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加工中心是一種用途極為廣泛的金屬切削機(jī)床，其加工效率通常要比刨床高。加工中心可以分為普通加工中心和數(shù)控加工中心，其中數(shù)控加工中心是一種加工能力很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的高速度、高精度和高度自動(dòng)化［1］。

性能穩(wěn)定、制造快捷、功能齊全的數(shù)控加工中心一直是制造業(yè)長期追求的目標(biāo)［2］。普通機(jī)床各部件經(jīng)過長期自然時(shí)效、引入數(shù)控系統(tǒng)可在不保留原有加工精度基礎(chǔ)上提高可操作性，且就地改造方便快捷，適用于短期快速大批量制造，因此國內(nèi)外研究人員在傳統(tǒng)老舊機(jī)床改造方面做出了大量的工作。李德榮等在法蘭克系統(tǒng)的基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了 XA5032 加工中心的設(shè)計(jì)步驟和連接調(diào)試過程，可將改造后機(jī)床的定位精度控制在

±0. 005 mm［3］; 徐靜亞等實(shí)現(xiàn)了 MaKin 普銑的數(shù)控化改造，提高了原機(jī)床曲面加工的精度且加工效率提高了 3 ～ 7 倍［4］; 李建華等在保持機(jī)床精度的基礎(chǔ)上將機(jī)床采購成本降低 60%［5］; T MIKOLAJCZYK 等使用自主在上位機(jī)上開發(fā)的數(shù)控軟件，實(shí)現(xiàn)了老舊機(jī)床的再制造［6］。作者在此基礎(chǔ)上對 X52A 加工中心數(shù)控化改造流程進(jìn)行研究，并以固高系列工控機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)對應(yīng)的上位機(jī)控制系統(tǒng)。

1 數(shù)控加工中心的工作原理

數(shù)控加工中心可以用來自動(dòng)銑削齒輪、樣板、模板等零件的曲線形面，在加工前只需預(yù)先按照工件圖紙的尺寸及加工要求編制程序，將編制好的程序輸入CNC 系統(tǒng)中，然后機(jī)床會按照程序預(yù)先編定好的軌跡向機(jī)床的 3 個(gè)脈沖電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令脈沖，各電機(jī)將按照數(shù)控裝置發(fā)來的指令脈沖，驅(qū)動(dòng)各自的傳動(dòng)齒輪及滾珠絲杠，使工作臺在 X、Y、Z 3 個(gè)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)銑刀和工件之間按照預(yù)定軌跡的相對運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖 1 所示。

圖片.png

圖 1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖

2 數(shù)控改造的特點(diǎn)

2. 1 節(jié)約成本，提高生產(chǎn)速度

以原有加工中心為依托進(jìn)行改造，成本較為低廉［7］，一般為采購相應(yīng)新設(shè)備的 20% ～ 40%。對于大型制造類企業(yè)的批量化改造，可將再造成本控制在采購費(fèi)用的 25%左右，且改造周期短，方便投入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。對于關(guān)鍵位置的破壞磨損，如主軸、導(dǎo)軌等，由于需要重新更換且對安裝精度有一定要求，改造成本相對提高 2 ～ 3 倍，總費(fèi)用約為購置費(fèi)用的 1 /2 左右。

2. 2 床體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、加工性能可靠

保留加工中心原有的床身、立柱等大型鑄造件，避免了框架式焊接件帶來的不穩(wěn)定因素。改造后機(jī)床的各部件仍以原機(jī)床為基礎(chǔ)，各零部件經(jīng)過長期的自然時(shí)效，經(jīng)過調(diào)整甚至可以取得較高精度。

2. 3 可充分利用現(xiàn)有的條件

技術(shù)人員對機(jī)床就地改造，掙脫了改造場地的限制，避免了設(shè)備搬運(yùn)過程帶來的二次破壞，提高了再制造效率。

2. 4 融入最新的控制技術(shù)

數(shù)控技術(shù)不斷地發(fā)展和革新，由于自主研發(fā)改造，后期維護(hù)方便，可快速對控制軟件升級優(yōu)化并將新的控制方法應(yīng)用到改造環(huán)節(jié)中，使改造后的設(shè)備與先進(jìn)的控制及加工方式相適應(yīng)，使其具有較高的檔次。

3 普通加工中心的改造流程

以 X52A 普通加工中心為例，對機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的改造。以Pascal 編寫的上位機(jī)控制系統(tǒng)如圖 2 所示，可完成 NC 代碼識別加工并實(shí)時(shí)顯示加工過程中的狀態(tài)信息。

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圖 2 上位機(jī)軟件

用這種方法制造出的加工中心成本較低，具有 3 個(gè)坐標(biāo)軸，兩軸聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)功能，主要取決于被改造機(jī)床的類型; 改造后的機(jī)床可以加工平面、型腔、曲面和殼體零件，如各類模具、樣板、凸輪和連桿等，也能加工具有一定精度要求的孔系。作者主要從 4 個(gè)方面對普通加工中心進(jìn)行改造: 對原有機(jī)床進(jìn)行故障診斷，并對有問題的機(jī)床進(jìn)行修復(fù); 以 PC 機(jī)或工控機(jī)作為改造后加工中心的數(shù)控顯示系統(tǒng); 為提高改造后機(jī)床的加工精度及加工效率，對機(jī)床的重要部位進(jìn)行翻新或重設(shè)計(jì); 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為了使性能和檔次得到提高，或者為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上，對其加工水平進(jìn)行了較大程度的更新改造。

3. 1 電機(jī)及檢測裝置

步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)，滿足大部分加工中心的改造需要，價(jià)格便宜［8］。這種方式不需要對加工狀態(tài)進(jìn)行檢測，其加工精度主要由機(jī)械傳動(dòng)部分決定，因此機(jī)床加工精度相對較低。異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)、光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，改造過程中主要側(cè)重于考慮機(jī)床的加工精度、人機(jī)交互性能及電動(dòng)機(jī)的額定功率等因素。由交/ 直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，采用編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)改裝精度、用戶需求等確定電機(jī)功率。

綜合上述 3 種方法，保留原有機(jī)床的電氣部分不變，選用 4 kW 的異步電動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的伺服放大器加編碼反饋來驅(qū)動(dòng)主軸，通過對開環(huán)變頻進(jìn)行調(diào)整來適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的加工。電源由熔斷器 QF 引進(jìn)，在系統(tǒng)上電前采用隔離變壓器抑制共模和差模干擾，常開觸頭 Km1 與控制系統(tǒng)同時(shí)上電，電路圖如圖 3 所示。

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圖 3 系統(tǒng)電源電路

3. 2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造

主傳動(dòng)系統(tǒng)可以采用單片機(jī)作為一種開環(huán)系統(tǒng)，但考慮復(fù)雜程度和工作的可靠度，文中對此種改造方式不進(jìn)行詳述［9］。對傳動(dòng)系統(tǒng)的改造主要從導(dǎo)軌、齒輪、絲杠及安全防護(hù) 4 個(gè)方面進(jìn)行論述。

( 1) 改用低摩擦因數(shù)的導(dǎo)軌

數(shù)控機(jī)床要求導(dǎo)軌具有較高的導(dǎo)向精度、高的剛度、高的耐磨性及低速均勻性。改造措施是在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶，并對軟帶進(jìn)行定期更換。

( 2) 齒輪副

齒輪副主要存在于主軸箱和變速箱中，如果齒輪副傳動(dòng)間隙過大，則加工精度就很難提升。在具體的改造實(shí)施過程中，保留 Z 軸原有的齒輪結(jié)構(gòu)，配合減速比為 1 ∶ 4 的減速箱以提高加工精度。為提高改裝精度，在 X、Y、Z 3 個(gè)軸方向選用預(yù)加載荷雙齒輪齒副，以降低傳動(dòng)間隙。

( 3) 滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠

普通加工中心一般選用不低于 6 級的滑動(dòng)絲杠，與無間隙絲杠相比，滑動(dòng)絲杠雖然價(jià)格較低廉，但精度比較低，而絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。數(shù)控機(jī)床在高進(jìn)給速度下，要求工作平穩(wěn)、定位精度高。因此，對數(shù)控加工中心中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和元件，應(yīng)選用具有高壽命、高精度、無間隙的絲杠［10］。

文中采用導(dǎo)程為 6 mm 的滾珠絲杠替換原有普通加工中心的絲杠，并對 3 根軸采用異步電動(dòng)機(jī)控制，保持工作臺與主軸的進(jìn)給速度為 1 ∶ 4。

( 4) 安全防護(hù)

要定期對機(jī)床進(jìn)行檢查。首先檢查加工中心各部分機(jī)構(gòu)是否正常，然后在低速狀態(tài)下開啟加工中心，判斷有無異聲，如發(fā)現(xiàn)不正常，應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)整修理。在工作臺的 X、Y、Z 3 個(gè)方向的往返行程開關(guān)的極限位置處均裝有限位裝置。機(jī)床使用時(shí)，行程擋鐵不許超過規(guī)定范圍，更不許任意拆卸擋鐵，以防止工作臺移動(dòng)時(shí)超過行程極限而損壞絲杠等機(jī)床零件。床身和滑動(dòng)導(dǎo)軌端面要可靠密封，防止切削物等硬質(zhì)物進(jìn)入摩擦副造成導(dǎo)軌損傷破壞。

3. 3 老舊加工中心再制造一般流程

根據(jù)以上分析，總結(jié)的加工中心改造一般流程如圖 4所示。

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圖 4 加工中心改造一般流程

4 改造優(yōu)勢及應(yīng)注意的問題

長期運(yùn)行的老舊設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)可精確計(jì)算，且操作人員對設(shè)備熟悉，只需簡單培訓(xùn)就可快速掌握操作方法。機(jī)床各部件經(jīng)過長期磨合，可穩(wěn)定運(yùn)行不易出現(xiàn)大的變形及加工誤差。為確保改造后機(jī)床的質(zhì)量，對改造過程提出以下要求:

( 1) 改造前，徹底評估機(jī)床零部件的各項(xiàng)參數(shù)，檢查和修復(fù)損壞部件，更換絲杠等損壞的關(guān)鍵零部件，盡量恢復(fù)或在原有基礎(chǔ)上提高機(jī)床的加工精度，確保在數(shù)控化改造后不影響原機(jī)床的精度。

( 2) 數(shù)控化原設(shè)備同時(shí)，盡可能保留原有的手動(dòng)方式，如手輪操作。

( 3) 柱坐標(biāo)加工設(shè)備或旋轉(zhuǎn)框架式結(jié)構(gòu)改造中，將支撐件設(shè)計(jì)為可拆卸式或活動(dòng)結(jié)構(gòu)，為柱坐標(biāo)加工提供條件。

5 結(jié)語

在全面考慮目前生產(chǎn)狀況和加工實(shí)際的基礎(chǔ)上，提出了數(shù)控加工中心改造的一般流程，保留床身、刀架等結(jié)構(gòu)不變，以伺服電機(jī)加滾珠絲杠替代部分傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)，簡化原有傳動(dòng)系統(tǒng); 采用自主開發(fā)的控制軟件，方便技術(shù)人員升級維護(hù); 就地操作，不受改造場地的限制，是機(jī)床設(shè)備升級換代或改造的重要手段。

標(biāo)簽：加工中心

分類：加工中心

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