SKODAW250H 普通鏜床的數(shù)控化改造

安 毅 張明良 許 建

(哈爾濱電動(dòng)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

捷克SKODA W250H 普通鏜床是20 世紀(jì)80 年代進(jìn)口的大型落地鏜床。作為一臺(tái)大型設(shè)備，承擔(dān)著企業(yè)重要的生產(chǎn)任務(wù)。隨著企業(yè)不斷的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度的要求越來(lái)越高，工件加工尺寸的不斷增大，也要求設(shè)備不斷提高生產(chǎn)效率。在這種生產(chǎn)環(huán)境和條件下，對(duì)現(xiàn)有大型普通設(shè)備的數(shù)控化改造就成為企業(yè)所采用的一種有效的措施。基于這樣的原因，對(duì)SKODA W250H 普通鏜床的數(shù)控化改造成為哈電進(jìn)一步快速發(fā)展的必然選擇。

1 SKODAφ250 普通鏜床的改造內(nèi)容

1.1 機(jī)床機(jī)械部分的改造

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分在剛度、精度、摩擦、磨損等方面較普通機(jī)床有著更高的要求，因此不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床聯(lián)接在一起就達(dá)到了機(jī)床數(shù)控改造的目的，而是應(yīng)該從機(jī)床自身的價(jià)值，分析改造要達(dá)到的目標(biāo)和所需要投入。對(duì)被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，精度等技術(shù)現(xiàn)狀作全面分析，包括機(jī)床原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合改造要求，各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌的形式是否適用，各項(xiàng)精度是否滿足要求，機(jī)床在加工中是否存在缺陷和歷史上有無(wú)出現(xiàn)過(guò)重大故障，從而確定最終改造方案。

(1)鏜箱系統(tǒng)的改造

鏜箱系統(tǒng)作為落地鏜床最主要的機(jī)械部分，是本次改造中為提升質(zhì)量和效率的重要部分。

首先對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。在改造時(shí)，應(yīng)盡量保留主傳動(dòng)系統(tǒng)鏜箱內(nèi)的齒輪和換擋變速機(jī)構(gòu)。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)目前還能滿足數(shù)控化改造的要求，同時(shí)又可以減少工作量和成本。在驅(qū)動(dòng)方面將原主軸直流電動(dòng)機(jī)改為交流電動(dòng)機(jī)。

對(duì)鏜桿進(jìn)行更新改造。該鏜桿由于多年使用，精度嚴(yán)重缺失;同時(shí)其刀具裝夾方式無(wú)法滿足數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化的要求。所以更換舊的鏜桿，新的鏜桿應(yīng)有自動(dòng)拉刀系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)既可方便維修，又可滿足同類數(shù)控設(shè)備刀具的互換性能，增加刀具標(biāo)準(zhǔn)化，使刀具的工作具有穩(wěn)定性好、高精度、高速度的特性。

將鏜桿和滑枕的進(jìn)給改為獨(dú)立的進(jìn)給軸。由于原設(shè)計(jì)這個(gè)進(jìn)給軸由一臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)控制，采用摩擦片離合器進(jìn)行切換，工作中經(jīng)常發(fā)生故障，使加工產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，特別是裝有附件頭進(jìn)行工作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)故障。

(2)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

在對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，把各軸原來(lái)的進(jìn)給傳動(dòng)裝置全部取消，每個(gè)進(jìn)給軸都采用獨(dú)立的伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于Y 軸、Z 軸、W 軸的進(jìn)給采用無(wú)間隙滾珠絲杠代替原來(lái)的梯形絲杠。因?yàn)闈L珠絲杠的滾動(dòng)摩擦使磨損損失減少，精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)性、傳動(dòng)效率都有所提高。同時(shí)由于無(wú)間隙傳動(dòng)，可以滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。

對(duì)于X 軸，由于傳動(dòng)距離太長(zhǎng)，無(wú)法采用滾珠絲杠傳動(dòng)，故采用高精度、硬齒面齒條齒輪傳動(dòng)。末端齒輪采用雙齒輪柔性消隙機(jī)構(gòu)。剛性消隙機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較好;但考慮到鏜床立柱及鏜箱的重量，在高速運(yùn)行時(shí)，其慣性較大，剛性消隙機(jī)構(gòu)適應(yīng)能力差，無(wú)法滿足機(jī)床各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài);而且使齒條、齒輪磨損增加，使用壽命大大較少，這種結(jié)構(gòu)受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件制約，在大型機(jī)床實(shí)際運(yùn)行中已發(fā)現(xiàn)其不足，故采用柔性消間隙的方法，采用雙齒輪消隙傳動(dòng)箱安裝在滑座端面。各進(jìn)給軸伺服電動(dòng)機(jī)前端也配套安裝標(biāo)準(zhǔn)齒輪減速箱。

(3)修復(fù)機(jī)床各導(dǎo)軌的精度

該設(shè)備的各部導(dǎo)軌均為鑄鐵導(dǎo)軌，具有較好的先決條件。各導(dǎo)軌面采用刮削精加工的方法，要求刮研顯點(diǎn)18～25 點(diǎn)/mm2，保證盡可能的減少摩擦及對(duì)位置控制精度的要求。

(4)機(jī)床液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

增設(shè)一套液壓夾緊裝置，以滿足對(duì)主軸刀具夾緊及其它夾緊系統(tǒng)的要求。該液壓系統(tǒng)應(yīng)有保壓功能，并要求有散熱系統(tǒng)。

改造靜壓系統(tǒng):將原恒壓靜壓系統(tǒng)改為恒流靜壓系統(tǒng)。SKODA W250H 鏜床的原靜壓系統(tǒng)采用毛細(xì)管節(jié)流方式，靜壓浮起量較小，一般只有0.02～0.03 mm，無(wú)法滿足各靜壓導(dǎo)軌幾何精度的要求。所以各靜壓導(dǎo)軌經(jīng)常出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，且抗傾翻的能力較差。這次改為恒流量靜壓導(dǎo)軌，恒流靜壓采用多頭泵，導(dǎo)軌一腔一泵，油膜厚度一般為0.04～0.05 mm，既增大浮起量又保證了浮起量的穩(wěn)定，使各導(dǎo)軌面在工作時(shí)處于非接觸狀態(tài)，對(duì)負(fù)載的變化有較強(qiáng)的承受能力。改造后提高其穩(wěn)定的承載能力，達(dá)到了高精度機(jī)床的技術(shù)要求;同時(shí)由于恒流靜壓具有較強(qiáng)的抗傾翻能力，使機(jī)床無(wú)論重載切削或精加工均有較高的精度。

1.2 精密測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)

機(jī)床的各個(gè)進(jìn)給軸(除Z、W 軸以外)均采用全閉環(huán)的控制方式。用新安裝的HEIDENHAIN 光柵尺進(jìn)行位置反饋實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，以提高機(jī)床數(shù)控精度。Z、W 軸由于條件限制，采用HEIDENHAIN 編碼器實(shí)現(xiàn)半環(huán)控制。

2 數(shù)控電氣系統(tǒng)的改造

為保證整個(gè)機(jī)床改造后精度與功能的實(shí)際要求，對(duì)機(jī)床電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面的數(shù)控改造。數(shù)控系統(tǒng)選用當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的西門子 SINUMERIK 840D(NCU573.5)。進(jìn)給軸X、Y、Z、W 均采用SIMODRIVE 611D 驅(qū)動(dòng)1FT6 交流伺服電動(dòng)機(jī)，其中X、Y 軸配置HEIDENHAIN LB382C 帶距離碼的光柵尺作全閉環(huán)控制，返參考點(diǎn)距離不超過(guò)100 mm;Z、W 軸采用絕對(duì)值編碼器作半閉環(huán)控制，無(wú)需返參考點(diǎn)。主軸采用1PH7226 -90 kW 主軸電動(dòng)機(jī)，配有位置編碼器，實(shí)現(xiàn)主軸定向、螺紋切削等功能，并配合機(jī)械改造提高主軸最高轉(zhuǎn)速至900 r/min。PLC 采用分布式I/O 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，線路簡(jiǎn)潔、維修方便。

840D 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試中要特別注意以下過(guò)程:送電前準(zhǔn)備;HMI 軟件安裝的首次送電;參數(shù)部分的首次送電;PLC 部分的首次送電;控制功能的初次調(diào)試;用激光測(cè)量進(jìn)行誤差補(bǔ)償;安裝標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。

2.1 送電前準(zhǔn)備

送電前必須保證機(jī)床電柜內(nèi)及外部的連線正確，使得機(jī)床不會(huì)因?yàn)榫€路問(wèn)題出現(xiàn)故障。

(1)電柜內(nèi)部連線

對(duì)照原理圖，看電柜線路有無(wú)接錯(cuò)的地方，特別是高壓電與低壓電不允許接錯(cuò);并按照?qǐng)D紙要求調(diào)整空開(kāi)的電流設(shè)定。對(duì)于系統(tǒng)部分，同樣對(duì)照原理圖檢查線路問(wèn)題。需注意，電動(dòng)機(jī)的相序是否正確，各系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)反饋線和閉環(huán)反饋線是否連接正確，600 V 的直流母線排必須固定好并蓋好防護(hù)蓋，同時(shí)其他排線也要求連接良好，緊固連線的接線端子。

(2)電柜外部連線

對(duì)照原理圖，檢查線路。需注意，三相交流回路中(包括電柜電源線)各相之間有無(wú)短路;電動(dòng)機(jī)不允許對(duì)地且三相電阻必須相等;24 V 不允許直接對(duì)地;輸入部分是否全部正常(如限位是否導(dǎo)通);電磁閥、離合器等輸出部分的電阻是否正常;各元件的接地部分是否連接良好。

2.2 HMI 軟件安裝的首次送電

對(duì)于全新的PCU 單元僅安裝有Windows XP 系統(tǒng)，HMI 軟件并未安裝，需在首次送電時(shí)進(jìn)行安裝。HMI 軟件的安裝，需要根據(jù)NC 卡的版本選擇對(duì)應(yīng)的HMI 軟件版本。將PCU 單元的磁盤開(kāi)關(guān)打到OPERATING 位置，之后對(duì)HMI 上電。當(dāng)出現(xiàn)登陸界面后，直接輸入密碼SUNRISE，使HMI 進(jìn)入Windows 環(huán)境下。安裝完成后重啟HMI，正常進(jìn)入HMI 操作界面。

2.3 參數(shù)部分的首次送電

進(jìn)入到操作界面后，即可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。首先設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)，使系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

(1)輸入口令

依次按MENU SELECT 鍵(以下稱菜單鍵，在屏幕右下方)，啟動(dòng)，設(shè)定口令(默認(rèn)制造商口令為SUNRISE)。設(shè)定后，機(jī)床權(quán)限轉(zhuǎn)為制造商權(quán)限，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行操作。

(2)模塊配置

依次按菜單，啟動(dòng)，機(jī)床數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)，進(jìn)入模塊配置畫面。模塊配置畫面定義如下:位置號(hào)，模塊在電柜中的實(shí)際排列位置(如，主軸緊挨NCU 模塊，其位置號(hào)為1)。驅(qū)動(dòng)號(hào):模塊在系統(tǒng)中的排列位置(如，主軸的驅(qū)動(dòng)號(hào)為5)。是否有效:模塊是否有輸出。電動(dòng)機(jī)模式:電動(dòng)機(jī)類型(主軸為異步，其他都為同步)。在模塊配置畫面下，依次按粘貼模塊鍵(注意按電柜的實(shí)際模塊選擇單雙軸)，按照電動(dòng)機(jī)類型修改電動(dòng)機(jī)模式，按粘貼功率模塊鍵(模塊型號(hào)在電柜中模塊右下角的位置可以找到)，再修改模塊驅(qū)動(dòng)號(hào)并設(shè)定模塊是否有輸出。驅(qū)動(dòng)號(hào)順序一般為:5(主軸)，1(X軸)，2(Y 軸)，3(Z 軸)，4(W 軸)。保存后，NCK 復(fù)位。

(3)選擇電動(dòng)機(jī)

以上參數(shù)設(shè)定完成并復(fù)位后，正常情況下會(huì)有報(bào)警“軸X 驅(qū)動(dòng)1 需要設(shè)定參數(shù)”，即說(shuō)明可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇。依次按菜單，啟動(dòng)，機(jī)床數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)，電動(dòng)機(jī)選擇，按電動(dòng)機(jī)標(biāo)牌的型號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇，選擇后出現(xiàn)的選項(xiàng)直接確定就可。電動(dòng)機(jī)全部選完后，NCK 復(fù)位，出現(xiàn)是否保存驅(qū)動(dòng)配置時(shí)，選全部保存。

2.4 PLC 部分的首次送電

根據(jù)NC 卡的版本選擇合適的PLC 程序版本，常用的PLC 版本為6.5 及7.4。先將系統(tǒng)的組態(tài)下載下來(lái)，與圖紙進(jìn)行對(duì)照。將筆記本與840D 系統(tǒng)連接上后，打開(kāi)STEP7，建立新項(xiàng)目。選擇PLC，Upload Station to PG;在彈出的對(duì)話框中按下VIEW，再按OK，有需要覆蓋的地方Y(jié)es To All。下載后，打開(kāi)SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系統(tǒng)組態(tài)與圖紙上的地址是否一致，不一致的話進(jìn)行修改。組態(tài)修改完成后，可以將程序進(jìn)行傳輸。將需要傳輸?shù)某绦驈?fù)制到SIMATIC 300(1)PLC ＊＊＊(型號(hào)與具體PLC 有關(guān))S7 Program(1)Blocks 中，然后按上方的Download 鍵將程序傳輸至PLC 中。打開(kāi)程序中的模塊，根據(jù)圖紙進(jìn)行實(shí)際修改。

2.5 控制功能的初次調(diào)試

以上步驟完成后，試驗(yàn)好三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及機(jī)械調(diào)整油壓后，可以開(kāi)車。開(kāi)車時(shí)，注意多觀察菜單，診斷，服務(wù)顯示里面的選項(xiàng)。電氣需要首先驗(yàn)證各軸限位，Z/W 軸行程，主軸換擋及滑枕補(bǔ)償是否正常。全部正常后，可交給機(jī)械調(diào)整精度。

2.6 用激光測(cè)量進(jìn)行誤差補(bǔ)償

首先設(shè)置38000，之后依次按菜單，服務(wù)，數(shù)據(jù)選項(xiàng)，將NC 生效數(shù)據(jù)選擇上，確認(rèn)。在NC 生效數(shù)據(jù)中找到測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，找到需要補(bǔ)償?shù)妮S，將該文件復(fù)制到工件文件夾下(可能需要先從數(shù)據(jù)選項(xiàng)中選擇工件，并在程序工件中新建立個(gè)文件夾)。

依次按菜單，程序，工件，打開(kāi)需要補(bǔ)償軸的文件，根據(jù)看激光的差值進(jìn)行依次輸入(具體規(guī)則為:負(fù)向補(bǔ)償時(shí)，我們用激光記錄的數(shù)值，將其記錄的最后一個(gè)數(shù)值正負(fù)交換后輸入到文件的頭一個(gè)數(shù)值;倒數(shù)第二個(gè)數(shù)值正負(fù)交換后輸入到文件的第二個(gè)數(shù)值;以此類推)，全部輸入完成后，在MIN 中輸入行程(負(fù)數(shù))，在MAX 中輸入0;正向補(bǔ)償時(shí)，則輸入原數(shù)值，在STEP中輸入每次激光的間距。之后按關(guān)閉編輯器。

設(shè)置32700 相關(guān)位(開(kāi)環(huán)［0］，閉環(huán)［1］)為0，選擇補(bǔ)償表文件，在AUTO 模式運(yùn)行，再設(shè)置32700 相關(guān)位為1，NCK 復(fù)位，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸重新回原點(diǎn)。

2.7 安裝標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)

首先將對(duì)應(yīng)的文件釋放:依次按菜單，服務(wù)，擴(kuò)展鍵(向右的箭頭)，連續(xù)啟動(dòng)，讀入調(diào)試文檔，循環(huán)文檔。之后先選擇CYCLEMALL，按啟動(dòng)，再選擇DEFINSE，按啟動(dòng)。再將對(duì)應(yīng)的定義文件安裝上:依次按菜單，服務(wù)，顯示選項(xiàng)，將定義選擇上，然后點(diǎn)確定。按數(shù)據(jù)管理，打開(kāi)定義，將其中的4 個(gè)文件有裝載選項(xiàng)的進(jìn)行裝載，有激活選項(xiàng)的進(jìn)行激活，NCK 復(fù)位。

3 本次改造中機(jī)械解決的難點(diǎn)

3.1 主電動(dòng)機(jī)的更換

原主電動(dòng)機(jī)為定制的直流電動(dòng)機(jī)，與主軸箱設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，而且原電動(dòng)機(jī)所處位置正好是平衡錘吊點(diǎn)，具有承重作用;在改為1PH7交流主軸電動(dòng)機(jī)后，首先要解決電動(dòng)機(jī)接口的設(shè)計(jì)，利用原來(lái)的框架增加支撐使電動(dòng)機(jī)安裝固定后保證足夠的剛性，以避免振動(dòng);再根據(jù)主軸箱外形設(shè)計(jì)外罩，有效利用內(nèi)部空間設(shè)計(jì)罩殼的內(nèi)筋結(jié)構(gòu)，使之能夠承受平衡錘重量。

3.2 Z 軸、W 軸傳動(dòng)分離

將鏜桿和滑枕的進(jìn)給改為各自獨(dú)立的進(jìn)給軸，取消摩擦片離合器結(jié)構(gòu)，利用原鏜桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)支承墻板進(jìn)行補(bǔ)充加工后安裝Z 軸、W 軸傳動(dòng)箱，傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)根據(jù)支承墻板結(jié)構(gòu)，在有效利用原結(jié)構(gòu)空間的前提下保證支承墻板的剛性。由于Z 軸、W 軸的進(jìn)給箱均固定在主軸箱上，因此在滑枕進(jìn)給時(shí)鏜桿也必須同時(shí)進(jìn)給，才能保證鏜桿與滑枕的相對(duì)位置不變，這就要求兩個(gè)軸的進(jìn)給同步，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)同步功能實(shí)現(xiàn)。

3.3 主軸拉刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于SKODA 250 鏜床系列鏜桿副結(jié)構(gòu)不同于一般鏜床結(jié)構(gòu)，其滑枕后部為封閉式結(jié)構(gòu)，如果按常規(guī)設(shè)計(jì)將拉刀油缸安排在鏜桿后部則油管安排相當(dāng)困難。因此本設(shè)計(jì)將拉刀油缸設(shè)置在鏜桿前部，通過(guò)后部接頭將壓力油通過(guò)空心鏜桿和中間套輸送到前部油缸，此結(jié)構(gòu)對(duì)鏜桿和中間套的加工精度要求較高。

4 達(dá)到的效果

經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造，使原來(lái)一臺(tái)普通鏜床成為一臺(tái)全新的數(shù)控落地銑鏜床，機(jī)床的精度和功能均提升到現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)和要求，從而大大提高了機(jī)床的加工效率和加工精度。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能不斷的強(qiáng)大，擴(kuò)大了機(jī)床加工功能，機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單實(shí)用，并對(duì)機(jī)床各項(xiàng)精度進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了機(jī)床的加工精度。通過(guò)對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造，提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量，擴(kuò)大了機(jī)床的加工能力和工藝范圍。既使這些普通設(shè)備獲得了再生，又使企業(yè)降低設(shè)備成本，從而給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)利益。