如何進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造

如何進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造
1、國外改造業(yè)的興起

在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。

2、數(shù)控化改造的內(nèi)容

機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：其一是恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

3、數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)

1)減少投資額、交貨期短

同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50%左右。

2)機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限

所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。

3)熟悉了解設(shè)備、便于操作維修

購買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

4)可充分利用現(xiàn)有的條件

可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。

5)可以采用最新的控制技術(shù)

可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。

4、數(shù)控系統(tǒng)的選擇

數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

1)步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。

2)異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。

3)交/直流伺服電機(jī)拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機(jī)作成一個(gè)整體時(shí)則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。

當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。

選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求。

5、數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討

一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。

1)滑動導(dǎo)軌副

對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。

2)齒輪副

一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時(shí)，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。

3)滑動絲杠與滾珠絲杠

絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。

滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。

5)安全防護(hù)

改造效果必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。

6、機(jī)床數(shù)控改造主要步驟

1)改造方案的確定

改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括：

①機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合

一般來說，需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床，都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的交錯(cuò)時(shí)間要求。機(jī)械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。

②先易后難、先局部后全局

確定改造步驟時(shí)，應(yīng)把整個(gè)電氣部分改造先分成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行，如數(shù)控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、面板控制與強(qiáng)電部分等，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯(cuò)。在每個(gè)子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，使人的注意力能集中到關(guān)鍵地方。

③根據(jù)使用條件選擇系統(tǒng)

針對某臺或某幾臺機(jī)床，確定它的環(huán)境、溫度、濕度、灰塵、電源、光線，甚至有否鼠害等外界使用條件，這對選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據(jù)，使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的使用保證。當(dāng)然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品，性能合理、實(shí)用，有備件及維修支持，功能滿足當(dāng)前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。

④落實(shí)參與改造人員和責(zé)任

改造是一個(gè)系統(tǒng)工程，人員配備十分重要。除了人員的素質(zhì)條件外，根據(jù)項(xiàng)目的大小，合理地確定人數(shù)與分工是關(guān)鍵。人員太少不利于開展工作，人員太多也容易引起混亂。根據(jù)各個(gè)劃分開的子系統(tǒng)，確定人員職責(zé)，有主有次，便于組織與協(xié)調(diào)。如果項(xiàng)目采用對外合作形式，更需在目標(biāo)明確的前提下，界定分工，確定技術(shù)協(xié)調(diào)人。

⑤改造范圍與周期的確定

有時(shí)數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)改造，并不一定包含該機(jī)床全部電氣系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)科學(xué)的測定和分析決定其改造范圍。停機(jī)改造的周期，根據(jù)各企業(yè)的實(shí)際情況確定，考慮因素有生產(chǎn)緊張程度、人員技術(shù)水平、準(zhǔn)備工作充分程度、新系統(tǒng)大小與復(fù)雜程度，甚至還包括天氣情況等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上陣，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。

⑥改造的技術(shù)準(zhǔn)備

改造前的技術(shù)準(zhǔn)備充分與否，很大程度上決定著改造能否取得成功。技術(shù)準(zhǔn)備包括：

a.機(jī)械部分準(zhǔn)備為配合電氣改造而需進(jìn)行的機(jī)械大修改造的測量、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。同時(shí)對停機(jī)后需拆、改、加工的部分等應(yīng)事先規(guī)劃完畢，提出明確要求，與整個(gè)改造工作銜接得當(dāng)。

b.新系統(tǒng)電氣資料消化新系統(tǒng)有許多新功能、新要求、新技術(shù)，因此改造前應(yīng)熟悉技術(shù)資料，包括系統(tǒng)原理說明、線路圖、PLC梯形圖及文本、安裝調(diào)試說明、使用手冊、編程手冊等。要有充裕的時(shí)間來對上述資料進(jìn)行翻譯(進(jìn)口系統(tǒng))、消化、整理、核對，做到思路清晰，層次分明。

c.新舊系統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)根據(jù)每臺設(shè)備改造范圍不同，需事先設(shè)計(jì)接口部分轉(zhuǎn)換，若全部改造的，應(yīng)設(shè)計(jì)機(jī)電轉(zhuǎn)換接口、操作面板控制與配置、互聯(lián)部分接點(diǎn)、參數(shù)測量點(diǎn)、維修位置等，要求操作與維修方便、合理，線路走向通順、中小連接點(diǎn)少，強(qiáng)弱電干擾最小，備有適當(dāng)裕量等。局部改造的，還需要考慮新舊系統(tǒng)的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，必要時(shí)需自行制作轉(zhuǎn)換接口。

d.操作、編程人員的技術(shù)培訓(xùn)機(jī)床電氣系統(tǒng)改造后，必然對操作、編程人員帶來新的要求。因此提前對操作人員和編程人員進(jìn)行新系統(tǒng)知識培訓(xùn)十分重要，否則將影響改造后的機(jī)床迅速投入生產(chǎn)。培訓(xùn)內(nèi)容一般應(yīng)包括新的操作面板配置、功能、指示含義；新系統(tǒng)的功能范圍、使用方法及與舊系統(tǒng)的差別；維護(hù)保養(yǎng)要求；編程標(biāo)準(zhǔn)與自動化編程等等。重點(diǎn)是弄懂、弄通操作說明書和編程說明書。

e.調(diào)試步驟與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的確定新的電氣系統(tǒng)改造完以后，怎樣進(jìn)行調(diào)試以及確定合理的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，也是技術(shù)準(zhǔn)備工作的重要一環(huán)。調(diào)試工作涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、傳感等，因此必須由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行，其它人員配合。調(diào)試步驟可從簡到繁，從小到大，從外到里進(jìn)行，也可先局部后全局，先子系統(tǒng)后整系統(tǒng)進(jìn)行。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是對新系統(tǒng)的考核，制定時(shí)必須實(shí)事求是，過高或過低的標(biāo)準(zhǔn)都會對改造工作產(chǎn)生負(fù)面影響。標(biāo)準(zhǔn)一旦確定下來，不能輕易修改，因?yàn)樗鼱可娴秸麄€(gè)改造工作的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2)改造的實(shí)施

準(zhǔn)備工作就緒后，即可進(jìn)入改造的實(shí)施階段。實(shí)施階段內(nèi)容按時(shí)間順序分為：

a.原機(jī)床的全面保養(yǎng)機(jī)床經(jīng)長期使用后，會不同程度地在機(jī)械、液壓、潤滑、清潔等方面存在缺陷，所以首先要進(jìn)行全面保養(yǎng)。其次，應(yīng)對機(jī)床作一次改前的幾何精度、尺寸精度測量，記錄在案。這樣既可對改造工作起指導(dǎo)參考作用，又可在改造結(jié)束時(shí)作對比分析用。

b.保留的電氣部分最佳化調(diào)整若對電氣系統(tǒng)作局部改造，則應(yīng)對保留電氣部分進(jìn)行保養(yǎng)和最佳化調(diào)整。如強(qiáng)電部分的零件更換，電機(jī)的保養(yǎng)，變壓器的烘干絕緣，污染的清潔，通風(fēng)冷卻裝置的清洗，伺服驅(qū)動裝置的最佳化調(diào)整，老化電線電纜的更新，連接件的緊固等等。只有對保留的電氣部分做好過細(xì)的最佳化調(diào)整工作，才能保證改造后的機(jī)床有較低的故障率。

c.原系統(tǒng)拆除原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙，仔細(xì)進(jìn)行，及時(shí)在圖紙上作出標(biāo)記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的欠缺之處，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時(shí)恢復(fù)使用。還有一定使用價(jià)值的，可作其他機(jī)床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。

d.合理安排新系統(tǒng)位置及布線根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙，合理進(jìn)行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調(diào)整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復(fù)查檢驗(yàn)，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。

e.調(diào)試調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時(shí)記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運(yùn)動坐標(biāo)拖板處于全行程中心位置；能空載試驗(yàn)的，先空載后加載；能模擬試驗(yàn)的，先模擬后實(shí)動；能手動的，先手動后自動。

3)驗(yàn)收及后期工作

驗(yàn)收工作應(yīng)聘請有關(guān)的人員共同參加，并按已制定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。改造的后期工作也很重要，它有利于項(xiàng)目技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。驗(yàn)收及后期工作包括：

a.機(jī)床機(jī)械性能驗(yàn)收經(jīng)過機(jī)械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機(jī)床的各項(xiàng)機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。

b.電氣控制功能和控制精度驗(yàn)收電氣控制的各項(xiàng)功能必須達(dá)到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能(如步進(jìn)尺寸等)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具(如激光干涉儀、坐標(biāo)測量儀等)對照檢查，達(dá)到精度范圍之內(nèi)。同時(shí)還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項(xiàng)功能和精度作出對比，獲得量化的指標(biāo)差。

c.試件切削驗(yàn)收可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床切削試件標(biāo)準(zhǔn)，在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削。試件切削可驗(yàn)收機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運(yùn)動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。

d.圖紙、資料驗(yàn)收機(jī)床改造完后，應(yīng)及時(shí)將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù)，這對該設(shè)備的今后穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。

e.總結(jié)、提高每次改造結(jié)束后應(yīng)及時(shí)總結(jié)，既有利于提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平，也有利于整個(gè)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。