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立式升降臺(tái)銑床的數(shù)控改造方案
隨著計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)、智能制造、網(wǎng)絡(luò)制造等的新的概念和方法的研究與發(fā)展，發(fā)展數(shù)控技術(shù)已成為我國(guó)振興機(jī)械工業(yè)的重中之重。實(shí)踐證明，數(shù)控改造是發(fā)展我國(guó)機(jī)械工業(yè)可行的必由之路。
一、引言
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(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)械和電氣部分改造方法等幾個(gè)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(duì)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(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用;測(cè)量機(jī)床目前的各項(xiàng)精度并與出廠精度進(jìn)行對(duì)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(guò)的重大故障。根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)照改造目標(biāo)和典型工件，編寫改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，做到改造后的機(jī)床達(dá)到一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。
二、數(shù)控改造各系統(tǒng)的安裝
1、控制系統(tǒng)的安裝常見(jiàn)的有懸掛式、柜式、臺(tái)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(zhǎng)度，也關(guān)系到操作與維修的方便性。
2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝，原則上采取電氣柜內(nèi)安裝這一種方式，應(yīng)考慮的因素有通風(fēng)冷卻，電纜走線方式及長(zhǎng)度，對(duì)其他電器的干擾等。
3、電動(dòng)機(jī)的安裝，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際，確定電動(dòng)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(dòng)機(jī)接線盒的位置等，這些由電動(dòng)機(jī)的訂貨輔助參數(shù)確定。
4、測(cè)量系統(tǒng)的安裝，如選擇電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器的結(jié)構(gòu)方式，電動(dòng)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(zhǎng)度等的考慮。通過(guò)對(duì)同類數(shù)控銑床的現(xiàn)狀進(jìn)行了解和分析之后，提出了對(duì)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(dòng)單元和電機(jī)等)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行徹底改造。
三、數(shù)控改造具體方案
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(dòng)鏈的狀況，絲杠、導(dǎo)軌的狀況，有無(wú)重大故障等，以確定機(jī)床是否要大修、項(xiàng)修。因?yàn)槭怯煞菙?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(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙與傳動(dòng)剛度是否符合數(shù)控機(jī)床的要求。
為提高設(shè)備的利用率及生產(chǎn)效率，東北特鋼集團(tuán)對(duì)一臺(tái)1976年購(gòu)進(jìn)的X5030立式升降臺(tái)銑床，采用MCS-51系列單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，組成一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，控制原理。
z2-主動(dòng)齒輪齒數(shù)改造X5030立式升降臺(tái)銑床，選擇p=6mm的滾珠絲杠，步距角θ=1.5°/步，脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/步，則傳動(dòng)比i=(1.5°×6)/(360°×0.01)=2.5=75/30=z1/z2，即主動(dòng)齒輪齒數(shù)為30，被動(dòng)齒輪齒數(shù)75，兩齒輪的精度等級(jí)宜用7-6CGB2363-80。步進(jìn)電機(jī)與絲杠裝配的關(guān)鍵在于保證同軸度要求，并消除齒輪側(cè)隙以及絲杠和螺母間隙，絲杠要施加預(yù)緊力，連接后的工作臺(tái)在整個(gè)行程內(nèi)的任何位置上要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕快、無(wú)阻滯現(xiàn)象。
我采用長(zhǎng)春市奧維精密試驗(yàn)設(shè)備有限公司的電液伺服式的JKW系統(tǒng)，此系統(tǒng)的好處是可以減少費(fèi)用，降低改造成本。該數(shù)控系統(tǒng)以MCS-51單片微機(jī)為核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)。它的機(jī)箱內(nèi)有四種模板，即計(jì)算機(jī)板、電源板、接口板和驅(qū)動(dòng)板。
其電源采用開(kāi)關(guān)電源，穩(wěn)壓范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，其步進(jìn)電機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，還可利用計(jì)算機(jī)設(shè)置原點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其非常適合此銑床的數(shù)控化改造，具有較高的性能價(jià)格比。X5030立式升降臺(tái)銑床的機(jī)械部分是通過(guò)銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計(jì)算機(jī)控制，首先拆去了縱向、橫向離合器和縱向、橫向手輪，將手輪端通過(guò)一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，利用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)橫向、縱向的移動(dòng)。工作臺(tái)的垂直進(jìn)給仍可用手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這樣可以使銑床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)盡可能地減少，數(shù)控部分發(fā)生故障時(shí)仍能用手工半自動(dòng)操作。
使用中我們發(fā)現(xiàn)，由于銑床縱向絲杠長(zhǎng)、使用頻繁、橫向絲杠承受負(fù)載大的情況，應(yīng)將其換成滾珠絲杠。采用滾珠絲杠，必須利用雙螺母消除間隙和調(diào)節(jié)預(yù)緊力，同時(shí)必須對(duì)其剛度、導(dǎo)程變化總誤差和穩(wěn)定性進(jìn)行仔細(xì)驗(yàn)算。步進(jìn)電機(jī)的選項(xiàng)擇必須與絲杠螺距相匹配的型號(hào)。考慮到一般加工精度在0.1～0.2mm之間，可以選用脈沖當(dāng)量為0.01/step的步進(jìn)電機(jī)。選定了步距角θ，脈沖當(dāng)量δ，及絲杠螺距P后，可以根據(jù)下式計(jì)算步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間的傳動(dòng)比i=(Θp)/(360°δ)=z1/z2(z2為主動(dòng)齒輪齒數(shù)，z1為被動(dòng)齒輪齒數(shù))。改造X5030立式升降臺(tái)銑床，選擇P=6mm的滾珠絲杠，步距角θ=1.5°/step，脈沖當(dāng)量δ=0.01MM/step，則傳動(dòng)比i=(1.5°×6)(/360°×0.01)=2.5=75/30=z1/z2，即主動(dòng)齒輪齒數(shù)為30，被動(dòng)齒輪齒數(shù)75，兩齒輪的精度等級(jí)宜用7-6CGB2363-80。(即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組精度，為7級(jí)，△Ea〃的精度為6級(jí)，側(cè)隙類型為C類)步進(jìn)電機(jī)與絲杠裝配的關(guān)鍵在于保證同軸度要求，并消除齒輪側(cè)隙以及絲杠和螺母間隙，絲杠要施加預(yù)緊力，連接后的工作臺(tái)在整個(gè)行程內(nèi)的任何位置上要求上運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕快、無(wú)阻滯現(xiàn)象。
四、注意事項(xiàng)
數(shù)控系統(tǒng)與銑床聯(lián)機(jī)后的調(diào)試必須注意以下幾點(diǎn)：a.首先用“手動(dòng)”功能檢查步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，如不正確，對(duì)調(diào)步進(jìn)電機(jī)連線。b.檢查步進(jìn)電機(jī)各種轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如果不進(jìn)電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速上產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，則避開(kāi)這一速度不用。c.檢查原點(diǎn)位置誤差，可通過(guò)將兩塊千分表固定在原點(diǎn)處測(cè)量，如果誤差大于0.02mm，則應(yīng)著重檢查螺母間隙或齒輪間隙后，再降低低速度，試驗(yàn)出回到原點(diǎn)時(shí)所能達(dá)到的最大速度。d.機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)床各摩擦面即由摩合階段進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。此階段因磨損引起的尺寸誤差很小，應(yīng)該重新消除傳動(dòng)間隙。此銑床經(jīng)過(guò)改造后，極大地提高了加工效率，對(duì)于常規(guī)工件的加工一般可提高工效3-倍，使生產(chǎn)周期縮短。
一、引言
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(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)械和電氣部分改造方法等幾個(gè)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(duì)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(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用;測(cè)量機(jī)床目前的各項(xiàng)精度并與出廠精度進(jìn)行對(duì)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(guò)的重大故障。根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)照改造目標(biāo)和典型工件，編寫改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，做到改造后的機(jī)床達(dá)到一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。
二、數(shù)控改造各系統(tǒng)的安裝
1、控制系統(tǒng)的安裝常見(jiàn)的有懸掛式、柜式、臺(tái)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(zhǎng)度，也關(guān)系到操作與維修的方便性。
2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝，原則上采取電氣柜內(nèi)安裝這一種方式，應(yīng)考慮的因素有通風(fēng)冷卻，電纜走線方式及長(zhǎng)度，對(duì)其他電器的干擾等。
3、電動(dòng)機(jī)的安裝，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際，確定電動(dòng)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(dòng)機(jī)接線盒的位置等，這些由電動(dòng)機(jī)的訂貨輔助參數(shù)確定。
4、測(cè)量系統(tǒng)的安裝，如選擇電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器的結(jié)構(gòu)方式，電動(dòng)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(zhǎng)度等的考慮。通過(guò)對(duì)同類數(shù)控銑床的現(xiàn)狀進(jìn)行了解和分析之后，提出了對(duì)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(dòng)單元和電機(jī)等)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行徹底改造。
三、數(shù)控改造具體方案
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(dòng)鏈的狀況，絲杠、導(dǎo)軌的狀況，有無(wú)重大故障等，以確定機(jī)床是否要大修、項(xiàng)修。因?yàn)槭怯煞菙?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(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙與傳動(dòng)剛度是否符合數(shù)控機(jī)床的要求。
為提高設(shè)備的利用率及生產(chǎn)效率，東北特鋼集團(tuán)對(duì)一臺(tái)1976年購(gòu)進(jìn)的X5030立式升降臺(tái)銑床，采用MCS-51系列單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，組成一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，控制原理。
z2-主動(dòng)齒輪齒數(shù)改造X5030立式升降臺(tái)銑床，選擇p=6mm的滾珠絲杠，步距角θ=1.5°/步，脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/步，則傳動(dòng)比i=(1.5°×6)/(360°×0.01)=2.5=75/30=z1/z2，即主動(dòng)齒輪齒數(shù)為30，被動(dòng)齒輪齒數(shù)75，兩齒輪的精度等級(jí)宜用7-6CGB2363-80。步進(jìn)電機(jī)與絲杠裝配的關(guān)鍵在于保證同軸度要求，并消除齒輪側(cè)隙以及絲杠和螺母間隙，絲杠要施加預(yù)緊力，連接后的工作臺(tái)在整個(gè)行程內(nèi)的任何位置上要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕快、無(wú)阻滯現(xiàn)象。
我采用長(zhǎng)春市奧維精密試驗(yàn)設(shè)備有限公司的電液伺服式的JKW系統(tǒng)，此系統(tǒng)的好處是可以減少費(fèi)用，降低改造成本。該數(shù)控系統(tǒng)以MCS-51單片微機(jī)為核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)。它的機(jī)箱內(nèi)有四種模板，即計(jì)算機(jī)板、電源板、接口板和驅(qū)動(dòng)板。
其電源采用開(kāi)關(guān)電源，穩(wěn)壓范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，其步進(jìn)電機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，還可利用計(jì)算機(jī)設(shè)置原點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其非常適合此銑床的數(shù)控化改造，具有較高的性能價(jià)格比。X5030立式升降臺(tái)銑床的機(jī)械部分是通過(guò)銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計(jì)算機(jī)控制，首先拆去了縱向、橫向離合器和縱向、橫向手輪，將手輪端通過(guò)一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，利用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)橫向、縱向的移動(dòng)。工作臺(tái)的垂直進(jìn)給仍可用手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這樣可以使銑床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)盡可能地減少，數(shù)控部分發(fā)生故障時(shí)仍能用手工半自動(dòng)操作。
使用中我們發(fā)現(xiàn)，由于銑床縱向絲杠長(zhǎng)、使用頻繁、橫向絲杠承受負(fù)載大的情況，應(yīng)將其換成滾珠絲杠。采用滾珠絲杠，必須利用雙螺母消除間隙和調(diào)節(jié)預(yù)緊力，同時(shí)必須對(duì)其剛度、導(dǎo)程變化總誤差和穩(wěn)定性進(jìn)行仔細(xì)驗(yàn)算。步進(jìn)電機(jī)的選項(xiàng)擇必須與絲杠螺距相匹配的型號(hào)。考慮到一般加工精度在0.1～0.2mm之間，可以選用脈沖當(dāng)量為0.01/step的步進(jìn)電機(jī)。選定了步距角θ，脈沖當(dāng)量δ，及絲杠螺距P后，可以根據(jù)下式計(jì)算步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間的傳動(dòng)比i=(Θp)/(360°δ)=z1/z2(z2為主動(dòng)齒輪齒數(shù)，z1為被動(dòng)齒輪齒數(shù))。改造X5030立式升降臺(tái)銑床，選擇P=6mm的滾珠絲杠，步距角θ=1.5°/step，脈沖當(dāng)量δ=0.01MM/step，則傳動(dòng)比i=(1.5°×6)(/360°×0.01)=2.5=75/30=z1/z2，即主動(dòng)齒輪齒數(shù)為30，被動(dòng)齒輪齒數(shù)75，兩齒輪的精度等級(jí)宜用7-6CGB2363-80。(即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組精度，為7級(jí)，△Ea〃的精度為6級(jí)，側(cè)隙類型為C類)步進(jìn)電機(jī)與絲杠裝配的關(guān)鍵在于保證同軸度要求，并消除齒輪側(cè)隙以及絲杠和螺母間隙，絲杠要施加預(yù)緊力，連接后的工作臺(tái)在整個(gè)行程內(nèi)的任何位置上要求上運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕快、無(wú)阻滯現(xiàn)象。
四、注意事項(xiàng)
數(shù)控系統(tǒng)與銑床聯(lián)機(jī)后的調(diào)試必須注意以下幾點(diǎn)：a.首先用“手動(dòng)”功能檢查步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，如不正確，對(duì)調(diào)步進(jìn)電機(jī)連線。b.檢查步進(jìn)電機(jī)各種轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如果不進(jìn)電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速上產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，則避開(kāi)這一速度不用。c.檢查原點(diǎn)位置誤差，可通過(guò)將兩塊千分表固定在原點(diǎn)處測(cè)量，如果誤差大于0.02mm，則應(yīng)著重檢查螺母間隙或齒輪間隙后，再降低低速度，試驗(yàn)出回到原點(diǎn)時(shí)所能達(dá)到的最大速度。d.機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)床各摩擦面即由摩合階段進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。此階段因磨損引起的尺寸誤差很小，應(yīng)該重新消除傳動(dòng)間隙。此銑床經(jīng)過(guò)改造后，極大地提高了加工效率，對(duì)于常規(guī)工件的加工一般可提高工效3-倍，使生產(chǎn)周期縮短。
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