舊機床數(shù)控化再制造案例研究

蘇 純，陳志偉，崔鵬飛，趙 劍

(1．常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室，江蘇常州 213002)

(2．江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

機床再制造是一種基于廢舊機床循環(huán)利用的機床制造模式。它充分利用先進制造技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控及自動化技術(shù)等高新技術(shù)對廢舊機床進行可再制造性評估、拆卸以及創(chuàng)新性再設(shè)計、再制造、再裝配，從而制造出功能和性能均得到恢復(fù)、提升且節(jié)能環(huán)保的新機床。綠色再制造技術(shù)采用的先進成形技術(shù)包括高新表面工程技術(shù)、數(shù)控化改造技術(shù)、快速成形技術(shù)及其他加工技術(shù)。在機床再制造領(lǐng)域內(nèi)，為了恢復(fù)機床的精度、性能，提高自動化能力、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力水平等，采用最為普遍的是數(shù)控化改造技術(shù)。

產(chǎn)品的綠色度是指產(chǎn)品符合綠色產(chǎn)品要求的程度。產(chǎn)品的綠色度有狹義和廣義兩方面的含義，其中狹義的產(chǎn)品綠色度是指產(chǎn)品對自然環(huán)境和人類的友好程度;而廣義的產(chǎn)品綠色度是指產(chǎn)品的環(huán)境性、經(jīng)濟性和技術(shù)性的綜合最優(yōu)的組合。機電產(chǎn)品的綠色度指的是廣義的產(chǎn)品綠色度，其綠色度體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期的全過程［1］。機電產(chǎn)品的綠色度評價是對產(chǎn)品的環(huán)境性、經(jīng)濟性和技術(shù)性的綜合評價，是面向產(chǎn)品整個生命周期的一個多層次、多因素的評價問題［1］，也可說是指產(chǎn)品整個生命周期中對資源和能源的輸入量、對環(huán)境的輸出量以及這些輸入輸出對環(huán)境的友好程度的綜合指標(biāo)的評價［2］。

舊機床的數(shù)控化再制造可以提高機床精度、延長機床壽命，如對其進行綠色度評價，那么產(chǎn)品的環(huán)境性和經(jīng)濟性達(dá)標(biāo)是毋庸置疑的，因而其技術(shù)可行性就成為檢驗改造方案是否可行的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 機床數(shù)控化再制造的內(nèi)容

1.1 精度恢復(fù)和機械傳動部分的改進

隨著機床使用役齡的增加，機床的機械傳動部件，如導(dǎo)軌、絲杠、軸承等都有不同程度的磨損。機床數(shù)控化再制造過程中的首要任務(wù)是對舊機床進行類似于通常機床大修的修整，以恢復(fù)機床精度，達(dá)到新機床的性能指標(biāo)。因此，機床數(shù)控化再制造可以結(jié)合機床的大修來進行。但機床數(shù)控化對機床精度的要求與普通機床的大修是有區(qū)別的，即整個機床精度的恢復(fù)與機械傳動部分的改進，都要為滿足數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點和數(shù)控自動加工的要求來進行，并應(yīng)具有批量大修的特征，通常采用納米表面技術(shù)、復(fù)表面技術(shù)和其他表面工程技術(shù)(如模具修復(fù)技術(shù)、高強度納米修補技術(shù)等)，修復(fù)與強化機床導(dǎo)軌、溜板、尾座等磨損、劃傷表面，并提高其尺寸、形狀和位置精度。機床的潤滑系統(tǒng)及動配合部位采用納米潤滑添加劑和納米潤滑脂、納米固體潤滑干膜等材料，可以進一步提高機床的性能。

1.2 選定數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

由于數(shù)控系統(tǒng)是整個數(shù)控機床的指揮中心，因此數(shù)控系統(tǒng)的選擇對改造后的機床性能是至關(guān)重要的，在選擇時除了考慮各項功能滿足要求外，還一定要確保系統(tǒng)工作可靠性。一般以性能價格比來選取，并適當(dāng)考慮售后服務(wù)和故障維修等有關(guān)情況。如選用企業(yè)內(nèi)已有數(shù)控機床中相同型號的數(shù)控系統(tǒng)，將對今后操作、編程、維修等都帶來較大的方便。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選取也按再制造數(shù)控機床的性能要求決定。若采用同一家公司配套供應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和維修更容易得到保證。

1.3 數(shù)控機床輔助裝置的選擇

在機床數(shù)控化再制造過程中，要根據(jù)機床的控制功能選取輔助裝置。如選取四方或六角電動換刀架來實現(xiàn)刀具自動轉(zhuǎn)換功能，刀位數(shù)的選擇主要由被加工工件的工藝要求決定。由于大部分?jǐn)?shù)控機床的輔助裝置目前在國內(nèi)已有不少生產(chǎn)廠家配套供應(yīng)，所以選取后即可按其產(chǎn)品說明書在機床相應(yīng)位置上進行安裝、調(diào)整。

1.4 電控柜的設(shè)計和制作

由于普通機床的電器控制功能要求與數(shù)控機床不一樣，所以在對舊機床進行機床數(shù)控再制造時，原機床的電器控制部分一般只能報廢，重新按數(shù)控化再制造要求進行設(shè)計制作。強電控制部分的線路設(shè)計，主要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)輸入、輸出接口的功能和控制要求來進行。當(dāng)控制功能較復(fù)雜時，為簡化強電控制部分的電氣線路，需要配置可編程序控制器(PLC)。數(shù)控機床的強電控制部分設(shè)計時要特別注意的是數(shù)控系統(tǒng)各接口信號的特點和形式要相配，并且在設(shè)計過程中應(yīng)盡量簡化強電控制線路。

1.5 整機連接調(diào)試

舊機床上述各個部件的再制造過程完成后，就可以對組裝的再制造機床各個部件進行調(diào)試。一般先對電氣控制部分進行調(diào)試，看單個動作是否正常，然后再進入聯(lián)機調(diào)試階段。

機床數(shù)控化再制造有多種方案，機床類型不同，再制造的內(nèi)容也不同，所以機床再制造的內(nèi)容并非一成不變，而要根據(jù)實際情況選用合適的方式。

2 C5225車床數(shù)控化再制造實例

C5225機床是萬能型雙立柱立式車床，可以車削圓柱、圓錐和平面，鏜圓柱與圓錐孔，用于鑄鐵、鋼及有色金屬零件的粗精加工。機床操縱皆集中在懸掛操縱箱上進行。雖然該機床1995年就出廠使用至今，但機床的基礎(chǔ)件基本未受損，幾何精度雖已下降但仍在可修復(fù)范圍內(nèi)，通過修復(fù)和保養(yǎng)，其基本性能可達(dá)到現(xiàn)代同類機床的機械水平，所以實施機床數(shù)控化再制造的機械條件和適用性是相當(dāng)?shù)暮谩?/p>

改造前刀架移動速度為2 500mm/min，改造后要求最快移動速度6 000mm/min，最終可實現(xiàn)0～6 000mm/min無級調(diào)速;改造前主傳動為有極調(diào)速16級，改造后要求變速檔為4級，最終可實現(xiàn)無級調(diào)速。其他基本參數(shù)，如最大加工直徑2 500mm，刀架垂直/水平行程1 000mm/1 400mm等保持不變。

2.1 再制造方案擬定

a．主傳動變速檔由16級改造為4級，由手工變檔改造為無級調(diào)速，采用直流電機和英國歐陸590直流數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)。

b．主軸、右刀架和橫梁采用日本三菱FX2N-80MR PLC來控制，保證在數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障，左刀架不能進行數(shù)控加工時，機床能利用右刀架作常規(guī)加工。

c．左刀架的X軸和Z軸運動改為數(shù)控。將原來的T形絲杠替換為滾珠絲杠，以滿足較高精度零件加工要求。將左刀架原有的齒輪傳動系統(tǒng)改造為一對減速齒輪，X，Z軸伺服電機通過減速齒輪與絲桿相連以降低對驅(qū)動力矩的要求。

d．進給系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)。X軸和Z軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用SIIMODRIVE611UE雙軸驅(qū)動模塊和1FK7交流伺服電機，X軸和Z軸伺服電機均帶有內(nèi)裝式脈沖編碼器，采用半閉環(huán)控制。

e．保留原右刀架、橫梁和主軸的手動加工操作功能，右刀架留作常規(guī)加工或備用。

2.2 再制造方案實施

a．主傳動系統(tǒng)的改造。

C5225立車為大功率、大轉(zhuǎn)矩加工機床，若主軸采用交流變頻調(diào)速，為保證低速時的運行穩(wěn)定性和加工精度，需采用專用變頻電機和大功率變頻器。對于55kW的主軸控制采用交流變頻調(diào)速成本在7～8萬元，采用直流數(shù)字化調(diào)速成本在5萬元左右，再考慮到直流調(diào)速的優(yōu)點，本次改造選用直流電機和英國歐陸590直流數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)。

主軸電氣控制部分則是將原繼電器電氣控制系統(tǒng)改造為PLC控制，保留主軸的手動操作功能。在對主軸進行PLC改造的同時將橫梁和常規(guī)刀架進行PLC改造，采用日本三菱FX2N-80MR PLC來進行控制。這樣既可保證電動刀架正常工作，又可在數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，保證主軸正常工作，用常規(guī)刀架進行常規(guī)加工。

b．主軸脈沖發(fā)生器的安裝。

主軸脈沖發(fā)生器是為加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，微機從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準(zhǔn)確性。主軸脈沖發(fā)生器的安裝方式通常有2種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。經(jīng)濟型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計選用1 200線主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并選用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實現(xiàn)角位移傳遞的同時，能夠吸收車床的部分振動，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。主軸脈沖發(fā)生器的安裝實現(xiàn)了對C5225車床主傳動系統(tǒng)的半閉環(huán)控制。

c．進給系統(tǒng)的改造。

進給系統(tǒng)改造時采用保留一個傳統(tǒng)刀架，而對另一個刀架實現(xiàn)數(shù)控化再制造的方案，即在保留左滑座體、左刀架體和左滑枕的基礎(chǔ)上對左刀架作簡易數(shù)控化再制造，換裝電動刀架，將原來的T形絲杠替換為滾珠絲杠，將原有的齒輪傳動系統(tǒng)改造為一對減速齒輪，右刀架原機械結(jié)構(gòu)和操作功能保持不變。也就是拆除原機床進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光桿、操縱桿、齒條等，將伺服電機減速齒輪箱安裝在原機床的尾端，采用一級齒輪減速。將原來的T形絲杠替換為滾珠絲杠，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，如圖1所示。

圖1 改造后的C5225進給系統(tǒng)傳動簡圖

選用LD4-6163型四工位立式電動刀架替換原有的左刀架。該型號刀架采用蝸桿傳動、上下齒盤嚙合、螺桿夾緊的工作原理，具有轉(zhuǎn)位快、定位精度高、切向扭矩大的優(yōu)點。其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 LD4-6163電動刀架相關(guān)參數(shù)

選配SINUMERK 802D數(shù)控系統(tǒng)，模塊化的驅(qū)動裝置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服電機，為機床進給系統(tǒng)提供動力。通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化。數(shù)控系統(tǒng)的連接總圖如圖2所示，數(shù)控單元(PCU)中集成了人機界面、數(shù)控運算和可編程控制器，與之配套的有數(shù)控編程鍵盤、手輪、機床控制面板、數(shù)字量輸入輸出模塊及數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)。操作人員可以通過鍵盤、機床控制面板、通信接口，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制指令。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)雜的計算和處理，通過作為神經(jīng)中樞的現(xiàn)場總線，向數(shù)字量輸入輸出模塊發(fā)出邏輯控制指令，向伺服驅(qū)動器發(fā)出速度、位置以及軌跡控制指令，伺服驅(qū)動器控制伺服電機完成操作。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)連接總圖

d．安裝防護。

對C5225普通車床的數(shù)控化改造根據(jù)實際情況采取了相應(yīng)的防護措施，如滾珠絲杠副精度要求較高，工作時需防塵防灰，尤其不能讓金屬屑進入滾道，所以縱向絲杠安裝了防護罩。大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面貼了橡膠片，以防止雜質(zhì)進入滑動導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。此外還考慮了機床電氣柜安全防護和電磁干擾安全防護等安全防護措施。

3 C5225車床數(shù)控化再制造技術(shù)可行性評價

機床改造的技術(shù)可行性論證就是對機床改造在技術(shù)上是否能夠保障成功以及從改造后維護角度論證，具體從機床本身、加工對象的要求和市場可供性三方面進行分析。

a．機床本身。

能否進行機床數(shù)控化改造主要取決于機床本身的條件，如機床磨損程度、剛度等［3］。

這臺C5225車床是1995年5月出廠的，主要用于生產(chǎn)活動，機床本身磨損程度大。根據(jù)航天部機動設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本機床折合使用年限大于13年，機床幾何精度與原新機床相比差距較大。

普通機床機構(gòu)上有先天的不足：剛度較低、抗震性差、滑動摩擦阻力較大及傳動元件存在間隙等。如前文所述，改造中有目的地改進部分機械結(jié)構(gòu)，可以滿足數(shù)控機床最基本的要求。

b．加工對象分析。

機床的加工對象分析主要涉及被加工對象的幾何參數(shù)及公差要求。零件的幾何形狀決定了所選數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，公差范圍決定了數(shù)控系統(tǒng)的控制精度、脈沖當(dāng)量［3］。

改造后的數(shù)控車床，其加工范圍為車臺肩、外圓、內(nèi)孔、螺紋、錐形體、球體，切槽，切斷等及加工帶有復(fù)雜型面的卡盤類零件。加工精度要求小于0．01mm，現(xiàn)在市場上出售的一般經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)其脈沖當(dāng)量為0．005～0．01mm，能夠滿足上述型面的加工要求，在技術(shù)上是可行的。

c．市場可供性。

所謂市場可供性就是研究市場是否能夠方便及時地提供改造用的各種配件，以保證配件的供應(yīng)［3］。機床的數(shù)控化改造計劃實施應(yīng)有本地區(qū)機電一體化供應(yīng)的基本條件，這樣不僅改造周期短，而且有利于保證維修及技術(shù)咨詢服務(wù)。就C5225改造而言，市場上已建立了一套機電一體化配套產(chǎn)品代理機構(gòu)，市場可供性好。

綜上所述，對C5225車床進行數(shù)控化再制造符合技術(shù)可行性的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述再制造方案改造的C5225車床已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。通過再制造提高了機床的自動化性能，擴展了機床的功能，解決了機床元器件難以配置，經(jīng)常停機并且精度下降的問題。由于機床數(shù)控化改造后，具有加工對象適應(yīng)性強、精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的特點，并能實現(xiàn)復(fù)雜零件的加工，有利于實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)管理。同時由于數(shù)控機床的高效率，可減少設(shè)備數(shù)量，從而既能減少生產(chǎn)所需的廠房面積，又能減少設(shè)備維修保養(yǎng)的經(jīng)費。因此C5225車床經(jīng)數(shù)控化再制造后可以獲得明顯的經(jīng)濟效益。

［1］ 張海秀，劉曉敘．機床產(chǎn)品綠色度的評價體系［J］．機械制造與自動化，2007，36(6)：14-16．

［2］ 劉志峰，許永華，劉學(xué)平．綠色產(chǎn)品評價方法研究［J］．中國機械工程，2009(9)：968-971．

［3］ 張曙．綠色生態(tài)機床和綠色制造［J］．現(xiàn)代零部件，2009(5)：46-49．