旧机床数控化再制造案例研究.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 3卷 第 1期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e r i n g J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 43 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 2 旧机床数控化再 制造案例研 究 苏 纯 一 ， 陈志伟 ， 崔鹏飞 ， 赵剑 、 1 ． 常州工学院 江苏省数字化电化学加工重点建设实验室， 江苏 常州2 1 3 0 0 2 2 ． 江苏大学 机械工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 摘要 从再制造和绿 色度的概念出发 ， 介绍 了机床数控化再制造的一般方法。详 细阐述 了 C 5 2 2 5 立式车床数控化再制造的方案， 包括采用电主轴、 更换 电动 刀架、 选配数控 系统、 实现半闭环伺服 驱动等。对案例进行 了技术可行性分析 ， 得 出了数控化再制造可行的结论。 关键词 机床数控化 ； 再制造 ； 立式车床 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 0 1 0 0 4 6 0 4 机床再制造是一种基于废 旧机床循环利用的 机床制造模式 。它充分利用先进制造技术 、 信息技 术 、 数控及 自动化技术等高新技术对废 旧机床进行 可再制造性评估 、 拆卸以及创新性再设计、 再制造 、 再装配 ， 从而制造 出功能和性能均得到恢 复、 提升 且节能环保的新机床。绿色再制造技术采用的先 进成形技术包括高新表面工程技术 、 数控化改造技 术 、 快速成形技术及其他加工技术 。在机床再制造 领域内， 为了恢复机床的精度、 性能 ， 提高 自动化能 力、 产品质量和生产力水平等， 采用最为普遍的是 数控化改造技术。 产 品的绿色度是指产 品符合绿色产品要求的 程度。产品的绿色度有狭义和广义两方面的含义 ， 其 中狭义的产品绿色度是指产品对 自然环境和人 类 的友好程度 ； 而广义的产品绿色度是指产品的环 境性 、 经济性和技术性 的综合最优的组合。机电产 品的绿色度指的是广义的产 品绿色度 ， 其绿色度体 现在产品生命周期 的全过程 J 。机 电产品的绿色 度评价是对产品的环境性 、 经济性和技术性 的综合 评价 ， 是面 向产品整个生命周期的一个多层次 、 多 因素的评价 问题 ， 也 可说是指产 品整个 生命周 期 中对资源和能源的输入量、 对环境的输出量以及 这些输入输 出对环境 的友好程度 的综合指标 的评 价 。 旧机床的数控化再制造可以提高机床精度 、 延 长机床寿命 ， 如对其进行绿色度评价， 那么产 品的 环境性和经济性达标是毋庸置疑的， 因而其技术可 行性就成为检验改造方案是否可行的关键指标 。 1 机床数控化再制造的内容 1 ． 1 精度恢复和机械传动部分的改进 随着机床使用役龄的增加 ， 机床 的机械传动部 件 ， 如导轨、 丝杠 、 轴承等都有不同程度的磨损 。机 床数控化再制造过程 中的首要任务是对 旧机床进 行类似于通常机床大修的修整， 以恢复机床精度， 达到新机床的性能指标。因此 ， 机床数控化再制造 可以结合机床 的大修来进行。但机床数控化对机 床精度的要求与普通机床的大修是有区别的， 即整 个机床精度的恢复与机械传动部分 的改进 ， 都要为 满足数控机床 的结构特点和数控 自动加工的要求 来进行 ， 并应具有批量大修 的特征 ， 通常采用纳米 表面技术、 复表面技术和其他表面工程技术 如模 具修复技 术、 高强度纳米修补技术等 ， 修 复与强 化机床导轨 、 溜板、 尾座等磨损、 划伤表面 ， 并提高 其尺寸 、 形状和位置精度。机床的润滑系统及动配 合部位采用纳米润滑添加剂和纳米润滑脂 、 纳米 固 体润滑干膜等材料 ， 可 以进一步提高机床的性能。 1 ． 2选定数 控 系统和 伺服 系统 由于数控系统是整个数控机床的指挥 中心 ， 因 此数控系统的选择对改造后 的机床性 能是至关重 要 的， 在选择时除了考虑各项 功能满足要求外 ， 还 一 定要确保系统工作可靠性。 一般以性能价格比 收稿 日期 2 0 1 3一l 0 3 1 基金项目 江苏省高校 自然科学研究项 目 1 1 K J D 4 6 0 0 0 2 ； 常州工学 院大学生创新训练项 目 J 1 2 0 7 0 8 作者简 介 苏纯 1 9 7 2 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 常州工学院副教授 ， 江苏 大学博士研究生 ， 主要研究方向为先进制造技术 、 C A D ／ C A M。 46 2 0 1 4年第 1 期 苏纯 旧机床数控化再制造案例研究 来选取 ， 并适 当考虑售后服务和故障维修等有关情 况。如选用企业 内已有数控机床 中相 同型号的数 控系统 ， 将对今后操作 、 编程 、 维修等都带来较大的 方便 。伺服驱动系统的选取也按再制造数控机床 的性能要求决定 。若 采用同一家公 司配套供应 的 数控系统和伺服驱动系统 ， 再制造产品的质量和维 修更容易得到保证 。 1 ． 3数控机床辅助装置的选择 在机床数控化再制造过程中， 要根据机床的控 制功能选取辅助装置。如选取 四方或六角电动换 刀架来实现刀具 自动转换功能 ， 刀位数的选择主要 由被加工工件 的工艺要求决定 。由于大部分数控 机床的辅助装置 目前在 国内已有不少生产厂家配 套供应 ， 所 以选取后 即可按其产品说明书在机床相 应位置上进行安装 、 调整。 1 ． 4 电控 柜 的设计 和 制作 由于普通机床的电器控制功能要求与数控机 床不一样 ， 所 以在对 旧机床 进行机床数控 再制造 时 ， 原机床 的电器控制部分一般 只能报废 ， 重新按 数控化再制造要求进行设计制作。强电控制部分 的线路设计 ， 主要根据数控系统输入 、 输 出接 口的 功能和控制要求来进行 。当控制功能较复杂时， 为 简化强电控制部分的电气线路 ， 需要配置可编程序 控制器 P L C 。数控机床 的强 电控制部分设计时 要特别注意的是数控 系统各接 口信号的特点和形 式要相配 ， 并且在设计过程中应尽量简化强电控制 线路。 1 ． 5整机 连接 调试 旧机床上述各个部件的再制造过程完成后 ， 就 可以对组装 的再制造机床各个部件进行调试 。一 般先对 电气控制部分进行调试 ， 看单个动作是否正 常， 然后再进入联机调试阶段 。 机床数控化 再制造有 多种方案 ， 机床类 型不 同， 再制造 的内容也不 同， 所 以机床再制造 的内容 并非一成不变 ， 而要根据实 际情况选用合适 的方 式 。 2 C 5 2 2 5车床数控化再制造实例 C 5 2 2 5机床是万能型双立柱立式车床 ， 可以车 削圆柱、 圆锥和平面 ， 镗 圆柱与圆锥孔 ， 用于铸铁 、 钢及有色金属零件的粗精加工 。机床操纵 皆集 中 在悬挂操纵箱上进行。虽然该机床 1 9 9 5年就出厂 使用至今 ， 但机床 的基础件基本未受损 ， 几何精度 虽 已下降但仍在可修 复范围内， 通 过修复和保养 ， 其基本性能可达到现代同类机床的机械水平 ， 所 以 实施机床数控化再制造 的机械条件和适用性是相 当的好。 改造前刀架移动速度为 2 5 0 0 mm ／ m i n ， 改造后 要求最快移动速度 6 0 0 0 mm ／ mi n ， 最终可实现 0～ 6 O 0 0 m m ／ mi n无级调速 ； 改造前主传动为有极调速 1 6级 ， 改造后要求变速档为 4级 ， 最终可实现无级 调速。其他基本参数 ， 如最大加工直径 2 5 0 0 m m， 刀架垂直／ 水平行程 1 0 0 0 mm ／ 1 4 0 0 mm等保持 不 变。 2 ． 1 再 制造 方案拟 定 a ． 主传动变速档 由 1 6级改造为 4级 ， 由手工 变档改造为无级调 速 ， 采用直 流 电机和英 国欧陆 5 9 0直流数字化调速系统。 b ． 主轴 、 右刀架和横梁采用 日本三菱 F X 2 N一 8 0 MR P L C来控制， 保证在数控系统发生故障 ， 左 刀架不能进行数控加工时 ， 机床能利用右刀架作常 规加工。 c ． 左刀架 的 轴和 z轴运动改为数控。 将原来 的 T形丝杠替换为滚珠丝杠 ， 以满足较高精度零件 加工要求。 将左刀架原有 的齿轮传动系统改造为一 对减速齿轮， ， z轴伺服电机通过减速齿轮与丝杆 相连以降低对驱动力矩的要求 。 d ． 进给 系统采用西 门子 S I N U ME R I K 8 0 2 D数 控系统。 轴 和 z轴伺 服驱 动 系统采 用 S I I MO ． D R I V E 6 1 1 U E双轴驱 动模块 和 1 F K 7交 流伺服 电 机 ， 轴和 z轴伺服电机均带有 内装式脉冲编码 器 ， 采用半闭环控制 。 e ． 保 留原右刀架 、 横梁和主轴的手动加工操作 功能 ， 右刀架留作常规加工或备用 。 2 ． 2再制 造 方案 实施 a ． 主传动系统的改造。 C 5 2 2 5立车为大 功率 、 大转矩加工机床 ， 若 主 轴采用交流变频调速 ， 为保证低速时的运行稳定性 和加工精度 ， 需采用专用变频 电机和大功率变 频 器 。对于 5 5 k W 的主轴控制采用交流变频调速 成 本在 7～8万元 ， 采用直流数字化调速成本在 5万 元左右 ， 再考虑到直流调速的优点 ， 本次改造选用 直流电机和英 国欧陆 5 9 0直流数字化调速系统 。 主轴 电气控制部分则是将原继电器电气控制 系统改造为 P L C控制 ， 保留主轴 的手动操作功能 。 在对主轴进行 P L C改造 的同时将横梁和常规刀架 进行 P L C改造， 采用 日本三菱 F X 2 N一 8 0 M R P L C 来进行控制。这样既可保证电动刀架正常工作 ， 又 47 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 可在数控系统发生故障时， 保证主轴正常工作， 用 常规刀架进行常规加工。 b ． 主轴脉冲发生器 的安装。 主轴脉冲发生器是为加工螺纹而安装的主轴 检测装置 ， 微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相 应的脉冲数 ， 使主轴旋转角度与进给量保持一定关 系 ， 确保螺距的准确性。主轴脉冲发生器 的安装方 式通常有 2种 一种是同轴安装 ， 另一种是异轴安 装。经济型数控改造多采用同轴安装。本设计 选 用 1 2 0 0线主轴脉冲发生器 ， 采用同轴安装方式并 选用波纹管与主轴柔性连接 ， 该连接方式在实现角 位移传递的同时， 能够吸收车床的部分振动 ， 从而 使脉冲发生器平稳转动。主轴脉冲发生器 的安装 实现了对 C 5 2 2 5车床主传动系统的半闭环控制。 c ． 进给系统的改造 。 进给系统改造时采用保留一个传统刀架， 而对 另一个刀架实现数控化再制造的方案， 即在保留左 滑座体 、 左刀架体和左滑枕的基础上对左刀架作简 易数控化再制造， 换装电动刀架 ， 将原来的 T形丝 一 对减速齿轮， 右刀架原机械结构和操作功能保持 不变。也就是拆除原机床进给箱 、 溜板箱 、 滑动丝 杠 、 光杆、 操纵杆 、 齿条等 ， 将伺服 电机减速齿轮箱 安装在原机床的尾端 ， 采用一级齿轮减速。将原来 的 T形丝杠替换 为滚珠 丝杠 ， 滚珠丝杠仍 安装在 原丝杠 的位置 ， 如图 1所示 。 齿轮 l 齿轮2 伺服 电机 齿轮 1 齿轮2 刀架 伺服电机 垂直 向滚珠丝杠 水 平向滚珠丝杠 工 件 工作台 图 1 改造后 的 C 5 2 2 5进 给 系统传动 简图 选用 L D 4 6 1 6 3型四工位立式电动刀架替换原 有的左刀架。该型号刀架采用蜗杆传动、 上下齿盘 啮合、 螺杆夹紧的工作原理 ， 具有转位快 、 定位精度 高、 切向扭矩大的优点。其相关技术参数见表 1 。 杠替换为滚珠丝杠 ， 将原有的齿轮传动系统改造为 表1 L D 4 6 1 6 3电动刀架相关参数 选配 S I N U ME R K 8 0 2 D数控系统 ， 模块化的驱 动装置 S I MO D R I V E 6 1 1 U e配套 1 F K 6系列伺服 电 机 ， 为机床进给系统提供动力 。通过视窗化的调试 工具软件 ， 可以便捷地设 置驱动参数 ， 并对驱动器 的控制参数进 行动态优化 。数控系统 的连接总图 如图 2所示 ， 数控单元 P C U 中集成了人机界面 、 数控运算和可编程控制器 ， 与之配套 的有数控编程 键盘 、 手轮、 机床控制面板 、 数字量输入输 出模块及 数字式伺服驱动系统 。操作人员可 以通过键盘、 机 床控制面板、 通信接口， 向数控系统发出控制指令。 48 图2数控 系统连接 总图 2 0 1 4年第 1 期 苏纯 旧机床数控化再制造案例研究 数控系统经过复杂 的计算和处理 ， 通过作为神经中 枢的现场总线 ， 向数字量输入输出模块发出逻辑控 制指令， 向伺服驱动器发出速度、 位置以及轨迹控 制指令 ， 伺服驱动器控制伺服电机完成操作。 d ． 安装防护 。 对 C 5 2 2 5普通车床 的数控化改造根据实 际情 况采取 了相应的防护措施 ， 如滚珠丝杠副精度要求 较高 ， 工作时需防尘防灰 ， 尤其不能让金属屑进人 滚道 ， 所 以纵向丝杠安装 了防护罩 。大托板与导轨 接触的两端面贴 了橡胶片， 以防止杂质进入滑动导 轨面损伤导轨。此外还考虑了机床电气柜安全防 护和电磁干扰安全防护等安全防护措施 。 3 C 5 2 2 5车床数控化再制造技术可行性评价 机床改造的技术可行性论证就是对机床改造 在技术上是否能够保障成功以及从改造后维护角 度论证 ， 具体从机床本身 、 加工对象 的要求和市场 可供性三方面进行分析。 a ． 机床 本身 。 能否进行机床数控化改造主要取决于机床本 身的条件 ， 如机床磨损程度 、 刚度等 j 。 这台 C 5 2 2 5车床是 1 9 9 5年 5月 出厂 的， 主要 用于生产活动 ， 机床本身磨损程度大 。根据航天部 机动设备完好标准规定， 本机床折合使用年限大于 1 3年 ， 机床几何精度与原新机床相比差距较大。 普通机床机构上有先天的不足 刚度较低 、 抗 震性差 、 滑动摩擦 阻力 较大及传 动元 件存在 间隙 等。如前文所述 ， 改造 中有 目的地改进部分机械结 构 ， 可以满足数控机床最基本的要求 。 b ． 加工对象分析。 机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的 几何参数及公差要求 。零件 的几何形状决定了所 选数控系统应具备的功能， 公差范围决定了数控系 统的控制精度、 脉冲当量 J 。 改造后的数控车床 ， 其加工范围为车台肩 、 外 圆 、 内孔 、 螺纹 、 锥形体 、 球体 ， 切槽 ， 切 断等及加工 带有复杂型面 的卡盘类零件 。加工精度要求小于 0 ． 0 1 mm， 现在市场上 出售 的一般经济型数控系统 其脉冲当量为 0 ． 0 0 50 ． 0 1 m m， 能够满足上述 型 面的加工要求， 在技术上是可行的。 c ． 市场可供性 。 所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便 及时地提供改造用 的各种 配件 ， 以保 证配件 的供 应 J 。机床的数控化改造计划实施应有本地 区机 电一体化供应的基本条件 ， 这样不仅改造周期短 ， 而且有利于保证维修及 技术 咨询服务 。就 C 5 2 2 5 改造而言， 市场上 已建立了一套机电一体化配套产 品代理机构 ， 市场可供性好 。 综上所述 ， 对 C 5 2 2 5车床进 行数控化 再制造 符合技术可行性的要求。 4结束语 根据上述再制造方案改造的 C 5 2 2 5车床 已在 生产 中得到应用 。通过再制造提高 了机床 的 自动 化性能 ， 扩展 了机床 的功能 ， 解决 了机床元器件难 以配置 ， 经常停机并且精度下降的问题。由于机床 数控化改造后 ， 具有加工对象适应性强、 精度高 、 质 量稳定 、 生产效率高 的特点 ， 并能实现复杂零件的 加工 ， 有利于实现现代化生产管理。同时由于数控 机床的高效率 ， 可减少设备数量， 从而既能减少生 产所需的厂房面积 ， 又 能减少设备维修保 养 的经 费。因此 C 5 2 2 5车床经数控化再制造后 可以获得 明显的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 张海 秀， 刘 晓叙．机床产 品绿色度 的评价体系 [ J ] ． 机 械制造 与 自动化 ， 2 0 0 7， 3 6 6 l 41 6 ． [ 2 ] 刘志峰 ， 许永华 ， 刘学平．绿色产 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i c t o o l r e s t ，t h e s e l e c t i o n o f NC s y s t e m ， a n d s e mi c l o s e d l o o p s e r v o d ri v e ．T h e C NC r e ma n u f a c t u r i n g i s p r o v e d t o b e f e a s i b l e i n t h e t e c h - n i c a l a s p e c t b a s e d o n t h e t r a n s f o r ma t i o n o f l a t h e C 5 2 2 5 ． Ke y wo r d s CNC for Ma c h i n i n g To o l s；Re ma n u f a c t ur i n g；Ve r t i c a l L a t h e 49