提高機床的數(shù)控化率 機床數(shù)控改造案例分析

為了企業(yè)的生存和發(fā)展，提高機床的數(shù)控化率是必要的。需要進行數(shù)控改造的設(shè)備一般包括傳統(tǒng)機床及近期從國外引進，因存在問題而不能投產(chǎn)的機床設(shè)備和生產(chǎn)線。

一、數(shù)控改造的內(nèi)容

機床與生產(chǎn)線的數(shù)控改造主要內(nèi)容有：(1)恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復；(2) NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置或加數(shù)控系統(tǒng)；(3)翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不能滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；(4)技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新。

二、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢

l．向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展

基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控任務(wù)PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。在遠程通信、遠程診斷和維修的應(yīng)用將更加普遍。

2．向高速化和高精度化發(fā)展

3．向智能化方向發(fā)展

(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中的重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，改進系統(tǒng)運行狀態(tài)。

(2)引入專家系統(tǒng)指導加工。將熟練工人和專家經(jīng)驗、加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。

(3)引入故障診斷專家系統(tǒng)

(4)智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置。可以通過自動識別負載和自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行狀態(tài)。

三、數(shù)控系統(tǒng)的選擇

1．開環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。這種系統(tǒng)不需要位置和速度反饋，位移精度主要決定于步進電機的角位移精度和齒輪絲杠等傳動元件的精度，所以位移精度低。但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維修方便、工作可靠、成本低、易改裝成功。

2．閉環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置信號反饋給計算機，與給定值進行比較，將兩者的差值放大并變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以消除偏差。此系統(tǒng)復雜、成本高、對環(huán)境溫度要求嚴。但系統(tǒng)精度高、速度快、功率大。可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用。

3．半閉環(huán)系統(tǒng)

半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)的部分元件的誤差，因此，其精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是其結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。

當前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司及廠家比較多，國外的如德國西門子公司、日本發(fā)那科公司；國內(nèi)的如中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、驅(qū)動電機的功率和用戶的要求來確定。

四、機床數(shù)控改造主要步驟

1．改造方案的確定

(1)機械修理與電氣改造相結(jié)合。一般來說，需進行電氣改造的機床，都需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍和內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進行機械結(jié)構(gòu)改造的要求和內(nèi)容；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的交錯時間要求。機械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。

(2)先易后難、先局部后全局。確定改造步驟時，應(yīng)把整個電氣部分改造分成若干個子系統(tǒng)進行，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。在每個子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細的工作，使人的注意力能集中到關(guān)鍵地方。

(3)根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)。針對改造對象確定它的環(huán)境和條件，這對選擇電氣系統(tǒng)的防護、抗干擾、自冷卻及空氣過濾等性能可提供正確的依據(jù)。電氣系統(tǒng)選擇時還必須考慮成熟產(chǎn)品，它們性能應(yīng)合理實用、有備件可提供維修支持、功能可滿足當前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。

(4)落實參與改造的人員和責任。

(5)改造范圍與周期的確定。

2．改造的技術(shù)準備

(1)機械部分準備。為配合電氣改造的機械大修工作應(yīng)先期完成。同時對需拆、改和加工的部分等應(yīng)事先規(guī)劃，要與整個改造工作銜接得當。

(2)新系統(tǒng)電氣資料消化。

(3)新舊系統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計。根據(jù)每臺設(shè)備改造范圍不同，需事先設(shè)計接口部分轉(zhuǎn)換，若全部改造的，應(yīng)設(shè)計機電轉(zhuǎn)換接口、操作面板控制與配置、互聯(lián)部分接點、參數(shù)測量點、維修位置等。要求操作與維修方便合理、線路走向通順、中小連接點少、強弱電干擾最小、備有適當裕量等。局部改造的，還需要考慮新舊系統(tǒng)的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，必要時需自行制作轉(zhuǎn)換接口。

(4)操作和編程人員的技術(shù)培訓。培訓內(nèi)容一般應(yīng)包括①新的操作面板配置、功能、指示含義；②新系統(tǒng)的功能范圍、使用方法及與舊系統(tǒng)的差別；③維護保養(yǎng)要求；④編程標準與自動化編程等。重點是弄懂、弄通操作說明書和編程說明書。

(5)調(diào)試步驟與驗收標準的確定。調(diào)試工作應(yīng)由項目負責人進行，其他人員配合。調(diào)試步驟可從簡到繁，從小到大，從外到里進行，也可先局部后全局，先子系統(tǒng)后整系統(tǒng)進行。驗收標準的制定必須實事求是，過高或過低的標準都會對改造工作產(chǎn)生負面影響。

3．改造的實施

(1)原機床的全面保養(yǎng)。原機床經(jīng)長期使用后，需要進行全面保養(yǎng)。其次，應(yīng)對機床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，并記錄在案。這樣既可對改造工作起指導參考作用，又可在改造結(jié)束時作對比分析用。

(2)保留的電氣部分最佳化調(diào)整。若對電氣系統(tǒng)作局部改造，則應(yīng)對保留電氣部分進行保養(yǎng)和最佳化調(diào)整，如強電部分的零件更換、電機的保養(yǎng)、變壓器的烘干絕緣、污染的清潔、通風冷卻裝置的清洗、伺服驅(qū)動裝置的最佳化調(diào)整、老化電線電纜的更新、連接件的緊固等。只有對保留的電氣部分做好過細的最佳化調(diào)整，才能保證改造后的機床有較低的故障率。

(3)原系統(tǒng)拆除。原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙仔細進行，及時在圖紙上作出標記，防止遺漏或過拆。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處，應(yīng)及時補充與修正。拆下的系統(tǒng)要妥善保管，以備萬一改造不成功時恢復使用。還有一定使用價值的，可作備件。

(4)合理安排新系統(tǒng)位置及布線。連線工作必須分工明確，有一人復查檢驗，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。

(5)調(diào)試。調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進行。調(diào)試中首先試安全保護系統(tǒng)靈敏度，防止人身和設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈；各運動坐標拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。

4．驗收及后期工作

(1)機床機械性能驗收。機床的各項機械性能應(yīng)達到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(2)電氣控制功能和控制精度驗收。電氣控制的各項功能必須達到動作正常、靈敏可靠。控制精度應(yīng)用系統(tǒng)本身的功能（如步進尺寸等）與標準計量器具（如激光干涉儀、坐標測量儀等）對照檢查，達到精度范圍之內(nèi)。同時還應(yīng)與改造前機床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標差。

(3)試件切削驗收。可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機床切削試件標準，在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。

(4)圖紙、資料驗收。機床改造完后，應(yīng)及時將圖紙、資料、改造檔案匯總、整理、移交入檔。這對該設(shè)備的今后穩(wěn)定運行十分重要。

(5)總結(jié)、提高。

五、數(shù)控改造實例

1．用西門子810M改造X53銑床

1998年，公司投入20萬元，用德國西門子810M數(shù)控系統(tǒng)、611A交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數(shù)控改造。保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。改造的三軸在機械上采用了滾珠絲杠及齒輪傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC程序的編制與調(diào)試、機床大修、整機的安裝和調(diào)試。銑床改造后，加工有效行程X、Y、Z軸分別為880mm、270mm、280mm；最大速度X、Y、Z軸分別為5 000mm/min、1 500mm/min、800mm/min；點動速度X、Y、Z軸分別為3 000mm/min、1 000mm/min、500 mm/min；機床加工精度達到士0.001 mm。機床的三坐標聯(lián)動可完成各種復雜曲線或曲面的加工。

2．用GSK980T和步進驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床

1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DY3混合式步進驅(qū)動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進行改造。保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。改造的兩軸在機械上采用了滾珠絲杠及同步帶傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修及整機的安裝和調(diào)試。車床改造后，加工有效行程X、Z軸分別為390mm、1400mm；最大速度X、Z軸分別為1 200mm/min，3 000mm/min；點動速度為400mm/min；點動快速X、Z軸分別為1 200mm/min、3 000mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。

六、數(shù)控改造中的問題和建議

1．數(shù)控改造中的問題

通過幾臺機床的數(shù)控改造工作后，發(fā)現(xiàn)工作中也存在許多問題，主要表現(xiàn)在：(1)各部門、開發(fā)人員職責不明朗、組織混亂，嚴重影響了改造進度；(2)制定的工作進程和計劃大多只是憑經(jīng)驗制定，不太合理；(3)相關(guān)人員的培訓工作沒有到位，導致機床改造后出現(xiàn)工藝人員不會編程、操作人員對機床操作不熟練等問題。

2．數(shù)控改造建議

(1)負責改造的員工職責明確，獎罰分明，充分調(diào)動員工的積極性；培養(yǎng)一批高素質(zhì)的應(yīng)用和維護人員，選派人員外出進修，學習先進技術(shù)；

(2)要注重用戶使用、維護數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)培訓，建立國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)資源庫。建立技術(shù)資料檔案，做好備品配件工作。