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传统老旧加工中心的数控化改造及分析

2023年01月26日 09:54:28      来源:东莞市宇匠数控设备有限公司 >> 进入该公司展台      阅读量:0

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加工中心是一种用途极为广泛的金属切削机床,其加工效率通常要比刨床高。加工中心可以分为普通加工中心和数控加工中心,其中数控加工中心是一种加工能力很强的数控机床,是典型的机电一体化产品,能实现机械加工的高速度、高精度和高度自动化[1]。

性能稳定、制造快捷、功能齐全的数控加工中心一直是制造业长期追求的目标[2]。普通机床各部件经过长期自然时效、引入数控系统可在不保留原有加工精度基础上提高可操作性,且就地改造方便快捷,适用于短期快速大批量制造,因此国内外研究人员在传统老旧机床改造方面做出了大量的工作。李德荣等在法兰克系统的基础上详细介绍了 XA5032 加工中心的设计步骤和连接调试过程,可将改造后机床的定位精度控制在

±0. 005 mm[3]; 徐静亚等实现了 MaKin 普铣的数控化改造,提高了原机床曲面加工的精度且加工效率提高了 3 ~ 7 倍[4]; 李建华等在保持机床精度的基础上将机床采购成本降低 60%[5]; T MIKOLAJCZYK 等使用自主在上位机上开发的数控软件,实现了老旧机床的再制造[6]。作者在此基础上对 X52A 加工中心数控化改造流程进行研究,并以固高系列工控机为基础开发对应的上位机控制系统。

1 数控加工中心的工作原理

数控加工中心可以用来自动铣削齿轮、样板、模板等零件的曲线形面,在加工前只需预先按照工件图纸的尺寸及加工要求编制程序, 将编制好的程序输入CNC 系统中,然后机床会按照程序预先编定好的轨迹向机床的 3 个脉冲电动机发出指令脉冲,各电机将按照数控装置发来的指令脉冲,驱动各自的传动齿轮及滚珠丝杠,使工作台在 X、Y、Z 3 个方向移动,实现铣刀和工件之间按照预定轨迹的相对运动,完成零件的加工。数控系统的硬件框图如图 1 所示。

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图 1 数控系统的硬件框图

2 数控改造的特点

2. 1 节约成本,提高生产速度

以原有加工中心为依托进行改造,成本较为低廉[7], 一般为采购相应新设备的 20% ~ 40%。对于大型制造类企业的批量化改造,可将再造成本控制在采购费用 的 25%左右,且改造周期短,方便投入生产制造环节。对于关键位置的破坏磨损,如主轴、导轨等,由于需要重新更换且对安装精度有一定要求,改造成本相对提高 2 ~ 3 倍,总费用约为购置费用的 1 /2 左右。

2. 2 床体结构稳定、加工性能可靠

保留加工中心原有的床身、立柱等大型铸造件,避免了框架式焊接件带来的不稳定因素。改造后机床的各部件仍以原机床为基础,各零部件经过长期的自然时效,经过调整甚至可以取得较高精度。

2. 3 可充分利用现有的条件

技术人员对机床就地改造,挣脱了改造场地的限制,避免了设备搬运过程带来的二次破坏,提高了再制造效率。

2. 4 融入的控制技术

数控技术不断地发展和革新,由于自主研发改造,后期维护方便,可快速对控制软件升级优化并将新的控制方法应用到改造环节中,使改造后的设备与先进的控制及加工方式相适应, 使其具有较高的档次。

3 普通加工中心的改造流程

以 X52A 普通加工中心为例,对机床的机械传动结构进行简单的改造。以Pascal 编写的上位机控制系统如图 2 所示,可完成 NC 代码识别加工并实时显示加工过程中的状态信息。

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图 2 上位机软件

用这种方法制造出的加工中心成本较低,具有 3 个坐标轴,两轴联动、三轴联动功能,主要取决于被改造 机床的类型; 改造后的机床可以加工平面、型腔、曲面和壳体零件,如各类模具、样板、凸轮和连杆等, 也能加工具有一定精度要求的孔系。作者主要从 4 个方面对普通加工中心进行改造: 对原有机床进行故障诊断,并对有问题的机床进行修复; 以 PC 机或工控机作为改造后加工中心的数控显示系统; 为提高改造后机床的加工精度及加工效率,对机床的重要部位进行翻新或重设计; 技术更新或技术创新,为了使性能和档次得到提高,或者为了使用新工艺、新技术,在原有基础上,对其加工水平进行了较大程度的更新改造。

3. 1 电机及检测装置

步进电机拖动的开环系统,满足大部分加工中心的改造需要,价格便宜[8]。这种方式不需要对加工状态进行检测,其加工精度主要由机械传动部分决定,因此机床加工精度相对较低。异步电动机或直流电机拖动、光栅测量反馈的闭环数控系统,改造过程中主要侧重于考虑机床的加工精度、人机交互性能及电动机的额定功率等因素。由交/ 直流伺服电机拖动,采用编码器反馈的半闭环数控系统,根据改装精度、用户需求等确定电机功率。

综合上述 3 种方法,保留原有机床的电气部分不变,选用 4 kW 的异步电动机和相应的伺服放大器加编码反馈来驱动主轴,通过对开环变频进行调整来适应不同转速的加工。电源由熔断器 QF 引进,在系统上电前采用隔离变压器抑制共模和差模干扰,常开触头 Km1 与控制系统同时上电,电路图如图 3 所示。

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图 3 系统电源电路

3. 2 主传动系统的改造

主传动系统可以采用单片机作为一种开环系统, 但考虑复杂程度和工作的可靠度,文中对此种改造方 式不进行详述[9]。对传动系统的改造主要从导轨、齿 轮、丝杠及安全防护 4 个方面进行论述。

( 1) 改用低摩擦因数的导轨

数控机床要求导轨具有较高的导向精度、高的刚度、高的耐磨性及低速均匀性。改造措施是在原导轨上粘接聚四氟乙烯软带,并对软带进行定期更换。

( 2) 齿轮副

齿轮副主要存在于主轴箱和变速箱中,如果齿轮副传动间隙过大,则加工精度就很难提升。在具体的改造实施过程中,保留 Z 轴原有的齿轮结构,配合减速比为 1 ∶ 4 的减速箱以提高加工精度。为提高改装精度,在 X、Y、Z 3 个轴方向选用预加载荷双齿轮齿副,以降低传动间隙。

( 3) 滑动丝杠与滚珠丝杠

普通加工中心一般选用不低于 6 级的滑动丝杠,与无间隙丝杠相比,滑动丝杠虽然价格较低廉,但精度比较低,而丝杠传动直接关系到传动链精度。数控机床在高进给速度下,要求工作平稳、定位精度高。因此,对数控加工中心中的机械传动装置和元件,应选用具有高寿命、高精度、无间隙的丝杠[10]。

文中采用导程为 6 mm 的滚珠丝杠替换原有普通加工中心的丝杠,并对 3 根轴采用异步电动机控制,保持工作台与主轴的进给速度为 1 ∶ 4。

( 4) 安全防护

要定期对机床进行检查。首先检查加工中心各部分机构是否正常,然后在低速状态下开启加工中心,判断有无异声,如发现不正常,应立即进行调整修理。在工作台的 X、Y、Z 3 个方向的往返行程开关的极限位置处均装有限位装置。机床使用时,行程挡铁不许超过规定范围,更不许任意拆卸挡铁,以防止工作台移动时超过行程极限而损坏丝杠等机床零件。床身和滑动导轨端面要可靠密封,防止切削物等硬质物进入摩擦副造成导轨损伤破坏。

3. 3 老旧加工中心再制造一般流程

根据以上分析,总结的加工中心改造一般流程如图 4所示。

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图 4 加工中心改造一般流程

4 改造优势及应注意的问题

长期运行的老旧设备各项参数可精确计算,且操 作人员对设备熟悉,只需简单培训就可快速掌握操作 方法。机床各部件经过长期磨合,可稳定运行不易出 现大的变形及加工误差。为确保改造后机床的质量, 对改造过程提出以下要求:

( 1) 改造前,评估机床零部件的各项参数, 检查和修复损坏部件,更换丝杠等损坏的关键零部 件,尽量恢复或在原有基础上提高机床的加工精度,确保在数控化改造后不影响原机床的精度。

( 2) 数控化原设备同时,尽可能保留原有的手动方式,如手轮操作。

( 3) 柱坐标加工设备或旋转框架式结构改造中, 将支撑件设计为可拆卸式或活动结构,为柱坐标加工 提供条件。

5 结语

在全面考虑目前生产状况和加工实际的基础上, 提出了数控加工中心改造的一般流程,保留床身、刀架等 结构不变,以伺服电机加滚珠丝杠替代部分传动机 构,简化原有传动系统; 采用自主开发的控制软件, 方便技术人员升级维护; 就地操作,不受改造场地的限制,是机床设备升级换代或改造的重要手段。


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