数控锻压机床加工曲线精度可靠性试验研究.pdf

技术与机床 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 2 6 数控锻压机床加工曲线精度可靠性试验研究半 刘天祥 ，陈文戈 ，杨永权 ，阮卫平 1 ． 广东工业大学机电工程学院， 广东广州 5 1 0 0 0 6 ；2 ． 广东锻压机床厂有限公司，广东广州 5 1 0 0 0 6 摘要对新研制的G P 2 S 一 3 0 0 型数控锻压机进行了数控系统可靠性试验，检验不同加工模式下的可靠性 ，并针对加工曲线精度 检测出现的故障进行可靠性改进，达到了设计 目 标，为类似设备的研制提供参考。 关键词 锻压机；加工曲线；定位精度；可靠性 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 5 0 90 0 9 40 4 Re s e a r c h o f Re l i a b i l i t y Te s t i n t h e Cu r v e M a c h i n i n g Ac c u r a c y o f CNC Fo r g i ng M a c h i ne L I U T i a n - x i a n g ，C HE N W e n - g e 。 ，YANG Yo n g - q u a n ，RUAN We i p i n g 2 1 ．S c h o o l o f E | e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ； 2 ． G u a n g d o n g Me t a l F o r mi n g Ma c h i n e Wo r k s C o ． ，L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s pa g e s t u d y t h e CNC s y s t e m r e l i a b i l i t y t e s t b a s e o n t h e GP 2 S 一3 0 0，a n d e x a mi n e d t h e r e l i abi l i t y i n d i ff e r e n t p r o c e s s i n g mo d e ． Ai mi n g a t t h e ma l f u n c t i o n s i n t h e c u r v e pr e c i s i o n d e t e c t i o n， t h e t e s t c a l l i mp r o v e t h e l e v e l o f r e l i a b i l i t y ． F i n a l l y r e a c h i n g t h e d e s i g n t a r g e t ，i t p r o v i d e s a r e f e ren c e f o r t h e d e v e l o p me nt o f t h e s i mi l a r e qu i p me n t ． Ke y wo r d s f o r g i n g p r e s s ；ma c h i n i n g c u i v e；p o s i t i o n a l a c c u r a c y；r e l i ab i l i t y 0引言 数控机床是制造业的基础装备，作为数控机 床的关键部分，数控系统对机床的整体性能起着 关键作用 。随着计算机技术的不断进步 ，软件的 规模不断扩大，层次更加复杂，硬件占有的比重 相对降低 ，从 而系统的并发性不断增强 ，软件故 障成为了导致数控 系统故 障的重要原 因。与国外 产品相比，国产数控系统的功能和精度水平提升 明显，但在可靠性方面尚有较大的差距u 。我国部 分数控系统还依赖于国外技术，特别对于较新型 的机床，由于缺乏相关经验，加上软件可靠性试 验周期较长 ，数控机床的可靠性不能引起国内厂 家足够重视。 数控系统作为各类数控机床的控制中枢，其 结构主要包括控制系统、伺服系统和位置测量系 统三大部分。在对某型锻压机床可靠性研制试验 研究中，本文针对该型数控系统软件可靠性精 度 ，进行 专门的试验研究 ，保证 了设计 目的的实 现，提高了该机床的精度可靠性，减少试验时间。 1 试 验技术要 求 1 ． 1 机床简介和试验项 目分析 该型数控锻压机主体部分 由两台伺服电机分 别 驱动 同步 带轮 ， 通过滚珠 丝杆 、增 力机构、曲轴、连 杆等转换为滑块上 下直线运动 ，实物 如 图 1 所 示 。滑块 的两侧安装 了光栅 位移传感器，位移 传感器实时检测滑 块运动的位置 ，通 广东省数控一代机械产品创新应用示范工程专项资金 编号2 0 1 3 B 0 1 1 3 0 4 0 0 6 收稿 日期 2 0 1 50 3 2 8 图 l 锻压机床实物简图 刘天祥 等数控锻压机床加工曲线精度可靠性试验研 究 过闭环控制，实现两台伺服电机的同步，和滑块 的上下平稳运动。该类型机床的滑块体采用高精 度的六面长导轨，保证了滑块运动的直线度和锻 压工件的平行度。传动部分取消了传统压力机的 离合器、制动器及飞轮部分，采用两台伺服电机 驱动 ，通过重载滚珠 丝杆及复合驱动增力机构来 驱动曲轴旋转或实现摆动，实现滑块灵活的加工 模式。和普通的锻压机相比，该类型机床结构简 单 ，具有良好的刚性和较高经济性，能实现柔性 化生产【 z J 。 该机床的数控系统部件中，重要部件选用 B e c k h o ff公 司的 I ／ O模 块 、E t h e r C A T总 线 和 D A ． C A T A U 公司的触控屏和工控机，该类硬件可靠性 较高 。安装使 用 的是 G P 2 S 一 3 0 0 S e r v o S t a m p i n g P r e s s 软件应用系统 ，系统是在类似机床上应用的 改进型， 查找了历史数据，发现改进前的系统在生 产过程中无出现关联故障 ，具有较好的稳定性 ， 其主要增加了能适应多种加工模式的加工曲线， 主要有静音冲载、高效拉深、多工位冲压、精密 成型、一模多击等，能实现较好的柔性化加工 。 但是该新增的功能的可靠性还没有得到检验。 本试验是在对主机完成了1 0 0 小时的可靠性 增 长摸底试验的基础上 ，对该 型机床的曲线加工 精度可靠性进行试验研究 。在对软件进行 了结构 分析和可靠性分配的基础上，参考相关的试验做 法[4 1 ，重点对加工曲线进行可靠性精度试验，主要 通过空载运行 ，检验其可靠性和在不同参数设置 时的工作状况。 1 ． 2技术方案及要求 该型机床的加工模式都是在设定的加工曲线 路径上进行的，在前阶段的可靠 性增长摸底试验 中，对单次打击 精度 和连续打击精度进行 了专门 的测试和技术上的改进，满足了 如果加工路径是按设定的路线运 行 ，则 锻 压精 度得 到保 证 的要 求。数控系统的可靠性试验还没 有统一的可剪裁的参考方法 ，但 可靠性研制试验的受试设备一般 要符合我国颁布了数控机床可靠 性 评 定 国 家 标 准 G B ／ T 2 3 5 6 7 ． 1 - 2 0 0 9 t4 1 。则 本文在 参考标 准 的 同时，充分考虑机床的特性和试验进度 ，有针对 性地进行加工曲线精度可靠性试验。 试验机床为一台早期工程样机，先进行适当 的环境应力筛选，并且已完成了初步的可靠性增 长摸底试验 ，对出现故 障进行了改进 ，硬件 的可 靠性得到保证 ，并且技术性能合格。 2 试验实施情况 2 ． 1 试验加工 曲线的选取 可靠性增长摸底试验的任务剖面的选定要反 映受试机床所处的实际环境和工作条件 ，并注重 应力值的选取嘲 。在允许范围内，较大的工作范围 能充分检验加 工曲线 的可靠 性精度 ，曝露故 障 ， 主要考虑 以下几方面因素。 1 该机床的装模高度为 5 5 0 mm，滑块的行 程范围为3 0 ～ 2 5 0 m m 可调 ，为让滑块在足够 长的行程上往复运动，使其有足够充分的误差累 计范围，并能检验滑块的位置调整功能 ， 设定滑 块行程范围为 l O 一2 4 0m m。 2 尽量调大加工速度和加工载荷 ，检测异 步电机在较高转速下的工作精度，该机床的加工 速度比是0 1 0 0 ％ 可调 ，设定加工速度比和点 动速度比都为8 O ％。 3 在先前 的摸底试验部分检验了单次和连 续的打击精度，本实验主要检验空载条件下的曲 线加工模式下的精度可靠性。 4 加工曲线的设计要考虑到循环周期的长 短和滑块运动的加速度 ，并能反映加工模式的特 征 ，经项 目组研究后 ，制定加工曲线如表 1 所 示 ，时间单位为秒 S ，滑块的位置是在竖直向 下距离初始位置的距离 ，单位为毫米 mm 。 表 1 曲线参数 表 静音冲载 高效拉深 多工位冲压 精密成型 一模多击 时间 滑块位置 时间 滑块位置 时间 滑块位置 时间 滑块位置 时间 滑块位置 0 ．O l 0 ．0 0 O ． 0 1 O ．0 o O ．o o l O ．0 0 0 ． 0 l O ．o 0 0 ． O 1 O ． 0 0 2 ． 5 2 1 0 ．0 0 2 10 1 9 0 ．0 0 3 ．o 0 2 2 0 ．o o 3 ． O 2 4 O ．0 0 2 ．0 1 8 0 ． 0 o 5 ．O 2 1 0 ．0 0 6 ．O 2 4 0 ．o 0 5 ．0 o 2 4 0 ． o o 5 ． 0 2 4 0 ．0 o 3 ．0 1 5 0 ． o 0 7 ． 0 2 4 0 ．0 0 8 ．O 1 0 ． 0 o 8 ．o 0 1 0 ． o o 8 ． O 1 O ． 0 0 5 ．0 2 1 0 ． 0 o l O ．0 l 0 ．0 0 6 ．O 1 8 0 ． o 0 8 ．O 2 4 0 ．0 0 l O ． 0 l 0 ．0 0 刘天祥等数控锻压机床加工曲线精度可靠性试验研究 加工技术与 0 ．0 7 m m，都超出了下止点定位精度 0 ．0 1 m m的范 围 ，出现的定位误差不 能满 足机床的精度要求 ， 必须进行改进 ，经过分析 ，受两个因素的影响 机械结构的误差的影响机床本身制造或者 装配缺陷、机床温度变化而引起热形、机床切削 力引起力变形、传动丝杠或导轨的质量、伺服电 动机等因素都会影响到定位精度[6 1 ；机床本身 自 带 的测量装置 的误差 在位移感应器 的分辨率较低 的情况下 ，测量的得不到保证 。 滑块本身具备较大的惯性和定位时的较大加 速度 ，使得在 不同锻压速度下 的精度难 以保 持 ， 出现较大的误差，也使滑块运行的周期时间难以 控制。 这些原因使得滑块每次下降到最低点后都没 有准确到达预定位置 高于或低于最低点 ，这个 差异值不断累加 ，造成一个较大的差异。提高数 控机床定位精度主要有两种方式 一是从产生误差 的根源采取措施 ，比如 优化结构设计和提高加工 工艺水平上来提高精度，但该方法成本高，局限 性大 ；另一种是采取误差补偿方法 ，即人为产生 一 种新 的误差 去抵 消 当前成为 问题 的原始误差 ， 是一种提高机床定位精度既经济又有效的手段m 。 该机床处于可靠性研制试验阶段，同时考虑 改进措施的经济性 ，根据所测误差对 N C程序进 行调整。改进时，更换精度更高的光栅位移传感 器 ，优化滑块定位子程序 ，减小定位减速时的加 速度，增加滑块体返回原点的补偿功能 ，该功能 自动判断每次打击后滑块回复的偏移量并补偿， 确保加工精度嘲 。 4结论 试验结束后，将改进措施在另一台同型号已 经完成部分可靠性增长试验的机床了进行了改 进 ，设置 了五种加工模式下 的曲线参数 和本试 验不 同 ，空载条件 下分别进行 了2 0 0 次 的加 工 曲线无载荷试验。除了一次供气设备供气不足 外 ，无其他关联故障，滑块的最低点定位误差都 在 0 ．0 1 li l_i n 以内。表明该机床经过曲线可靠性试 验取得了较好效果 ，并提高了该型机床的精度可 靠性水平，丰富了可靠性试验的数据库。本文对 基于封 闭式双点数控锻压机床的定位精 度误差补 偿问题的研究具有一定的参考价值。 参考文献 [ 1 ]谷岩． 数控 系统软件 可靠性设计 与故障分析技 术 [ D]． 长春 吉林大学，2 0 1 4 ． [ 2 ]张责成，符起 贤，黄尧坤． 数控伺服压力机的特点及 其研究 [ J ]． 机电工程技术，2 0 0 8 1 1 1 0 4 1 0 6 ． [ 3 ]张变霞． 数控机床精度及误差补偿技术 [ D]． 太原 中北大学，2 0 0 8 ． [ 4 ]姚金勇，贾宇． 高档数控系统可靠性试验的条件与方 案研究 [ J ]． 机床与液压，2 0 1 4 ，8 1 5 1 8 9 1 9 3 ． [ 5 ]高军 ，章黎 明． 设备可靠性摸底增长试验方法探讨 [ J ]． 电子产品可靠性与环境试验，2 0 0 7 ，2 5 4 3 0 3 3 ． [ 6 ]吴玉厚 ，宋德儒． P MA C下直线电机 定位精度分析 与 误 差 补 偿 技 术[ J ]．沈 阳 建 筑 大 学 学报 ， 2 0 0 5 ，2 1 5 5 8 6 5 8 9 ． [ 7 ]陶晓杰，王治森． 床误差的补偿方法探讨 [ J ]． 制造 业 自动化 ，2 0 0 5 ，2 7 5 1 8 2 4 ． [ 8 ]李志明 ，胡 海龙 ，吴荣华，等． U MA C下数控机床 定位 精度补偿 技 术研 究 [ J ]． 制造技 术与机 床 ， 2 0 1 4 6 1 5 1 - 1 5 5 ． 第一作者简介 刘天祥 ，男 ，1 9 8 8 年生，广东广州人，硕 士研究生。研究领域现代质量工程、机床可靠性。 编辑 向飞