隨著社會的進步，科學技術的發展，模具制造技術和工藝也不斷發展變化，模具制造不但曲面越來越復雜,而且質量要求也越來越高，這臺20世紀90年代引進的重型數控龍門銑床也逐漸表現出難以滿足現代汽車模具加工精度高、效率高和成本低的要求。如何解決重型數控龍門銑床加工復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）重型數控龍門銑床的現狀分析

1.重型數控龍門銑床的數控技術已淘汰

重型數控龍門銑床是20世紀90年代從意大利引進的，由于科學技術的迅速發展，數控系統技術已經落后和老化，主要表現在重型數控龍門銑床的數控系統主要控制 X、Y、Z軸直線聯動來實現加工模具，而對加工目前汽車覆蓋件模具的復雜空間曲面時，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品的設計要求。第二，銑床加工模具時，還需要多次裝夾，輔助時間較長，生產效率低。第三，數控系統的軟件版本功能較低，沒有RTCP等功能，滿足不了現代汽車制造對模具加工的需求。而數控系統的硬件如CPC、電路板、接口等已老化，內存也小。綜合分析數控龍門銑床的數控系統技術落后和老化。

2.重型數控龍門銑床出現劣化現象

重型數控龍門銑床從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、電控部分等已出現劣化現象，如床身導軌磨損加大，銑床出現爬行現象，降低了銑床運動精度。各傳動齒輪磨損較大，運動時出現響聲等，銑床的故障率也逐步升高。

3.數控銑床的發展方向

數控技術的發展帶動了機械加工技術的飛速發展，使傳統的制造工藝發生了顯著的變化。五軸聯動數控銑床是集機械、電氣、液壓、數控技術為一體的高科技、高精密的專門用于加工復雜曲面的銑床，特別適用于國防、軍工、航空航天、發電設備、能源交通、模具制造等行業的關鍵精密零件的加工，數控銑床在現代工業生產中發揮著極其重要的作用。

在加工汽車覆蓋件模具復雜空間曲面時，采用五軸聯動數控銑床能更好的保證模具的加工質量，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）制訂重型數控龍門銑床改造方案

經過分析重型數控龍門銑床的現狀，針對造成加工現代汽車模具精度不高，生產效率低等主要問題，成立專項小組，對重型數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，進給系統狀態，動態切削性能等。遵循設備管理原則使修理、改造與更新相結合，充分吸收意大利重型數控龍門銑床的設計思想和系統結構，運用新技術、新工藝、新產品，對重型數控龍門銑床進行五軸聯動數控化改造，以提升舊重型數控龍門銑床的功能、精度和可靠性，滿足現代汽車模具加工的要求。

重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造總的要求為：技術上追求先進性，質量上強調可靠性，投入上堅持經濟性。經研究論證銑床改造主要有以下幾方面：

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

2.更換不能滿足現代模具加工要求的三軸聯動數控系統，選配適合現代模具復雜空間曲面加工的五軸聯動數控系統。

3.根據重型數控龍門銑床的結構，配置一個數控雙擺角銑頭，重新設計主軸傳動系統。以實現重型數控龍門銑床五軸聯動，完成復雜空間曲面的模具加工，擴充銑床的功能和檔次。

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

5.重新設計銑床電控線路、增加電控柜的空調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、冷卻系統基本保持不變，只進行維護保養。

圖1 AC雙擺角銑頭示意圖

（三）重型數控龍門銑床改造方案實施

1.采用先進的技術和新產品，實現五軸聯動

（1）選配適合現代汽車模具加工的數控系統

根據重型數控龍門銑床加工現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 C10五軸聯動數控系統，更換舊的三軸聯動數控系統。FIDIA C10數控系統功能強大、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RTCP補償，旋轉軸同步編程、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。可實現圖形模擬、圖形編程、作業順序編程、CAD文件的顯示、故障自診斷等功能，該系統還適用于高功率、高速度的數字交流伺服驅動，能使數控龍門銑床具有高精度、高效率加工復雜曲面模具的功能。

（2）運用現代設計方法，優化雙擺角銑頭的結構

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

所謂五軸聯動數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坐標），而且可在計算機數控系統控制下同時協調運動進行復雜空間曲面的加工。

要實現重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造，關鍵問題之一是要在重型數控龍門銑床增加兩個旋轉運動，而重型數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,采用主軸頭旋轉方式立式結構,將A、C旋轉軸設在主軸上，銑頭繞Z軸旋轉為C軸，銑頭繞X軸旋轉為 A軸。進給機構采用蝸桿/蝸輪副傳動結構，選用SIEMENS伺服電機。并且通過現代設計方法，以有限元分析為基礎，結合重型數控龍門銑床的結構和性能，對AC旋轉軸結構進行優化，并重新設計主軸傳動系統，最終形成AC雙擺角銑頭如圖1所示，A軸正反旋轉各為210度，C軸正反旋轉各為400度，完成X、Y、Z三軸直線運動和A、C軸旋轉運動的五軸聯動，使銑刀始終垂直于模具曲面，實現復雜空間曲面的模具加工。

（3）采用先進的液壓平衡法，以平衡主軸箱系統的重量

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

2.采用新技術、新工藝延長機床的使用壽命

（1）運用新產品，改善進給系統，提高機床的定位精度

重型數控龍門銑床的進給系統用于接受數控系統發出的脈沖指令，放大和轉換后驅動銑床運動執行件，以實現預期的運動。因此進給系統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、螺距誤差補償等措施，使進給系統具有響應速度快、穩定性好、傳動精度高、構件剛度性強、低摩擦的功能。同時，對銑床X軸、Y軸、Z軸方向的伺服驅動裝置均采用轉子慣量小、動態響應好，質量小、轉速高、輸出功率大的交流伺服電機和驅動，從而滿足重型數控龍門銑床五軸聯動的定位精度要求。

（2）采用修磨技術和工藝，提高機床的運動精度

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

3.重新設計銑床電控系統

對重型數控龍門銑床電控系統進行重新規劃布線，用新的數控系統和強電裝置代替舊的系統等；更換老化的電氣元件和電纜及附件等，恢復銑床電控系統的各項功能，確保銑床正常運轉、操作靈敏可靠，延長銑床的電控使用壽命。同時，根據電控系統產生的熱負荷等數據進行熱量計算，增加電控柜空調裝置，解決溫控問題。

（四）重型數控龍門銑床改造效果

重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造后的檢驗，是參照歐美國家設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。經檢驗銑床各項指標數據表明，所改造的重型數控龍門銑床主要參數、功能、精度、可靠性，基本達到同類五軸聯動數控銑床的出廠標準。

重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造后的效果主要表現為以下四個方面：

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

第二，按目前同等五軸聯動重型數控龍門銑床的價格比較，可節約設備采購費700多萬元。

第三，運用科學新技術對重型數控龍門銑床進行五軸聯動數控化改造，具有投資少、見效快的特點, 實現節能省材，促進環保，為企業機床技術改造更新提供了一種借鑒。

第四，在充分吸收意大利重型數控龍門銑床的設計思想和系統結構的基礎上的進行期改造，掌握重型數控龍門銑床五軸聯動的結構，把握數控龍門銑床五軸聯動的發展趨勢，積累數控機床改造維護經驗，打造了一支舊機床數控改造的團隊，提高工程技術人員和專業教師的專業能力，也為機電設備管理與維修專業教學提供了案例。

（五）結束語

重型數控龍門銑床五軸聯動數控化改造的技術難點主要表現為：

1.五軸聯動的數控系統控制

重型數控龍門銑床是機電一體化的典型產品，銑床中的X、Y、Z軸直線和A、C軸旋轉的進給運動均為獨立的傳動機構，各運動軸線都有各自的進給伺服系統（交流伺服驅動電機和伺服驅動等），均通過銑床的數控系統統一控制下,完成數控龍門銑床五軸聯動的運動。因此，數控系統性能優劣決定數控銑床的加工效率、成形精度和運行的穩定性、實現重型數控龍門銑床五軸聯動加工的控制。

2.AC雙擺角銑頭優化, 實現五軸聯動

運用現代設計方法，以有限元分析為基礎，結合重型數控龍門銑床的結構和性能，對AC雙擺角銑頭進行優化，重新設計主軸傳動系統，以實現重型數控龍門銑床五軸聯動的加工。

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

[2] 張賢寶.數控技術在 X2012A龍門銑床改造中的運用分析[J].現代商貿工業,2009,(18):302-303.

[3] 張振潑,覃學東.五軸聯動機床的結構性能分析與設計探討[J].裝配制造技術,2009.2(10):5-8.

[4] 閆明,林劍峰,鄭鵬,孫淑霞,佟玲.直驅式A/C雙擺銑頭C軸結構單元有限元分析[J].設計與研究,2010, (4):13-19.

[5] 肖劍,王社科.直驅雙擺角銑頭支架的拓撲優化設計[J].北京信息科技大學學報,2009(9):50-53.

TG547

A

1008-1151(2011)06-0103-02

2011-03-15

張映紅（1960－），女（瑤族），廣東興寧人，柳州職業技術學院機電工程系副教授，從事機電設備維修與管理專業課程教學和科研。