臥式鏜床數(shù)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(chǎn)業(yè)是國家社會經(jīng)濟活動賴以發(fā)展的根本，是國家支柱產(chǎn)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(chǎn)業(yè)重要的生產(chǎn)工具，提高機床的自動化生產(chǎn)能力是工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造和技術(shù)發(fā)展的必由之路。普通鏜床數(shù)字化改造是這條路上的主要內(nèi)容，因為普通鏜床數(shù)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(chǎn)品質(zhì)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(gòu)磨損嚴重、加工精度超差、生產(chǎn)效率低等現(xiàn)象，不能滿足公司日常成產(chǎn)要求，采購新設(shè)備投入成本太大，所以決定對其進行數(shù)字化升級改造，以確保生產(chǎn)運營。通過與車間協(xié)調(diào)確定鏜床改造后的性能要求，最后根據(jù)改造后的目標要求并結(jié)合機床本身結(jié)構(gòu)特點以及改造允許投入的經(jīng)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(shù)顯系統(tǒng)，將T619A/1型臥式鏜床加裝數(shù)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(shù)方案

2.1 改造方案

為了使設(shè)備操作更為方便，滿足生產(chǎn)要求，達到預(yù)期目標，結(jié)合鏜床自身情況，提出3種改造方案。

（1）方案一。更換、修復(fù)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(diào)整各傳動部件的旋轉(zhuǎn)、配合精度；恢復(fù)工作臺及主軸箱機械精度，調(diào)整修復(fù)旋轉(zhuǎn)工作臺光學(xué)讀數(shù)頭精度等。

（2）方案二。加裝數(shù)顯系統(tǒng)，對設(shè)備移動部位實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于旋轉(zhuǎn)編碼器成本高，安裝困難，鏜床工作臺尺寸較小，結(jié)合公司成產(chǎn)現(xiàn)狀，決定放棄安裝旋轉(zhuǎn)數(shù)顯，在方案一基礎(chǔ)上加裝主軸箱升降以及工作臺位移數(shù)顯系統(tǒng)，使操作者能夠通過數(shù)顯表準確、直觀的確定設(shè)備各部件進給、位移量，反饋精度達到0.005 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)英制/公制、絕對/相對坐標、清零/置數(shù)模式的快速轉(zhuǎn)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(chǔ)上安裝鏜床用數(shù)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(zhuǎn)編碼器；更換主電機；從新設(shè)計配電柜以安裝數(shù)控系統(tǒng)等，使其能達到數(shù)字化控制。

2.2 設(shè)計方案對比

對前面三個設(shè)計方案進行對比，得出比較參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計方案對比

2.3 方案確定

通過生產(chǎn)、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(jié)構(gòu)，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(nèi)及國際球柵尺生產(chǎn)廠家，英國NEWALL公司憑借其產(chǎn)品的高可靠性、免維護、超長質(zhì)保及較高的性價比最終獲選。

3 改造實施及調(diào)整

通過對T619A/1型臥式鏜床各項參數(shù)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(shù)顯系統(tǒng)（圖1）。配備DP7003111S12數(shù)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(shù)規(guī)格

3.1 恢復(fù)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(gòu)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(shè)備潤滑不良、傳動負載過大、機械標尺松動變形、旋轉(zhuǎn)工作臺光學(xué)讀數(shù)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(qū)動，通過油壓推動三聯(lián)齒輪實現(xiàn)18級回轉(zhuǎn)、12級進給運動；首先更換液壓站液壓油，清洗濾網(wǎng)、油箱等部件，檢查主軸轉(zhuǎn)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(gòu)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(diào)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(shè)備平旋盤可實現(xiàn)14級轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(dǎo)套，更換進給離合器摩擦片；更換旋轉(zhuǎn)工作臺光學(xué)讀數(shù)頭，調(diào)整旋轉(zhuǎn)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(shù)顯尺

在恢復(fù)設(shè)備各傳動系統(tǒng)精度后，在立柱導(dǎo)軌旁設(shè)置2處固定支架，用來加裝數(shù)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(diào)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(shù)頭套進尺條并固定在主軸箱上跟隨主軸箱升降移動；調(diào)整好主軸箱極限位置并安裝兩組限位保護開關(guān)，用以保護主軸箱及數(shù)顯尺；調(diào)整主軸箱極限位置對應(yīng)數(shù)顯尺零位，最后安裝尺條、讀數(shù)頭保護罩，防止鐵屑、切屑液等雜質(zhì)對球柵尺的侵蝕（圖2）。

圖2 主軸箱數(shù)顯尺安裝效果

3.3 安裝工作臺數(shù)顯尺

工作臺進給數(shù)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(cè)，便于操作者加工讀尺，且工作臺另一側(cè)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(yīng)床身尾部方向安裝數(shù)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(diào)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(shù)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(dǎo)軌下方安裝兩個固定支架用以固定球柵尺尺條，調(diào)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(shù)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(guān)，用以保護工作臺及數(shù)顯尺；調(diào)整上滑座極限位置并設(shè)置數(shù)顯尺零位，最后安裝尺條、讀數(shù)頭保護罩等。

圖3 工作臺數(shù)顯尺安裝效果

3.4 安裝數(shù)顯表

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

3.5 系統(tǒng)誤差檢測及補償設(shè)置

3.5.1 誤差補償

數(shù)顯系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率、減少因加工精度問題造成的不合格零件的數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)顯系統(tǒng)。可以通過比較NEWALL讀數(shù)頭的小距離位移和數(shù)顯表的示數(shù)，判斷球柵數(shù)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(shù)顯系統(tǒng)誤差

（1）放置激光干涉儀或?qū)俜直眄斨鶋涸贜EWALL讀數(shù)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(shù)頭的移動面，否則讀數(shù)不準確。百分表的或激光干涉儀的讀數(shù)十分關(guān)鍵，這個讀數(shù)必須是讀數(shù)頭相對球柵尺的位移；如果這個讀數(shù)是在機床上其他位置測得的，計算的誤差數(shù)據(jù)將無效（可能帶進了機床本身的誤差）。

（2）當讀數(shù)頭移動時，激光干涉儀/百分表和數(shù)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(shù)顯表示數(shù)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(shù)和數(shù)顯表的示數(shù)。

（5）重復(fù)步驟3、4若干次，比較激光／百分表和數(shù)顯表的示數(shù)。如果該誤差值在合格的誤差范圍，則說明數(shù)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(shù)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(fù)“檢測數(shù)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(shù)顯表的示數(shù)。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(yīng)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(shè)置一個補償系數(shù)（圖5），此系數(shù)在整個有效行程內(nèi)都生效。補償系數(shù)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(shù)顯表示數(shù)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(shù)顯表示數(shù)減去刀具或測頭的直徑才是測量值。線性補償可以通過設(shè)置線性補償系數(shù)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(shù)顯表在整個有效行程內(nèi)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(shù)（圖7）。在采用分段誤差補償功能時，需要定義以下參數(shù)：①起始點：起始點又稱零點，一般設(shè)在機床的一端，分段誤差補償?shù)倪^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(shù)顯表建立機床坐標系的標志。參考點可以設(shè)在機床有效行程內(nèi)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(shè)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(shù)顯表的計數(shù)正方向設(shè)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(shù)據(jù)不準確的。

圖7 誤差坐標軸

4 結(jié)束語

通過此次對T619A/1型臥式鏜床的數(shù)字化改造，使公司老舊設(shè)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(chǎn)效率，節(jié)省大量資產(chǎn)投入資金，升級改造將來會在更多的老舊設(shè)備上得以實施。