数控磨床

数控磨床（精选7篇）

数控磨床 篇1

1 事故调查

ZT10B数控磨齿机为德国制造, 主要加工汽轮机盘车齿轮等, 其中定位块是固定磨头位置, 磨头定位块使用2年后, 在机床运行过程中发生断裂, 定位块断裂位置见图1, 材质为Cr WMn, 为了分析断裂原因, 对断裂的磨头定位块进行解剖分析。

2 断口分析

2.1 宏观断口分析

磨头定位块宏观断口形貌如图2所示, 定位块断面较为平齐, 呈银灰色, 断口起裂于螺栓固定口边缘处, 磨头定位块螺栓固定口处较为平齐, 没有倒边, 存在毛边, 裂纹源区较为平滑, 裂纹源区附近有明显的贝纹线, 贝纹线较为细密, 发散棱线清晰[1], 收敛于裂纹源区, 扩展区占整个断面的2/3, 瞬断区较为粗糙, 高低起伏, 占整个断面的1/3。

2.2微观断口分析

用扫描电子显微镜对磨头定位块断面进行观察, 定位块微观形貌如图3和图4, 由图3和图4可见, 磨头定位块从螺栓固定口处开裂向内部扩展, 裂纹源区较为尖锐, 有明显的发散棱线, 发散棱线收敛于裂纹源区, 扩展区可见清晰的疲劳条带, 瞬断区断口特征是明显的等轴韧窝[2]。

3 理化检验

3.1 化学成分分析

在磨头定位块上切取一块化学试样, 按照GB/T223“钢铁及合金化学分析方法”系列标准对磨头定位块化学试样进行化学分析, 化学测试结果见表1, 由表1可见, 磨头定位块的化学成分符合标准的规定。

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3.2 力学性能分析

按照GB/T228“金属材料室温拉伸试验方法”, 对磨头定位块拉伸试样进行室温拉伸试验, 按照GB/T231“金属布氏硬度试验方法”对磨头定位块硬度试样进行硬度试验, 定位块力学性能测试结果见表2, 由表2可见, 磨头定位块常温力学性能试验测试结果较好。

3.3 金相分析

在磨头定位块上取样制备金相样品, 利用倒置金相显微镜对定位块试样进行金相检验, 定位块的金相照片如图5所示, 定位块夹杂物评定结果为A0.5、D1, 组织为珠光体和碳化物, 晶粒度为7.5级, 磨头定位块常温金相检验结果较好。

4 分析与讨论

(1) 从磨头定位块材质检验来看, 磨头定位块材质检验结果很好, 定位块断裂和定位块冶金质量无关。

(2) 从磨头定位块断口分析来看, 定位块上部螺栓固定口没有倒边, 较为尖锐, 存在毛边, 应力集中效应明显, 定位块上部螺栓固定口处也是定位块受力最大处, 很容易形成裂纹源区, 这些因素对定位块的使用寿命都会产生不利的影响, 大大缩短定位块的使用寿命。定位块的裂纹形成寿命在使用寿命中占很大比重, 上述因素都严重损耗了定位块的裂纹形成寿命, 定位块在循环弯曲应力作用下, 不断扩展, 很快就发生断裂[3]。

5 结论

磨头定位块断裂性质为疲劳断裂, 定位块上部固定口没有倒边, 存在毛边是定位块断裂的主要原因。建议对定位块所有固定口都进行倒边。

参考文献

[1]崔约贤, 王长利.金属断口分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1998.

[2]钟群鹏, 赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[3]孙志, 江利, 应鹏展.失效分析-基础与应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.

数控磨床常见故障及解决方法 篇2

关键词：数控导轨磨床,故障现象,解决方法

在经济全球化的背景下, 顾客对产品性能和质量的要求不断提高, 产品的结构和功能日趋复杂, 因而对机械产品的精度和生产效率也提出了越来越高的要求。特别是在汽车、船舶、航空航天、军事等领域所需要的机械工件和模具, 精度要求越来越高, 形状也日趋复杂。为满足现代制造业的加工需求, 数控机床不仅应运而生, 并且向加工精度高、加工质量稳定、柔性好及适合于复杂产品制造方向发展。与此同时, 市场也对数控机床的可靠性、稳定性及寿命等质量指标提出了更高的要求。因此, 我国在2009 年制定了数控机床可靠性评定标准:GB/T23567.1-2009。根据该标准内容, 对某机床厂生产的多台数控导轨磨床进行了2000 小时的现场跟踪统计试验, 下面对数控磨床的常见故障及可靠性试验中的出现的故障进行分析并提出解决方案, 以供参考。

1 CNC系统故障及维修技巧

随着现代数控系统的功能及技术的增强, 数控系统的无故障工作时间也大大提高, 但数控系统偶尔还是会出现一些故障, 在数控系统中常见的故障可以分为软件故障和硬件故障两类。

软件故障是由于加工程序错误、机床数据出现问题或者一些参数没有设置好等问题引起的。这类故障可通过报警信息的提示, 对程序进行检查和分析, 发现问题后修改相应的程序后即可排除故障。

硬件故障, 顾名思义, 就是数控机床因数控系统的硬件模块发生损坏导致机床不能正常运行。数控系统的硬件模块包括CPU模块、存储器模块、显示模块、测量模块、PLC接口模块、电源模块、显示器等。针对数控机床的硬件故障, 只需找到有问题的模块后, 对其进行修复或者更换后, 故障就能排除掉。

2 伺服系统故障及维修技巧

伺服系统是一种反馈控制系统, 通过指令脉冲为输入给定值与输出被测量进行比较, 利用比较后的偏差值对系统进行自动调节以消除偏差。伺服系统是数控机床的关键执行机构。因此, 伺服系统的故障是整个数控机床故障的一个重要部分。下面列举一些伺服系统典型故障, 对伺服系统常见故障形式及诊断方法进行探讨[1]。

(1) 回参考点故障:机床回参考点常见故障一般可分为找不到参考点和找不准参考点两种。前一种故障主要是回参考点减速开关的信号或零标志脉冲信号失效 (包括信号未产生和在传输中丢失) 导致。排除此类故障时先要明白机床回参考点方式, 再对照故障现象分析;后一种故障常是参考点开关挡块位置设置不当引起的, 只要重新调整挡块位置即可排除故障。

(2) 伺服电动机不转:因为数控系统到进给驱动单元除了速度信号外, 还有使能控制信号。所以造成伺服电动机不转的原因有:数控系统故障、使能信号不通、进给驱动单元故障、伺服电机故障。解决方案:检查数控系统有无信号输出、信号是否接通电机以及伺服电机自身[2]。

(3) 位置误差:当伺服轴运动超过位置允差范围时, 数控系统就会产生位置误差过大的报警, 包括跟随误差、轮廓误差和定位误差, 主要原因有:系统设置的允差范围过小, 伺服系统增益设置不当, 位置检测装置有污染或者损坏, 进给传动链累计误差过大。

3 液压系统故障及维修技巧

液压系统作为机电液一体化系统的重要组成部分, 对数控机床整机性能和可靠性都有重要影响。液压系统工作在一个密闭的环境中, 其常见故障类型有:

较大振动及异响:它是系统失效的综合体现, 分析时以故障数据位基础, 重点从液压油特性变化、液压泵吸油过程、液压泵堵塞等主要故障点入手。造成这种故障的主要原因有液压油污染严重、管路及接头密封不好等。

压力不足或波动较大:该故障主要表现形式为负载不动或时动时停。分析时主要从液压泵、液压回路泄露、液压执行件串缸出发。造成该故障的主要原因有液压油污染、管路及接头密封不好、液压缸装配及密封不当等。

流量不稳:该故障主要表现为执行件速度时快时慢。该故障分析入手点及故障原因与上一故障类似。

元器件故障:该故障主要是液压泵、控制阀、液压缸等元器件在油路正常情况下发生失效。可以从元器件的机械结构及其工作方式分析。造成该故障的原因主要有液压油污染、元件装配不良、用户维护不当等[3]。

4 磨床辅助装置的故障及维修技巧

数控磨床都有很多特殊的辅助装置, 有砂轮主轴、砂轮自动平衡器、砂轮修整器等。其常见故障有:

砂轮主轴故障:砂轮主轴的故障一般可分为机械故障、控制部分故障、变频器故障及电主轴故障等。其常见故障现象有主轴速度没有反馈、砂轮转速不正常、主轴过载、主轴未达到工作转速就停转。

砂轮自动平衡器故障:砂轮平衡器起动平衡作用, 对砂轮进行自动平衡。当砂轮平衡达不到要求时, 机床将报警并停止砂轮旋转。其故障现象常为砂轮主轴停转, 主轴起动不了[4]。

5 结束语

数控机床结构复杂多样, 导致了故障的千变万化。而故障对数控机床的可靠性分析及改进有重要作用。众所周知, 高可靠性的数控机床, 可减少用户的生产成本和生产厂家的售后成本, 经济效益明显, 同时, 也可促进国家工业发展。因此, 在实际生产、制造、维修过程中, 企业应重视故障数据的收集, 并在收集过程中保证数据的全面性和完整性。

参考文献

[1]韩京海, 郭燕.数控机床进给伺服系统常见故障诊断与维修[J].机床液压, 2010, 16 (8) :93-95.

[2]李世班, 房玉胜.数控机床伺服系统故障诊断分析[J].机械研究与应用, 2005, 5 (10) :50-51.

[3]张根保, 张恒, 庞继红, 等.数控机床液压系统故障溯源及分析[J].计算机应用研究, 2012, 4 (4) :1356-1358, 1370.

数控拉刀磨床专用电主轴结构分析 篇3

关键词：电主轴,机械结构,转子轴,轴套

一、引言

数控拉刀磨床专用电主轴出现主轴停止运转故障, 设备报警。主轴转子的轴Ⅰ与轴Ⅱ出现0.5mm的轴向窜动, 使主轴转子运转不平衡, 造成电流剧增、负载大、温升快、有异响。与厂商联系, 暂不提供技术支持, 需采购新备件, 需16周时间, 费用30万元人民币。自主改进将面临的技术难点有:主轴高速 (18000r/min) 运转的平衡控制措施无参考依据;轴Ⅰ与轴Ⅱ的预紧扭矩数值及方法, 无技术支持;专用电主轴的装配、调试方案及专用调整工具缺失;损坏零件的加工图和零件的材料, 无参考依据。

为打破国外技术垄断, 缩短修理周期及采购费用, 在没有维修资料和说明的情况下, 成立技术团队, 自主制定改进修理方案, 尝试分解电主轴, 对其内部结构进行分析和研究。着重分析该电主轴的机械结构, 剖析故障产生原因, 掌握装配调整方法, 恢复设备加工功能。

二、电主轴结构

1. 电主轴外观

电主轴是将主轴和电机合二为一的机床部件 (图1) , 将主轴部件的主轴部分适当延长后, 直接在延长段加装电机转子, 使电机与主轴同轴, 并在转子外部加装定子线包封闭, 形成同轴电机, 电机工作时直接带动主轴工作。

电机与主轴同轴安装, 结构紧凑、刚性好、传动效率和旋转精度高, 能快速实现零到数万转之间的转速调整。电主轴是一套主轴组件, 不是一件孤立的主轴, 包括电机定子线圈 (图2) 、转子、高速轴承、轴承润滑装置、主轴冷却装置。它是一种集高速电机、高速轴承、润滑系统、冷却系统、平衡技术及精密制造与装配技术的综合运用。

2. 转子轴

转子轴 (图3) 由转子轴Ⅰ和轴Ⅱ两部分组成。轴Ⅰ (图4) 包括两套角接触球轴承1 (背对背安装) , 内外隔套和锁紧螺母6, 轴套7 (一是保证两轴同步旋转;二是两轴的安全保护, 使主轴精度不致下降) , 滑动轴承3 (两套, 支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量) , 3片碟簧10 (在砂轮主轴发生碰撞时, 瞬间发生微量变形, 可以有效保护主轴) , 垫片5和内六方螺钉9 (图5) 。

3. 轴Ⅱ组成及磨损分析

轴Ⅱ由空心轴2、垫片4、调节螺母8、空心调节螺钉11、调节轴套12、两套角接触球轴承 (背对背安装) 、内外隔套、轴承压盖组成 (图5) 。

空心轴2为硅钢材料, 硬度低, 垫片4材料硬度高, 长期使用过程中, 电主轴高速旋转, 机械振动使内六方螺钉9松动, 造成轴Ⅰ和轴Ⅱ之间的轴向窜动增大, 导致空心轴2与垫片4运转不同步, 加剧了空心轴2内轴肩处的磨损 (图5中标号13) 。

三、电主轴典型故障及处理方法

数控拉刀磨床专用电主轴故障现象是电主轴停止运转, 设备报警。电主轴的转子轴Ⅰ和轴Ⅱ出现0.5mm的轴向窜动, 使主轴转子运转不平衡, 造成电流剧增、负载大、温升快、有异响。

1. 故障检查与分析

(1) 故障检查。在检查主轴不转故障的过程中, 电气方面测得电主轴的线圈烧坏, 线圈委派外协单位绕制修复, 可以达到其性能要求。机械方面, 通过分解电主轴, 发现其转子轴由轴Ⅰ和轴Ⅱ两部分组成。故障点: (1) 轴承没有预紧; (2) 轴Ⅰ端部内六方螺钉9松动; (3) 空心轴2内壁磨损; (4) 轴套7破裂; (5) 调节螺母8研死。

(2) 电主轴机械结构分析。轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装, 轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环约0.02mm。通过旋转轴Ⅰ上锁紧螺母6, 轴Ⅰ承受向右的拉力并向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。轴Ⅰ上的轴套7用于与轴Ⅱ连接, 传递转矩, 实现轴Ⅰ与轴Ⅱ同步运转。滑动轴承3用于支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量, 滑动轴承的装配要求主要是轴Ⅰ的轴颈与轴承孔之间获得所需要的间隙和良好的接触, 使轴Ⅰ在轴承中运转平稳。垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放有3片碟簧, 在砂轮主轴发生碰撞的瞬间, 碟簧发生微量变形, 可以有效保护主轴。将调节螺母8旋紧, 就可以把垫片4, 小垫片5和3片碟簧固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动, 实现轴Ⅰ上轴承的轴向预紧。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉11 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴Ⅱ端部的轴套12, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动, 同时实现轴Ⅱ上轴承的预紧。

(3) 电主轴故障分析。出现主轴不转故障, 转子轴内的内六方螺钉松动, 在主轴高速旋转的过程中, 轴2与垫片4运转不同步, 垫片4会在轴2内部自转, 垫片4与轴2的材料不同, 并且垫片4比轴2的硬度高, 主轴经常这样工作, 造成轴2内轴肩处磨损 (见图5中标号13) , 致使轴2内轴肩处与轴套7端面间的距离缩短, 但是轴Ⅰ上的轴套7与垫片4左端面之的距离保持不变, 这就会出现“轴变长”的现象, 导致转子轴整体不能预紧, 轴向蹿动0.5mm。同时又造成了轴Ⅰ与轴Ⅱ的同轴度超差。轴Ⅰ与轴套7是紧配合, 轴套7的破裂 (图5中标号14) , 使其可以绕轴Ⅰ自转, 这样, 主轴在高转速旋转时, 会出现轴Ⅰ与轴Ⅱ的运转不同步, 造成电主轴的负载过大, 电流增大, 电主轴长期这样工作, 会导致线圈烧坏, 电气元件老化, 缩短使用寿命。

2. 故障排除方法

(1) 对主轴两端的轴承进行预紧。

(2) 配做轴Ⅰ上的轴套7, 零件图见图6, 并热装于轴Ⅰ上。

(3) 配做轴Ⅱ上的垫片4, 增加其厚度5mm, 并在靠近滑动轴承端铣槽, 槽深2mm (试装时槽深分别为0.5mm、1mm、1.5mm和2mm) 。配做轴Ⅱ上的调节螺母8, 零件图见图7。

(4) 摸索专用电主轴的装配方法并配做专用调整工具。

3. 装配电主轴

轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装, 轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环0.02mm。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉, 使轴Ⅰ承受向右的拉力, 向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除轴Ⅰ的轴承游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴Ⅱ的轴套, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动, 同时实现轴Ⅱ上轴承的轴向预紧。

轴Ⅰ上装有带凹槽的轴套7, 轴Ⅱ上设计有与轴套7的凹槽相配合的凸台, 在装配时, 空心轴2与轴套7连接, 垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放置3片碟簧, 将调节螺母8旋紧, 就可以把小垫片5, 垫片4和3片碟簧固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴套, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动。至此, 电主轴装配完成。

四、轴Ⅰ与轴Ⅱ装配关系及注意事项

1. 轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装

轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环约0.02mm。通过旋转锁紧螺母6, 使轴Ⅰ承受向右的拉力, 向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。轴套7用于与轴Ⅱ连接。滑动轴承3用于支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量, 滑动轴承的装配要求主要是轴Ⅰ的轴颈与轴承孔之间获得所需要的间隙和良好的接触, 使轴Ⅰ在轴承中运转平稳。

2. 轴Ⅱ上两套轴承的安装和轴向预紧方法与轴Ⅰ相同

应该注意轴Ⅱ为空心轴, 轴承与空心轴的配合应较紧, 以避免轴的收缩使配合松动。

3. 轴Ⅰ和轴Ⅱ轴向间隙的消除方法

轴Ⅰ上装有带凹槽的轴套7, 空心轴2与轴套7装配见图8, 轴Ⅱ上设计有与轴套7的凹槽相配合的凸缘 (图9) 。在装配时, 空心轴2与轴套7连接, 垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放置3片碟簧, 将调节螺母8旋紧, 就可以把小垫片5, 垫片4和3片碟簧10固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉11 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴套12, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动。

4. 电主轴现场安装试车注意事项

开始启动时要监控冷却、润滑、压缩空气的工作情况, 工作正常时, 再开启主轴, 同时观察负载电流的变化。开始时主轴转速应≤3000r/min, 运行10～20min, 再慢慢加速至5000r/min进行试加工。电主轴的工作转速应不超过额定转速为宜, 让主轴反复启动、运转、加速、减速, 一定要缓慢加减速。另外, 电主轴内部有冷却水管、油管、气管3组管路, 3组管路循环工作, 保证高速电主轴的可靠运转。

五、结论

数控拉刀磨床专用电主轴结构比较特殊, 它是一个转子两根轴。两轴要同时旋转, 调整两轴间隙的内六方螺钉不能松动, 若松动, 则轴承没有预紧, 会影响到主轴的径向跳动和轴向窜动。径向跳动过大, 主轴转子与定子线圈间隙约0.25～0.5mm, 如间隙过小, 转子和定子扫堂, 易发生碰撞, 电流不稳定, 造成线圈或变频器烧坏。变频器外协修理时, 发现参数设置范围过大, 造成变频器电流参数过大, 线圈已经烧坏。

M224内圆磨床数控化改造 篇4

M224磨床是由液压、机械、电气联合控制的半自动内圆磨床, 具有手动、电感、塞规、定程4种测量方式, 机床的所有动作靠3个电磁阀切换液压油路实现, 电控线路是典型的继电接触控制线路。

受机床床身结构限制, 纵向工作台无法采用伺服驱动方案, 因此保持原液压驱动方案不变。对径向工作台采用伺服驱动的控制方案改造, 伺服系统具有很好的重复定位精度, 方案改变了原工作方式, 仅保留手动和定程 (半自动) 工作方式。

二、方案实施

1. PLC、人机界面选择

根据内圆磨床加工特点, 确定机床伺服系统脉冲当量为0.1m。由于M224磨床最大磨削孔径为40mm, 在磨削加工时砂轮与工件之间有超过20mm的空刀量, 为了不影响加工效率, 设计要求PLC的脉冲输出频率不低于100k Hz。经选择采用了台达EH2系列可编程序控制器, 该系列PLC内置200k Hz高速脉冲输出模块、RS485通信接口, 具有直线及圆弧插补功能, 最低脉冲输出频率为10Hz, 配合导程为5mm的滚珠丝杠, 径向工作台 (X轴) 最低运动速度为0.06mm/min, 最高运行速度为1 200mm/min, 完全满足工艺要求。

选择台达A系列5.7″单色触摸屏作为人机界面, 人机界面与PLC通过RS232接口相连, 通过触摸屏可以输入各种磨削工艺参数, 可在屏上设计触摸按键以节省PLC输入点, 可实时显示磨床的工作状态。

2. 工件主轴控制

工件轴通过1台0.55k W/1.1k W双速三相异步电动机驱动, 用两个接触器代替原万能转换开关, 在新的操纵面板上设计1个三挡位转换开关来切换高低转速。

3. 砂轮主轴控制

M224磨床使用1台3.7k W惠丰F1000-M0037T3B变频器驱动电主轴作为砂轮主轴。改造前变频器装在电器柜外面, 通过三线式端子控制变频器的启停, 通过变频器面板手动调整变频器输出频率。改造后重新设计了电器柜, 将变频器装入电器柜内部。操作者可用通信方式控制变频器启停。变频器和PLC通过RS485通信口相连, 通过人机界面输入变频器工作频率, 通过触摸屏上的触摸键控制变频器的启停, 在触摸屏上可实时显示变频器工作电流、电压、故障代码等参数。

4. 冷却泵控制

改造前M224磨床只有1个冷却泵, 冷却液经水阀后分为两路, 一路给砂轮主轴, 一路给磨削工件。由于两路共用同1个水箱, 磨削产生的铁屑混入冷却液后, 会造成水路堵塞。改造后, 取消水阀, 增加了1个冷却泵, 工件冷却水箱与砂轮主轴冷却水箱各自独立。

5. 液压系统

改造前, M224磨床是靠3个电磁阀切换油路控制杠杆、修整器、行程阀、往复油缸、进给油缸等机构来实现工作台的各种进给动作。改造后, 由于径向液压进给系统被伺服进给系统取代, 相应的取消了进给电磁阀, 而且堵住了机床配流板上进给油缸所接油路。这样处理之后, 夹具液压松紧油路受到影响而不能使用。所以, 对于使用液压夹具锁紧工件的机床必须另外加装1个电磁阀, 控制夹具的松紧。电磁阀进油孔接在机床减压阀之后, 出油孔接工件主轴箱的进油套。

6. 绝对坐标系统构成

改造后的电控系统以台达DVP-32EH00T2 PLC为控制核心, 选用三菱MR-J2S-60A伺服驱动器、三菱HC-SFS52伺服电机构成伺服驱动系统。伺服电机编码器上采用了17位绝对位置编码器, 分辨率达到131 072脉冲/r。在系统联机时, 要将PLC与伺服驱动器的电源输入设定为同时或伺服驱动器电源先启动, 以免绝对位置数据传输异常导致伺服报警。

三、结语

数控磨床 篇5

精密数控回转工作台是多轴联动数控机床的核心部件。高精度数控回转技术也是数控螺母磨床的核心关键技术, 是数控机床的共性技术。精密数控回转工作台安装在精密数控螺母磨床内磨砂轮架上, 组成数控回转定位轴, 用于内圆磨具改变螺旋升角的回转运动[1], 所以提高数控回转部件的精度及可靠性对整个螺母磨床的可靠性与精度保持性的提高具有重大意义。

目前精密数控回转工作台常用的传动方式包括齿轮传动、精密蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动、力矩电动机直驱传动等多种传动方式, 齿轮、蜗杆蜗轮以及丝杠传动都是利用旋转伺服电动机通过皮带、齿轮和蜗轮蜗杆等传动方式达到减速, 或通过滚珠丝杠、齿轮齿条等传动方式将旋转运动转换为直线运动。无论使用什么方法消除传动间隙、提高装配精度, 都无法避免各个传动环节的误差积累, 以及由摩擦引起的功率损失。要彻底解决问题, 就必须去掉所有的传动环节, 实现“零传动”, 即利用力矩电动机直驱传动[2]。直驱技术具有精度高、速度快、无磨损、无间隙、受力状态优良, 没有点接触和线接触受力环节等优势, 采用直驱技术设计的回转功能部件, 机械结构简单, 是数控机床产业升级的关键功能部件, 目前已经成为国际机床产业的发展趋势。

在直驱技术日益成熟的条件下, 国际主流机床厂商迅速推出采用直驱技术的机床产品, 而且其应用水平的提升呈加速趋势[3]。目前, 处于世界机床产销量前几位的DMG、MAZAK、森精机等公司均开始大量改用直驱功能部件[4]。我国直驱技术的发展与国际水平有很大差距。国际上20世纪90年代初开始应用, 现在进入普及阶段。国内20世纪90年代中期才开始研究, 而成功的应用还比较少。自2005年起国内就开展了以力矩电动机为核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发, 烟台环球机床附件集团公司的TK62800/1000数控直驱回转工作台中的首台d1 000直径的直驱转台于2011年试制成功[5], 但目前大多尚停留在产品样机阶段。而且现在国内小型直驱转台的研究还较少, 多数为d500及以上的中大型转台。

本文结合目前国内外直驱技术的研究成果, 设计实现了小型高精度直驱数控回转工作台系统, 能够进行高精度回转进给加工及分度定位加工。该回转工作台系统采用高精度力矩电动机进行直接驱动, 取消了中间的传动环节, 结构简单紧凑, 有效的提高了测量精度, 由于体积较小, 适用于螺母磨床内螺纹的加工, 对改进螺母磨床加工品质增大加工范围以及实现精确的自动分度具有一定的参考价值。

1 回转工作台整体结构设计

1.1 回转工作台技术规格及精度指标

最终设计完成的试验台要求满足表1的技术规格要求。

1.2 回转工作台机械部分整体设计[6]

回转工作台机械结构主要包括工作台转台面、转台轴承、电动机、夹紧装置、底座四大部分[7]。工作台结构如图1、图2所示。

1) 工作台转台面

工作台转台面位于力矩电动机正上方, 由工作台台面和定位孔盖组成, 台面通过转台轴承支撑, 并通过转台轴承保证其径向定位精度, 台面下端与力矩电动机转子固联, 连接部分设计为台阶面以保证电动机转子的径向定位精度, 转台面通过力矩电动机直接带动。中心定位孔盖与台面固连, 经过精加工保证加工工件的中心定位。

2) 转台轴承

根据要求, 选择德国INA轴承公司的产品YRTM260系列带集成电子测量系统的推力/向心轴承, 其中轴承的旋转部分与工作台台面固联, 固定部分与工作台的底座固联, 通过轴承来保证转台面的径向定位精度。

3) 电动机

力矩电动机位于工作台中部的下方, 选用外转子力矩电动机, 电动机部分分为电动机转子、电动机定子、电动机冷却套三部分, 其中电动机转子与转台面固联, 其径向定位精度由转台面上的台阶面确定。电动机定子与底板固联, 电动机冷却套紧套在定子内侧。冷却套内侧通过底板的台阶面保证径向定位精度, 从而保证电动机定子的定位精度, 冷却套相隔180°方向的上下部各有一个孔作为冷却液出入孔, 冷却套设计为水平沟槽式, 相邻沟槽相隔180°方向留有一个缺口, 使得冷却液可以从上方孔流入, 从下方孔流出, 进行循环散热。

4) 锁紧夹紧装置

锁紧装置选用液压锁紧, 锁紧部分上端与基座固定, 通过基座保证其同轴度, 锁紧装置位于电动机转子外圈, 与电动机转子同轴并留有细小间隙, 松开时, 电动机转子可以自由转动, 当需要锁紧时, 锁紧部发生弹性形变卡住电动机转子, 达到锁紧的目的。

5) 底座

底座由基座与底板两部分组成, 基座上部开有阶梯孔, 使轴承自带的角度测量头可以伸入内部进行测量, 同时通过基座的加工保证角度测量头的定位安装精度, 基座与轴承固定部分接触面进行精加工保证轴承的定位精度, 基座下方开液压油孔, 向锁紧部提供液压油, 底部与底板固联, 通过定位销保证底板同轴度与径向定位精度, 底板底部开有方形孔, 方便电动机定子电缆输出, 中间留有中心孔方便冷却液输入冷却套, 中部设计为台阶面, 保证冷却套的径向定位精度。整个工作台以底座为基准设计, 所以底座加工精度要求高, 热变形小, 从而达到提高转台加工精度的目的。

转台整体结构采用中空无主轴设计, 选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 使得整体结构更加紧凑, 满足了外形尺寸的要求。

2 力矩电动机选型

2.1 计算所需的转矩

1) 摩擦力产生的转矩

经过分析可得当工作台正常作回转运动时, 主要的摩擦力均由工作台回转支承产生, 此轴承的摩擦系数为0.001。

由于整个转台的高度只有225 mm, 则转台总重力为:

则由摩擦力产生的力矩为

2) 加速度产生的转矩

转台的总惯量为:

将工件等效为直径400 mm的圆柱体, 则工件的转动惯量为:

按照电动机从0加速到20 r/min需要花0.15 s来进行估计计算, 则由加速度产生的力矩为:

3) 驱动工作台所需的总力矩为:

2.2 计算电动机的功率

取η=1.3, 假设电动机的额定转速为200 r/min, 则根据上面的转矩计算得出电动机所需的功率为:

2.3 确定电动机的型号

经过与各电动机厂商的咨询讨论, 最终决定选用德国舍弗勒公司的RE11-3P-250-25型外转子力矩电动机。该型号电动机参数如表2所示。

3 液压锁紧装置设计

回转工作台要求在进行点位加工时必须处于锁紧状态, 静止及联动加工时处于松开状态。由于转台整体体积较小, 则要求内部结构紧凑, 对锁紧装置还要求有较大的锁紧力矩和较快的锁紧动作灵敏度, 传统的锁紧方式如鼓刹、抱刹、端面刹等存在锁紧力矩不足, 锁紧动作不够灵敏及锁紧可靠性差等缺陷, 无法实现上述要求, 所以此次参考专利《机床旋转C轴液压刹车装置》[8]设计一种胀紧套如图5中A部分所示。

整个锁紧装置由 (图6) 基座和胀紧套共同组成, 胀紧套呈圆形套筒状, 采用弹簧钢制造, 由固定部和工作部两部分组成, 固定部外径大于工作部的外径, 使整个胀紧套外壁呈台阶状, 固定部与工作部连接处形成台阶端面, 固定面通过台阶孔用紧固螺钉与基座相连, 使胀紧套与基座轴向和圆周方向固定。凹槽设置在工作部外壁上, 凹槽的底部形成弹性刹车部, 基座与凹槽形成密闭油腔。工作部外壁上设有密封槽, 密封槽内设置有O型密封圈, 用于对密封油腔起加强密封作用。

1—台阶孔;2—密封槽;3—凹槽;4—弹性刹车部;5—输油孔;6—基座;7—电动机转子

胀紧套内径大于电动机转子外径, 胀紧套与电动机转子可以相对转动。工作时, 液压油泵将液压油通过基座上的输油孔压入密封油腔, 增大密封油腔内的液压, 压迫胀紧套工作部的弹性刹车部变形内突, 使胀紧套与电动机转子形成过盈配合, 从而卡主电动机转子, 使电动机无法再转动, 实现对转台的刹车与夹紧作用。当密封油腔内的液压油减少, 压力取消后, 胀紧套工作部的弹性锁紧部恢复原形, 与电动机转子又可以相对转动, 使电动机又可以正常工作。

密闭油腔内的液压越大, 胀紧套的弹性刹车部的变形越大, 对电动机转子的卡紧力也就越大, 对转台的刹车力矩也就越大。所以只要合理的增加密闭油腔内的液压, 就可以实现大扭矩刹车的功能。

4 结语

介绍的高精度直驱数控回转工作台, 既可以作任意角度的回转和分度, 也可以作连续回转进给运动, 能够满足尽可能多的加工形态要求, 采取中空无主轴结构, 通过选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 减少了零部件的数量, 使得结构更加精简, 同时减少了累计误差的存在, 有效提高了精度, 是一种全新的回转加工设备。该转台可以提高工件的加工精度, 保证工件的品质和性能, 具有很好的工程应用价值。

参考文献

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[2]冯长征.直接驱动技术在高速切削机床上的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2011 (6) .

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[5][J]机电工程技术.2011 (3) .

[6]杨建国, 李蓓智, 王庆霞, 等.力矩电机驱动的高精度回转工作台[P].中国专利号:200910054398.7, 2009-12-09.

[7]徐官南, 牛连革.自动交换工作台[J].机械制造与自动化, 2003 (1) .

高精度数控中孔座面磨床 篇6

——无锡机床股份有限公司副总工程师蔡英

喷油嘴磨削难点

在柴油机高压共轨系统零部件中包含了多对精密偶件, 这些精密偶件在高温高压条件下工作, 开启时要在毫秒级的时间内准确定时定量的向发动机燃烧室喷油, 保证发动机燃油的充分燃烧, 以满足发动机高效低排放的性能要求。关闭时要将200MPa左右的高压燃油密封, 因此燃油系统零件需要极高的几何精度, 使组合起来的偶件有良好的滑动性和密封性。以图1喷油嘴偶件为例:这对偶件包括喷油嘴体和针伐两个零件。

对针阀体而言, 主要是磨端面、中孔和锥面三个部位, 磨削的难点是:

(1) 磨削精度高, 中孔圆度0.5μm, 圆柱度1μm, 锥面圆度0.5μm, 锥面对中孔轴线的跳动≤3μm, 表面粗糙度Ra≤0.05μm。由于孔径小而深, 这对机床的结构有很高的要求, 这对机床的进给系统定位精度, 重复定位精度都是很大的挑战, 同时为保证磨削需要的线速度还要有100 000r/min以上的高速高精度电主轴。

(2) 小锥面位于孔的底端, 磨削时砂轮的接杆需要很强的刚性和高转速状态下极好的动平衡, 同时还要中孔出水冷却, 因此砂轮接杆的设计与研制也是重要的难题之一。

(3) 磨削这样的小锥面需要X、Y滑台作直线插补以获得60°的锥角, 这就要求滑台的进给精度和稳定性好, 保证磨削后锥角母线的直线度和角度的准确性, 从而保证偶件在配副后, 内外锥角形成的密封凡尔线直径的精确稳定, 这是影响喷油量和喷油时刻的重要参数。

(4) 磨削高要求的小直径中孔和锥面, 要有一定的切削力, 同时又要保证高的表面粗糙度要求, 砂轮的选用和磨削参数的优化也很关键, 需要做大量的工艺试验。

(5) 针阀体端面的磨削, 也是难点之一。端面平面度≤0.9μm;表面粗糙度Ra≤0.05μm;这也是个具有挑战意义的指标。实际使用中平面要保证密封就需要在此平面度精度范围内略带内凹, 在产品装配后形成一种线密封状态。所以这道工序对机床的精度, 砂轮主轴的精度以及砂轮的选用都极高的要求。

关键设备

在高压共轨系统中有多对类似的偶件, 按功能分需要以下几种磨床:

(1) 高精度数控外圆磨床, 磨削精度要求是微米级, 除了磨外圆, 砂轮头架还要带B轴, 可以磨削针阀的锥面, 同时还要具备配磨功能。

(2) 高精度中孔内圆磨床, 磨削精度也是微米级, 要有数十万转的电主轴, 高精度夹头, 高精度高分辨率直线滑台, 同时选配相应的砂轮、砂轮杆和定位夹紧装置。

(3) 高精度端面和内凹端面磨床。用于密封平面的超精磨削, 加工精度也是微米级, 加工过程中除了要控制进给速度外, 还要控制加工压力以获得极高的表面粗糙度。

高端数控装备国产化进程与用户的长期应用有很大的关联。通过数控机床专项的实施, 我国在高端数控机床、关键功能部件等方面取得了长足的进步, 样机精度指标与国际同类产品相当, 但功能的稳定性、可靠性方面与国外同类机床还有一定的差距, 这就需要高端客户的长期应用支持, 才能得到持续改进。

高精度数控中孔座面磨床特点

无锡机床研发的精密数控中孔座面磨床是面向电控共轨柴油喷射系统关键零部件精加工技术需求开发研制的高端数控磨床。该机床可实现工件一次装夹完成中孔、端面、座面的复合精密加工, 降低了重复装夹误差, 提高了零件加工精度和效率。如图3所示。

本项目实施过程中取得了多项技术突破, 有些技术还是首次在项目产品上应用, 效果非常明显。

(1) 全闭式静压导轨与直线电动机组合的高刚性进给装置设计制造技术, 具有传动效率高、响应灵敏、定位精度高、运动精度高、承载能力大、吸振性好、运动平稳等特点。但零件制造精度高, 装配调整技术难度大, 通过本项目的实施, 在高精度静压导轨制造、直线电动机驱动、装配工艺等技术方面取得了较大进展, 为技术的升级换代打下了良好的基础。导轨装配过程如图4所示。

(2) 高速电主轴 (见图5) 是中孔座面磨床的关键功能部件, 要实现高精度深孔的精密加工, 必须采用100 000r/min左右的高速专用电主轴。本项目根据针阀体的加工特点, 开发了120 000r/min中空出水的高速高频电主轴, 重点突破了陶瓷球轴承及其油气润滑、超高速内置电动机与变频调速、砂轮中心孔专用喷射冷却系统与气体密封、高频电动机水冷却系统等关键技术, 实现了细长深孔的精密磨削。

重大收获

首先, 通过国家科技专项的引导, 无锡机床的高端数控磨床技术取得重大进展。这次针对电控共轨喷射系统关键零部件精密加工要求研发的高精密数控中孔座面磨床, 突破了120 000r/min高速电主轴、全向闭式静压导轨、直线驱动等设计制造技术, 研发的装备与国外同类产品水平相当, 不仅有效地替代了国外产品的进口, 同时提高了我国机床行业的制造水平。

其次, 企业研发创新能力得到全面提升。产品研发不再采用传统的类比法、模拟仿制法, 取而代之的是产学研用联合攻关, 机床整机动、热态特性分析、刚度设计、温度场分析等现代设计技术贯穿产品研发全过程, 同时完善了企业科研试验、检测条件, 购置的研发仪器可实现社会共享, 提高了社会化协作能力。

数控磨床 篇7

关键词：数控轧辊磨床,抖动,轧辊磨削

一、轧辊磨床及伺服轴抖动故障现象

宝钢股份公司1 580mm热轧在1996年投入使用了5台数控轧辊磨床, 型号WS 3CP系列, 是由德国WALDRICH·SIEGEN机床公司制造的。磨床传动系统分直流旋转主轴和各进给伺服轴两部分。直流旋转主轴是砂轮旋转轴和床头箱旋转轴。进给伺服轴由以下各轴构成:Z轴是刀架轴向移动轴、X轴是刀架径向移动轴、U轴是刀架微量径向移动轴、X1轴是测量臂径向移动轴。这类轧辊磨床使用10多年来, 由于自带故障诊断系统, 故障查找和排除较友好。但自2007年底开始其中1台数控轧辊磨床在自动磨削过程中, 随机出现瞬间伺服轴抖动。从触摸各轴伺服电机可以感到有突然停转再启动的现象。磨床自动程序不停止, 自身能克服故障继续磨削。同时在机床信息报警文本上显示:F39.AC SERVO SUPPLY IS NOT READY。随着磨床的继续使用, 该类抖动程度加重, 次数增加。磨床手动或维修方式下, 各伺服轴未出现瞬间抖动现象。

二、故障对磨床和轧辊磨削的影响

1. 轧辊磨削自动进刀或测量时, 恰巧抖动, 会将测量脚别死, 损坏测量脚机械及电气部件。

2. 瞬间伺服轴抖动会轻微影响轧辊表面质量。

3. 长期使用影响磨床各高精度传动轴机械性能, 加速机械部件劣化。

三、自动磨削时伺服轴的传动原理

磨床各伺服轴的传动原理基本相同, 以Z轴为例。在全自动磨削时采用全闭环位置控制形式。位置给定由数控插补演算给出, 位置反馈由HAIDENHAIN光栅LB326从机侧直接给数控系统位控板。位置环内套有速度电流双闭环系统, 由SIEMENS 611A交流变频PWM型调速系统实现, 传动电机采用配套的SIEMENS 1FT5交流伺服电机, 速度给定来自于数控模拟量输出板。传动电机带动两级齿轮减速, 再带动涡轮蜗杆、齿轮齿条机构实现Z轴的伺服移动。

四、故障原因查找及解决

由于该磨床仅在自动磨削时随机出现瞬间伺服轴抖动, 手动或维修方式未出现。认为机械传动部件劣化的可能性可以排除。电气部件由易到难进行了以下检查, 涉及的更换部件使用其他正常磨床: (1) 检查611A变频器的600V母线, 在抖动时电压会跌落到594V左右。检查611A各轴双闭环交流伺服驱动控制速度给定、速度实际、电流给定、电流实际的波形图 (含抖动瞬间) , 结果波形有异常变化, 更换611A变频器模板、各1FT5伺服轴电机及电缆、前置变压器、电抗器, 抖动仍存在。 (2) 用编程器检查PLC给出的变频器各使能信号, 查明在抖动瞬间没有波动。后将611A的63、48等端子短接做试验, 抖动仍存在。 (3) 检查数控给611A的给定 (56、14端子) 的电线没有断线, 重新做屏蔽线直接连接数控和611A, 并更换数控系统整套 (含软件) 、通信电缆、位置环传感器, 抖动仍存在。 (4) 检查PLC程序, 更换PLC主框架模板 (重送软件) 、循环监控模块, 抖动仍存在。

做了以上检查后, 发现变频器各轴速度实际波形异常时间仅在20～200ms。查阅611A手册发现脉动使能瞬间丢失电机将自由停车, 而驱动使能瞬间丢失电机将立即停转。因此重点怀疑驱动使能信号的稳定。用编程器在线监控PLC程序的各轴驱动使能信号, 未能监控到, 但发现PLC输出点电压24V有细微跌落 (1～2V) 。因此将611A信号线的前连接器和PLC辅助扩展框架的输出模板与其他正常磨床对换, 故障排除且未扩展到其他磨床。

五、体会

1. 更换611A信号线的前连接器。

彻底排除某块611A板子驱动使能信号连接端子接触不良。这对最终解决故障起作用的可能性较小。

2. 更换PLC辅助扩展框架的模板。