机床的数字化改造

机床数控系统专题机氚的数字世改造周宜汪伟明(上海电气数控技术应用中心,200023)【摘要】我国现有的大量传统机床已无法满足现代制造业的要求,全部更新为新型数控机床又不太现实。因此,对这些机床进行教字化改造是一种切实可行的方法。机床数字化改造包括更換机械部件、增加传感器和检测裝置、釆用数字化交直流传动装置、选用数控系统和增加联网通信功能等方面。对机床进行数字化改造具有投资少、交货期短、机械性能稳定可靠、便于操作维修、充分利用现有条件、可采用最新的控制技术等优点。最后,列举了几个典型的改造实例。关键词机床机电一体化技术改造综述制造技术的竞争是世界经济竞争的主要内容之必须大力提高机床的数控化率。高科技的制造技术已发展成为当今国际科技竞用数字技术改造传统产品,在机械装备中广泛争的重点。应用数控技术,提升传统机械的技术能级,使之数字当前机床工业发展的重点以机床数字化为目化、智能化。这是机械装备业技术发展的方向,也是标发展快速高效高精度的数控机床和加工中心,使我国机械装备业能赢得国际市场竞争的基本条先进的数控技术是制造业实现自动化、柔性化集成件。化网络化数字化的关键。数控设备作为一种高精2机床数字化改造的实施度、高效率、高科技先进装备,在装备制造行业的生产活动中正在发挥越来越重要的作用2.1改造不适应要求的机械部件些进口的数控机床或是二手进口机床,由于1机床数字化改造发展现状长期工作,主传动系统、进给系统液压系统润滑系在美国、日本、德国等发达国家,用数控技术改统、旋转工作台、刀库、换刀机械手等部件磨损。改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和造时应对机床各部件仔细检查,确认设备的磨损状生产线数控改造的新兴行业。态和老化程度,确定目前机床的精度,机械传动链的目前我国役龄10年以上的机床占60%左右;状况,丝杠、导轨的状况,有无重大故障等,以决定机10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20%,采床是进行大修还是项修。用柔性制造设备的自动化生产线更是屈指可数,而目前还有大量的各种类型普通机床,为了适应美国和日本等国家的自动和半自动机床占60%以产品的升级换代需要改造为数控机床。改造机械上(柔性制造设备是以数控机床作为基本加工设部件前,应对机床进行结构、性能、精度等技术现状备,配有物料自动输送和存储系统,由计算机控制各的全面分析确定改造目标、用途,考虑机械改装的部分运行,实现加工过程自动化的制造设备。只需可行性。包括机床原来的结构设计是否合理,机床改变有关软件和少量工夹具,便可实现对一定范围的基础部件和结构件是否仍然完好,各坐标轴的机内不同品种工件的加工。编者注)。可见,我械传动结构及导轨副的形式是否适用(最重要的是国制造业生产加工装备绝大多数仍旧在使用传统导轨的形式及滚珠丝杠的安装),机械传动机构的机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量传动问中国煤化工机床的要求等。差、品种少、档次低成本高供货期长等问题,从而2.2CNMHG传感器和测量装在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场效益影响企业的生存和发展。因此数控机床位置传感器的作用是检测位移和速定世界(2008-8)393机床数控系统专题度,发送反馈信号,构成闭环控制。位置传感器有感是用于最多四个伺服轴数控机床的高性价比数控系应同步器、旋转变压器、编码器、光栅尺、磁栅尺等类统。 SIEMENS公司的810D、840D、840C系统和型。目前的数控系统常用编码器、直线光栅尺作为 FANUC公司的18、16系统是应用于高端设备的高位置传感器。性能数控系统。上海电气集团中央研究院研发的数字化测量方式有伺服电动机内装编码器的半SE303系统,是新一代开放式数控系统。闭环测量方式,及外装数字式测量器件的全闭环测2.5应用新技术提升机床的功能量方式。外装数字式测量器件需要考虑弹性联轴对于现代制造工厂来说除了要提高机床的数节、安装卡子、电缆走线方向及长度等问題,如直线控化率之外还要使所拥有的数控机床具有双向高光栅尺还需考虑定尺、动尺的安装基础配合、安装精速的联网通信功能,以保证信息流在车间数控机床度、温度等影响。其他类型传感器可釆用新型总线之间及车间数控机床与监控、编程中心之间通信畅连接的测量装置,这些新开发的接口装置可以很方通无阻便地将传感器与数控系统连接起来。监控中心可同时对不同点的机床进行实时监2.3采用先进的数字化交直流传动装置测,发现故障隐患,及时传递给维修人员。编程中心进给驱动装置和主轴驱动装置是数控机床的重可对每台机床传输零件程序,实现网络化管理。制要组成部分。驱动装置向数字化方向发展是为了适造信息(输入输出信号)全部实现数字化通过网应高速、高精度机械加工的需要。络的传输可以完成整个CAD/CAM数控加工过程。进给交流伺服装置中的电流环速度环、位置环如产品CAD数据经过模拟运行后即可直接传送给的反馈控制全部数字化装置的控制模型和动态补数控机床完成加工偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理,机床网络化管理系统示意图如图1所示。采用前馈与反馈结合的复合控制实现高精度和高速车间上位机度主轴驱动装置的数字化使主轴控制性能达到最佳化,速度调节更加稳定,在断续负载下电动机转速通信总线波动小,并提高了主轴定位控制时系统的刚性和精度。智能化数控系统的主轴交流驱动和进给伺服装置能自动识别负载,并自动优化参数调整提高了驱动性能减少了调试时间。24选用合适的数控系统数控系统有开环控制、半闭环控制和全闭环控车间加工机床制。根据机床类型有高性价比的二轴控制的车床数车间加工机床控系统和三轴控制的镗铣床数控系统,也有用于带图1机床网络化管理系统示意图刀库的车削加工中心、复杂的多轴联动加工中心的高性能数控系统。新技术的不断开发应用,使得数3数控化改造的优点控系统在控制性能上向智能化发展,现在数控系统3.1投资少、交货期短具有自动编程、前馈控制、模糊控制、自适应控制、刀数控机床设备通常都由机械系统液压系统、电具补偿等功能;而且人机界面友好,具有PC逻辑气控制系统及测量系统等组成。其中电气控制系统图显示智能故障診断、智能故障监控等更完善功的寿命大大短于机械与液压系统,一些机床的工艺能及材料较好,使得部分机床设备在使用了二三十年可根据机床的具体功能要求选择相应的数控系后,V中国煤化工。从价值角度来统。在国内市场占有率较高的数控系统有SIE-说CNMHG大于电气控制系MENS、 FANUC等进口品牌。 SIEMENS公司的统。因此,花少量的投资利用最新电气控制系统对802S、802C、802D系统和 FANUC公司的021系统,旧设备或二手设备进行电气系统改造,一方面可提定世界(2008-8)机床数控系统专题高原机床的功能与技术水平,另一方面可提高机床4.1用 SIEMENS810M840D改造CBFK130/2加工精度、可靠性和可维修性,使机床获得再生。从加工中心而提高企业产品质量,降低成本,增强企业参与市场甘肃省某厂于1993年引进了德国UNON公司竞争的能力CBFK130/2加工中心。该设备属大中型加工中心同购置新机床相比,采用改造方法的成本将大伺服轴加工范围X轴为2000mm,Y轴为1250大降低,一般可节省60%~80%的费用,交货期也mm,Z轴为800mm,W轴为400m,B轴为360°旋可大大缩短。特别是对于大型机床,其改造费用只转工作台。X、Y、Z轴由3台36N·m交流伺服电是新机床购置费用的30%左右。但有些特殊情况,动机驱动W、B轴由2台18N·m的交流伺服电动如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装,由于机驱动。主轴采用了ABB400直流调速装置进行控这些装置过于费工费钱往往改造成本会提高2~制。刀库容量为60把刀,由液压马达控制机械装置3倍,与购置新机床相比,只能节省投资费用50%左自动换刀。该设备由于电气和机械安装调试不当等右原因致使机床一直未能正常使用。3.2机械性能稳定可靠该厂199年委托我中心用 SIEMENS810数控所利用的原机床床身、立柱等基础件都是重而系统进行电气改造。当时国内一共引进了4台坚固的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机CBFK130/2加工中心,另1台江苏省某厂的加工中床性能好质量高,可以作为新设备继续使用多年。心也于2004年底由我中心用 SIEMENS840D改造但是受到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改成功。目前这2台设备都运行良好,达到加工精度造要求。3.3熟悉了解设备、便于操作维修4.2用 SIEMENS840D改造龙门铣床购买的新设备,由于不熟悉,所以需要重新学某单位F4000-12龙门铣床是20世纪70年习、适应后,才能使用,而且是否能满足加工要求也代末从德国引进的大型普通机床,可加工上百吨的不一定清楚。大型构件,当时主要用于生产大型船用柴油发动机改造的设备则不然,可以精确地计算出机床的箱体。该机床只完成能铣平面斜面、镗孔等简单操加工能力;另外,由于多年使用操作者对机床的特作已无法满足当今复杂零部件的加工要求;且机床性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短、见经多年运行,电气设备老化严重,故障不断。因此,效快。改造的机床安装完毕后,就可以实现全负荷决定对该机床进行数控改造,以适应发展生产的需运转。要34可充分利用现有的条件FZ4000-12龙门铣床工作台面宽4m、长12可以充分利用现有地基,不需要像购入新设备m。X轴导轨长26m、Y轴导轨长6m、Z轴导轨长1时那样重新构筑地基。m。横梁W轴可上下升降4.5m。机床主轴直流电3.5可以采用最新的控制技术动机功率80kW,横梁直流电动机功率20kW。用可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产于润滑、液压、回流油输送、轴夹紧、通风、刀具装卸设备的自动化水平和效率等交流电动机26台。Y、Z轴为滚珠丝杆传动精度较高。丝杆到电动机之间有减速齿轮箱。经检测4数控改造几个实例齿轮间隙较大,由此原因引起的轴反向运转间隙有上海电气数控技术应用中心专门从事各类进口0.5mm,如不修正将影响加工精度。Y、Z轴导轨有和国产大型机床电控装置的改造、配套及相应的研液压夹紧装置,当铣切加工时,夹紧不移动的加工制工作。自20世纪90年代开始,充分运用当今最轴防止轴走动影响加工。X轴为静压导轨,蜗轮副先进的数控系统、直流传动数显、可编程序控制器,传动。已成功改造各类大型机床(如:加工中心、镗铣床、中国煤化工机床机械结构作立车、龙门铣、滚齿机、卧车、龙门刨)以及各类专用大改CNMHG部分预算约200机床数百台。万元),二是改动后双果个确足。因此经多次调研现列举几个典型改造实例如下。后决定采用机械调整配合电气改造的方式,以达到世零(2008-8)395机床数控系统专题见效快费用低的目的。机床设计为龙门式结构,龙门架宽6m,龙门架为了使改造的机床性能较优,电气上废除原机由2台伺服电动机驱动机械为无隙双齿轮、直线滚床所有的控制装置选用先进的 SIEMENS840D数珠导轨传动结构。龙门架上有4台可以上下左右移控系统和数字式交流伺服驱动装置,X轴为140N动的钻机机械传动为滚珠丝杆结构,共用10台伺m伺服电动机、Y轴为36N·m伺服电动机、Z轴服电动机,4台主轴电动机。分别为龙门架前后移为18N·m伺服电动机。保留主轴、横梁W轴升降动的X轴位置检测为2套光栅尺全闭环;龙门架直流电动机,采用 SIEMENS S7-300 PLC D/A(数上钻机左右移动的Y、A、B、C四个Y方向轴位置模转换)模块输出指令值,2套欧陆590直流调速装检测为共用1套光栅尺全闭环;龙门架上钻机上下置驱动。保留用于液压、润滑、电气辅助控制等用移动的Z、U、V、W四个Z方向轴位置检测均为电途的26台交流电动机,并作必要的整修。动机编码器半闭环,以及S1,S2、S3S4四个主轴。机床控制程序编制及机床电气参数设置兼顾配原机床电气柜安装在龙门架上,机床长期运行合机械调整。机械上调整滚珠丝杆副配合调整齿产生震动影响正常工作改造方案将电气控制柜移轮间隙,将间隙反向间隙减小至可用电气补偿的范到机床外。选用了当时非常先进的美国AB公司围内。由于数控机床加工工件需要三轴联动故废除9290数控系统这也是该数控系统国内首次引进使原轴夹紧功能,重新设计、制作一套液压装置使Y、用。Z轴导轨始终工作于预夹紧状态,导轨面间即无间美国AB公司92090数控系统为双32位CPU隙,又能正常运动,保证加工精度。X轴的静压经整运行速度快,主机与高密度LO模块、机床控制面修使工作台面正常浮起,蜗轮传动副调整至电气补板、外部手轮等部件用光缆通信。光缆通信布线简偿范围内。编写报警文本,对ⅹ轴静压16个点、液单通信速度快,通信距离长,抗干扰能力强。X轴压站12个点及限位、液压、油位等几十个接近开关为双伺服电动机同步平衡驱动,系统实时检测2个进行实时检测,故障点以文字形式显示在屏幕上维闭环光栅尺位置值及时修正出现的偏差保护机床修人员根据提示及时修理,使机床能保持正常工作龙门架不产生扭曲。10个伺服轴及主轴可同时运状态行,根据加工程序指令互相协调工作。改造完成后机床运行良好,零件的加工速度、5结语精度等方面都有了很大的提高。4.3用AB9290数控系统改造四轴数控机床考虑到我国装备制造业机强电弱加工机械的某厂一台英国制造的四轴数控机床为二手设机械部分寿命远长于电气部分寿命等因素利用先备,主要用于发电设备大中型冷却塔的多层隔板钻进的数控系统对老式进口机床或国产普通机床进行孔(每块隔板要钻上万个孔,上万根水管穿过每块数字化改造是一种切实可行的方法,可达到减少投隔板组成一个冷却塔),对钻孔的位置精度要求相资加快进度、保障服务的目的使这些老式机床满当高。当时设备引进安装后由于数控装置故障多,足先进加工工艺和加工精度的要求。不能正常运行,决定进行数控电气改造。(2080326收到稿件)(编抨志皓)十:闽耀通用导电(力合國国圖沉爵导电膏是国家规范要求在母排搭接面使用的新材料,可替代导电连接接触面传统处理工艺和过渡接头。阀耀通用导各种干式变压器(1~600kⅤA)电膏工艺简单,使用方便,耐温抗搴,无污染,寿命长,是电气设备安全运行的保护神。各种环氧变压器(30~1600kVA)燥太头题3各种平次/遗线电抗器(5-2000止导电接头烧损、腐蚀降温升(可降25%-75%)●本企业通过O900认诬,被批准为“全国电网建设与改造各种空范/滤波电抗器所需产品选型选厂推介企业”,分别获省、市级“安全、质量三优企业”和”守合同重香信用单位”等荣誉中国煤化业有限公司CNMH传真e420472电话:(经囊)0591-8731东路1652号网址:www亿my.com中文域名:导电膏cn(导电膏/ww, Long4|396定世零(2008-8)