龙门铣床的数控改造

龙门铣床的数控改造（共7篇）

龙门铣床的数控改造 篇1

1、引言

在金属切削机床中, 铣床的数量仅次于车床, 它可用来加工平面、斜面、沟槽等, 龙门铣床, 它有一个龙门式的框架, 它的横梁和立柱上安装的是铣刀主轴箱, 适用于加工尺寸较大的一些零件, 由于加工范围较广, 在机加工车间该类机床的数量也比较多, 但是目前大量的普通龙门铣床自动化程度都不高, 大多依靠工人的手工操作进行零件的加工, 导致工人的劳动强度较大, 同时, 该种操作方式对工人的技术水平要求也很高, 为进一步提高加工产品的质量和精度增加了难度。针对普通龙门铣床加工工艺简单, 工人劳动强度大;这类机床进行数控化改造成本太高的问题, 为该类机床设计了全套的电气控制和坐标测量系统, 使用该类机床的用户可以在手动操作的基础上以低成本实现普通龙门铣的自动化加工, 该控制方案可以让用户根据需要加工的零件编制加工程序后, 按一次启动按钮, 就可以完成多个加工步骤, 极大的提高了加工效率和加工精度, 大大降低了工人的劳动强度。

2、系统的组成

系统的电气控制部分主要由测量单元和控制单元两部分构成, 如图1所示。主要有下述功能模块组成:

(1) 位置测量元件:磁栅或光电编码器。

(2) 定位控制模块。

(3) 数显表。

(4) 液晶显示器:为选项, 增加系统的操控性, 不装液晶显示屏不影响系统的自动控制功能。

(5) 变频器:机床的进给控制必须是变频器或直流驱动。

(6) 数据通讯电缆。

3、系统的功能

该类机床在完成电气控制系统和坐标测量系统的改造后, 可以提供给设备下述控制功能:

(1) 三个坐标轴数字显示的功能和两轴点到点位置控制的能力;

(2) 数显表可以与磁栅、光栅、圆光电编码器等多种类型的电子尺进行连接;可以提供线性或非线性的补偿功能, 该功能的使用方法与西门子数控系统补偿功能的使用方法相同;利用腾氏数显表, 开发了该系统的数显功能, 不但提供机床各轴的位置显示和测量功能, 还增添了控制功能, 利用定位控制模块, 模仿工人操作机床的方法, 完成系统程序的编制, 以廉价的方式增加了该类机床的控制能力, 使操作人员可以方便、简捷地操作和控制机床。

(3) 利用圆光栅可以测量回转工作台的角度;

(4) 若用户增加选件, 还可以达到三轴、四轴、五轴的控制能力;

(5) 利用系统的控制单元, 该系统可以实现交流变频器或主流调速器的控制;

(6) 普通龙门铣的电气控制系统增加了程序编制功能后, 在数显表上完成的程序编制容量是300条加工指令。

4、系统的技术性能

完成相应的系统自动化改造后, 该类机床应达到下述的技术性能:

(1) 高性能处理器作为控制LED显示, 清晰、明亮, 易于操作观察操作;

(2) 液晶显示器可以用中文方式显示机床坐标, 报警信息以及编制加工程序;

(3) 在系统程序设计时, 使用了多种控制算法, 可以实现位置、角度等参数的高精度控制;

(4) 系统还提供了多种进给速度控制方式, 操作人员可以在机床自动加工的过程中改变进给速度;

(5) 控制系统提供“手动”和“自动”两种操作模式, “手动”操作模式与普通龙门铣床的操作方式一样, “自动”操作模式可以根据加工工艺和程序自动地完成多步加工动作;

(6) 定位控制精度:该指标受驱动器性能的影响, 一般可以达到0.02~0.04mm;

(7) 显示报警功能:系统提供完善的报警信息显示, 通过文字提示帮助操作和维修人员快速解决问题, 系统可以提供下述报警信息:1) 急停保护;2) 交流电机过载保护;3) 液压系统保护;4) 润滑系统保护;5) 直流电机保护;6) 信号异常保护;7) 超时保护和网络检查。

5、结语

普通铣床经过部分电气控制和坐标测量系统的技术改造后, 使用该类机床的用户可以在手动操作的基础上以低成本实现普通龙门铣的自动化加工, 用户根据需要加工的零件的工艺需要编制加工程序后, 就可以完成多个加工步骤, 极大的提高了加工效率和加工精度, 降低了操作者的劳动强度。该类机床的自动化改造具有较好的应用前景。

参考文献

[1]李玮, 沈勇.W160HC落地镗床电气控制系统的改造[J].组合机床与自动化加工技术, 2007.12.

[2]张海云, 侯仰海.车床数控改造及电化学机械光整加工装置的研制[J].制造业自动化, 2009.8.

龙门铣床的数控改造 篇2

PF-H75kW数控龙门镗铣床是德国某公司1986年生产的产品, 是大连重工起重集团有限公司的关键设备。机床原采用西门子880M数控系统, 后经改造为西门子840C控制, 依然采用直流电机及直流伺服驱动。近年来由于机械传动及液压润滑系统零部件磨损和失效, 时常发生停机故障。电气控制系统由于老化, 各伺服轴进给速度均限定在低速下运行, 其中Y轴快速时抖动严重, X轴运行时在中间位置抖动;数控系统各轴伺服电机、主轴伺服电机经常出现无原因烧毁故障, 严重影响生产。此次大修要求对机械、液压系统实施解体大修, 对数控系统实施升级改造。

湖北欧安电气股份有限公司根据工厂要求, 对这台落地镗床进行了全面的整改。从机械大修调整、液压系统更新, 到数控电气系统升级改造, 进行了一条龙的服务。经过努力, 机床恢复了加工精度和控制性能, 达到了改造要求。

二、数控及电气控制系统的改造

1. 数控系统由原来的西门子840C、直流驱动, 更换为西门子840D数控系统、1FT6交流伺服电机、611D交流伺服驱动系统, 结合S7-300PLC构成全数字控制系统, 功能强大的硬、软件配置可满足机床各种复杂加工任务和控制精度。

数控单元选用PCU50, NCU572.5。

2. 主轴电机更换为1PH7交流伺服电机及交流驱动装置。

3. 将X、Y、Z、W1、W2各座标的直流电机更换为1FT6交流伺服电机并带有抱闸。采用611D交流伺服驱动系统控制。

4. 原W轴 (横梁) 平衡由1台伺服电机驱动, 以横梁立柱上的两根光栅尺进行位置检测, 通过NC比较计算, 控制辅助伺服电机通过补偿机构实现。本次改造采用两台伺服电机, 分别控制两根横梁升降丝杠, 通过数控, 实现两台伺服电机的同步运行, 从而构成“龙门轴”同步控制, 满足W轴 (横梁) 运动时与工作台的平行度要求。

5. 采用海德汉LB382C光栅尺更换各进给轴检测光栅。

6. 根据原机床功能和性能, 以该设备进口时技术文件为篮本, 重新设计机床电气控制原理图、接线图等, 重新施工布线, 保证控制可靠。

三、数控改造中的主要技术问题

原机床W轴 (横梁) 运动及水平平衡由1台伺服电机驱动, 通过减速器及传动轴将动力同时传递至两个立柱上的精密蜗轮减速箱以带动两套滚珠丝杠螺母副运动, 使横梁进行同步上升下降运动。同时, 以安装在两个立柱上的两根光栅尺进行位置检测反馈, 通过NC比较计算, 若两轴位置发生偏移, 则由计算机控制安装在W1轴上的辅助伺服电机驱动补偿机构进行微量调整, 从而保证横梁上下移动中的水平精度。

本次改造采用西门子的Coupled axes (龙门轴) 功能来满足机床的控制要求, 此功能具有编程方便、技术成熟的特点。在改造中对原W轴机械传动结构保留滚珠丝杆上的蜗轮减速箱及制动机构, 为保证两台伺服电机的同步, 需要选配两台减速比1/9.6左右的精密减速器, 设计制造两套传动联结结构及其安装结构, 原传动箱予以拆除。这一工作, 由机械工程师进行改造设计予以保证。

采用两台伺服电机, 分别控制两根横梁升降丝杠, 通过数控, 实现两台伺服电机的同步运行, 从而构成“龙门轴”同步控制, 满足W轴 (横梁) 运动时与工作台的平行度要求。

四、机械、液压系统的大修、改造

机床大修严格按机床大修工艺执行, 在机械大修中, 主要工作有以下八点。

1. 修复工作台静压蜗轮蜗母条传动精度。

2. 检查调整修复工作台导轨及立柱导轨精度。

3. 采用冷焊工艺, 修复横梁导轨几何精度。

4. 检测修复主轴箱精度, 解决主轴漏油问题。

5. 检测修复Y、Z、W轴滚珠丝杠螺母副, 达到精度要求。

6. 清洗、检查静压及润滑系统, 疏通管路, 更换密封件及失效元件。

7. 采用进口零部件更换主油泵、更换导轨静压主油泵、蜗母静压油泵、多头润滑泵及液压控制阀。

8. 机床的安装及调整, 其几何精度和运动精度达到改造要求。

五、工作台静压蜗杆蜗母条传动副的修复

该机床床身工作台导轨副为静压导轨, 进给传动箱采用一级齿轮加精密蜗轮副传动, 工作台采用静压蜗杆蜗母条传动, 机床具有摩擦阻力小, 传动平稳的特点。

该机床床身长近20m, 工作台由两块宽3.5m、长4m的可分离的组合工作台组成, 工作台床身采用闭式静压导轨, 工作台进给采用静压蜗杆副传动。经改前检查发现主要是蜗母条表面SKC-3涂层多处脱落需修复。此次大修, 该蜗母条传动副的修复成为机械大修的主要技术难点。

1. 诊断与分析

(1) 该机床安装在无恒温车间内, 环境温度变化大, 导致静压被破坏, 局部导轨面相互摩擦、工作台阻力变大, 使工作台出现爬行、抖动。

(2) 蜗母条表面SKC-3涂层的主要成分是石墨和聚四氟乙稀, 一旦受到较大的冲击, 容易碎裂脱落。蜗杆副工作面的侧隙为0.04～0.06mm, 工作台的阻力变大、蜗杆副工作面静压的不稳定使工作台产生前后抖动, 导致蜗杆副工作面产生瞬间直接接触, 端面静压轴承工作面损坏, 最终蜗母条表面涂层碎裂脱落。

2. 解决措施及修复工艺

(1) 根据季节变化及时地进行床身水平的检测和调整, 以保证工作台静压导轨副的间隙处于正常范围内。

(2) 完善静压、润滑油的恒温控制系统。更换原液压冷却系统油冷机, 保证恒温控制系统满足机床液压系统工作要求。

(3) 原蜗母条铸铁工作基面光滑无锲沟, 涂层附着力较差, 修复时, 在蜗母条铸铁工作基面上增加多条锲沟, 以增加涂层附着力。

(4) 蜗母条涂层采用北京天山研制的BNT-4材料 (性能与德国SKC-3相同) 和工艺。并在涂层内附加铜丝网膜, 使涂层更具整体性, 增加了涂层的刚性和抗冲击性。

(5) 清洗检查原蜗杆转动箱, 更换轴承和磨损零件, 对相关零件重新装配并且调整定位, 改进蜗杆液压系统。

后龙门镗铣床工作台传动恢复了正常工作精度, 获得预期效果。

六、结语

在大型精密设备的大修及数控升级改造中, 设备精度和性能的恢复, 应当根据机床的实际状况, 采用先进的数控功能予以实现。此次数控龙门镗铣床的大修改造, 运用西门子840D的“龙门轴”功能, 通过对原传动机构的改造, 实现了对横梁运动 (W轴) 和水平精度的控制。同时, 大修工作也必须不断地采用新工艺, 机床工作台静压蜗母条采用耐磨涂层修复技术的成功运用, 对于大型精密龙门镗铣床、龙门加工中心、落地镗铣床的机械大修, 提供了宝贵的实践经验和支撑手段。大修改造的成功也提高了技术人员的水平, 锻炼了维修改造队伍, 积累了经验。

摘要：通过对老旧镗铣床 (PF-H75KW数控龙门镗铣床) 的机械大修及数控改造, 使该镗铣床恢复工作精度, 取得预期效果。

龙门铣床的数控改造 篇3

关键词：数控系统,改造,调试,思考

一、数控机床在大修改造中的提倡的基本原则

一般的讲, 数控机床大修改造的过程中, 技术上要追求先进性;质量上要强调可靠性;投入上要坚持经济性。

以我公司六米数控龙门铣为例, 该设备从投入使用之日起历经20多年, 当初安装的西门子SINUMERIK 8M数控系统硬件已经老化, 故障频频, 配件基本停止生产, 损坏部件已经难以购置。840C系统是西门子较为先进的控制系统, 该控制系统控制逻辑严谨, 以往的工作实践证明, 其运行稳定性能相对可靠。部分附属附件还可与8M系统相互兼容, 故选择将原西门子8M系统更换为西门子840C系统。

根据该机床的实际情况, 机床床身移动部分的电缆容易损坏, 因此大修改造中我们注意检查了移动部分的电缆, 原则上对这些部位的电缆在大修中都进行了更换;同时, 在更换动力部分的电缆时, 采用了耐油多蕊电缆;在更换信号电缆时采用了耐油、带屏蔽网的多蕊电缆;全面检查机床床身上及附属设施上的电器开关;逐个检查传感器、油压开关等电气元件, 对状态不好性能不可靠的电器元件及时进行更换, 更换中我们遵循了尽量方便日常电器维护的原则。

二、改造调试工作中的几个问题

1、数控系统改造后的初次送电

改造中电气系统按装调试的第一关是送电。因为送电是对电器控制系统大修安装水平与质量的检验。研究我们在送电中遇到问题时, 不能仅从电气线路上进行检查, 还要从程序中的分析。实践证明如果不先检查程序则很难抓到问题的关键点, 使问题复杂化。所以送电时既要从送电线路上的继电器, 接触器或电气连接装置等方面加以考虑, 同时也应对送电部分的程序进行分析。现就首次上电中出现过的问题加以论述。现象:启动系统电后, 按启动按钮, 机床无反应, 主电源开关无法合上, 测量主电源开关欠压线圈无电压, 如果利用程序分析就有可能使问题简单化:

通过读程序可分析出:正常时送电初I 3.1为0, F 125.0为1, 使F125.1为1, 保持I1.4为1的话以后无论I 3.1如何变化, F125.0均为1, Q15.7主电源开关线圈信号为总为1。

通过840C系统可以随时在线监视系统中各种信号的状态。信号Q15.7为0, F125.1为0, 因为机床还没有动作, I7.0为1, Q8.1为0, 这两个信号状态是正常的, 所以一定是F125.1为0造成Q15.7为的0。进一步分析只有I1.4为0才能使F125.0复位为0, 才能启动断电延时T1, 延时一段时间后使F125.1为0, 使Q15.7为0, 所以应将重点放在I1.4急停链路上, 这时再查找电气线路最终查得纸带阅读机上的一处急停线断开。

此例说明如果不分析程序, 而只是查I1.3所联系的钥匙、按钮、系统电源空开副触点、继电器等线路问题, 就会很麻烦很难找到故障点。所以说根据故障的特点, 选择合理的思路往往会使问题简单化。

2、分度铣头的安装调试

龙门铣床一般都配有多个铣头, 初期投入使用的每个铣头, 都要有一个调试的过程, 有时会出现个别铣头装上后无法分度的现象。解决此类问题可从是否有分度使能入手, 首先查看840C中分度使能程序:

信号F62.4为1可排除, 而铣头分度循环有效F62.4, F64.2是执行铣头分度程序时的有效信号, 当时还未执行分度程序, 逻辑关系也可排除, 只剩F63.6, 由此信号向前, 继续查找程序如下:

由此段程序可知:F70.0, F70.1, F70.2分别对应可分度的3个铣头, 只要三者中有一个为1就能使F63.6为1, 铣头能分度, I28.2是检测铣头是否安装, 是1正常, 但其对应那个变量却不知, 任选一个变量继续查找程序:

发现有四个铣头安装码开关信号I26.4、I26.5、I26.6和I26.7, 于是到铣头上找到有四处安装码开关的对应档块, 反推出该铣头四个方位的识别码状态组合, 与程序中F70.0、F70.1、F70.2产生的条件相联系, 得出该铣头对应的是F70.1, 确认是2号铣头, 由此看来, 出现类是情况应先确认哪个铣头被安装, 哪些信号是误吗, 本例中将F70.1强行置1, 清除报警机床恢复正常。此例也表明840C系统的另一优点, 它可以强制置位一些中间信号, 使程序可以继续执行, 这为维修提供了方便。

3、改造中要以技术图纸为纲

大修改造调试中, 出新纳旧, 新旧交织, 很多部件被换下, 有些部件在等待换, 有些部件则不需要换;机械部分, 电器部分交叉作业, 施工现场比较混乱。稍有不慎, 极易出现差错。

改造中要强调坚持以技术文件为准, 以安装图纸为纲, 认真按照图纸的要求, 认真思考, 仔细安装。历史的经验告诫我们, 往往一点儿小小的疏忽, 就可能造成不必要的麻烦。甚至出现不该发生的事故。

实际上, 数控铣床在大修改造中, 随时解决工作中出现的诸多问题, 是这项工作的基本任务。我仅就数控铣床进行安装调试中的实践所思考过的几个问题, 谈一下自己的心得体会, 为从事数控机床维修工作的同行提供一点参考。并请指正。

参考文献

[1]索浩建:《数控机床改造刍议》.设备管理与维修.1995.No11[1]索浩建:《数控机床改造刍议》.设备管理与维修.1995.No11

[2]王永红:《数控机床改造的意义及其技术途径》.机械制造与自动化.1998[2]王永红:《数控机床改造的意义及其技术途径》.机械制造与自动化.1998

龙门铣床的数控改造 篇4

关键词：滚动,线轨,精度,量仪,优越性

随着现代化制造技术的不断发展, 使得传统的制造业发生了巨大的变化, 数控技术、机电一体化在生产中得到了更加广泛的应用。同时机械传动机构的定位精度、导向精度和进给速度在不断提高, 使传动的导向机构发生了重大的变化。因此, 滚动直线导轨副以其独有的特性, 逐渐取代了传统的滑动直线导轨, 以满足现今机械对于高精度、高速度、节约能源以及缩短产品开放周期的要求。各种重型组合机床、数控机床、高精度电火花切割机床、磨床等机械中得到了广泛的应用;我公司在龙门铣床数控改造中, 横梁滑座导轨也采用了滚动直线导轨副以保证精度。

1、滚动直线导轨副类型、结构及工作原理

1.1 滚动直线导轨副的类型和结构

在机床中常用的滚动直线导轨副主要有两种类型, 即GGA (径向型) 和GGB (四方向等载荷型) , 其主要特性详见表1。

1.2 滚动直线导轨副的工作原理

滚动直线导轨副是由一根长导轨和滑块构成, 详见图1 (a) GGA型和图1 (b) GGB型, 滑块数量根据需要而定。滑块体内有四组滚珠: (1、2) , (3、4) , (5、6) , (7、8) 。其中2、3、6和7为负载滚珠, 1、4、5和8为回珠。导轨副工作时, 随着滑块与导轨的相对移动, 滚珠就周而复始地进行滚动循环。

2、滚动直线导轨副的性能特点

2.1 定位精度高

滚动直线导轨副的运动借助钢球滚动实现, 导轨副摩擦阻力小, 动静摩擦阻力差值小, 低速时不易产生爬行。重复定位精度高, 适合作频繁启动或换向的运动部件, 可将机床定位精度设定到超微米级。同时根据需要适当增加预载荷, 确保钢球不发生滑动, 实现平稳运动, 并减小运动的冲击和振动。

2.2 磨损小

对于滑动导轨面的流体润滑, 由于油膜的浮动产生的运动误差是无法避免的。在绝大多数情况下, 流体润滑只限于边缘区域, 由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的, 在这种摩擦中, 大量的能量以摩擦损耗被浪费。与之相反, 滚动接触由于摩擦耗能小, 滚动面的摩擦损耗也相应减少, 故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时, 由于使用润滑油也很少, 这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。

2.3 适应高速运动且大幅降低驱动功率

采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小, 可使所需的动力源及动力传递机构小型化, 使驱动扭矩大大减少, 使机床所需电力降低80%, 节能效果明显。可实现机床的高速运动, 提高机床的高速运动, 提高机床的工作效率20%-30%。

2.4 承载能力强

滚动直线导轨具有较好的承载性能, 可以承受不同方向的力和力矩载荷, 如承受上下左右方向的力以及颠覆力矩、摇动力矩和摆动力矩。因此, 具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以阻尼, 以提高抗振性, 同时可以消除高频振动现象。而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负载较小, 易造成机床运行精度不良。

3、滚动直线导轨副的选择与安装

3.1 滚动导轨副在机床中的选择

在机床中, 导轨副的功用是导向和承载, 其配置的优劣影响机床执行件按正确轨迹运动的同时, 还关系到机床执行件的运动特性以及系统的使用寿命。在龙门铣床横梁滑座采用的是GGB型六滑块精密滚动直线导轨副。

3.2 滚动直线导轨副安装方法及注意事项

滚动直线导轨副与床身是采用内六角螺钉联接的, 在钻螺孔时, 应根据导轨副上已有的联接孔来配钻。在拧紧螺钉时, 应从导轨副的中间开始, 然后依次向两端拧紧。两条直线导轨安装后, 必须检查两条导轨副在水平面内的平行度, 并保证在横梁全部长度其平行度误差≤0.01mm。

4、滚动直线导轨副安装基面精度的提高

滚动直线导轨副的安装误差对摩擦阻力和导轨副的寿命都有一定影响, 安装后误差极大时, 会造成摩擦力增加, 寿命降低。因此滚动直线导轨副安装基面的平面度允差0.005/1000mm, 直线度允差中凸0.003/1000mm, 粗糙度Ra1.6um。因此, 为保证安装基面的精度, 应采用以下措施:

4.1 采用水平仪初步测量滚动直线导轨副安装基面

首先将龙门铣床的横梁放置在调整垫铁上, 用水平仪检查调平至最小误差, 用较长的直尺检查横梁导轨安装基面的直线度, 粗刮基面并用涂色法检查, 合格后再用光学量仪检测。

4.2 采用光学平直仪测量滚动直线导轨副安装基面在垂直平面内和水平平面内的直线度

采用光学平直仪测量时, 首先在距龙门铣床横梁导轨 (安装基面) 一端距离不远处 (约1米) 处放调节支架, 其上固定光学平直仪本体, 将反射镜置于垫铁上移至被导轨靠近仪器本体的一端, 调节支架用目测使本体的镜头基本平行于被测导轨, 高度也与反射镜等高。左右摆动反射镜, 同时观察量仪目镜, 使可调分划板上的十字形图像位于视场中心位置, 然后移动反射镜垫板使反射镜移至导轨的另一端, 再观察十字线是否出现在分划板的视场中, 必要时重新调整支架和平直仪本体使十字形图像能很清晰完整地出现在视场中。调整好后, 要用压板或橡皮泥将仪器和反射镜固定, 否则在测量过程中常会出现轻微走动而未发觉, 导致测量错误。

将横梁导轨 (安装基面) 按垫铁长度等分若干段并作好记号, 反射镜可依次由后向前移动, 反射镜在第一档位置时观察目镜, 调节微调手轮, 使可调分划板上的黑色基准线对准亮十字线是一边, 记下手轮刻度值;依次向前移动一个垫铁距离, 再次观察目镜中视准线与亮十字线是否重合。不重合时再旋转微调手轮使视准线仍如第一档位置时一样对准, 记下手轮读数。如此重复依次前进。然后再自前向后重复测量一次, 如相同位置两次读数相差两格以上, 则可能是量仪已走动, 须重新测量。将两次读数取平均值作为测量的原始数据。

测量横梁导轨水平平面内的直线度 (即安装基面是侧面) 时, 将读数目镜转过90°即可。

4.3 采用桥板水平仪测量辅助导轨基面

采用检验桥板和合像水平仪配合来测量横梁辅助导轨基面与主导轨的平行度, 方法简单且测量精度较高。在测量时步骤同上。

根据测得的数据绘制误差曲线图, 铲刮导轨安装基面的凸起部位, 铲刮时用直尺研点检查, 然后再次测量导轨副安装基面在垂直平面内和水平平面内的直线度以及辅助导轨基面与主导轨的平行度, 要求铲刮至精度合格。最后, 将滚动直线导轨副安装在横梁上, 再用量仪检查滑块座沿导轨轴移动时在垂直平面内和水平平面内的直线度, 如符合数控龙门铣床的精度要求即可进行下一步的装配工作。

5、效果分析

龙门铣床的数控改造 篇5

大型数控龙门铣床是加工转向架构架等大构件的关键设备,由于磨损、腐蚀、变形等方面因素引起的几何误差影响铣床加工精度,导致对转向架构架这样的大型工件加工精度下降。误差补偿方法是提高机床加工精度的一种有效方法。随着自动化技术和计算机技术的发展,采用软件手段进行几何误差补偿的方法也得到了不同程度的发展。范晋伟[1]采用单片机设计了数控机床几何误差补偿控制器,并将误差补偿程序写入控制器的程序存储器中,采用RS232C串口方式,实现控制器与数控机床的在线通讯,但该方法要求设计者具备开发控制器的能力且需要熟悉数控机床的控制系统,应用要求高。卢绍青[2]采用几何误差软件补偿法,通过修正原始数控指令,实现三轴数控机床运动误差的补偿,最后采用实验方法证明了补偿方法对机床定位精度改善的有效性。赵小松等[3]在四轴加工中心上进行了软件误差补偿实验,补偿效果显著。栗时平[4]对五轴数控机床进行了软件误差补偿算法的研究,计算出误差补偿所需的数控指令并分析了软件仿真的实现过程。

现有误差补偿方法一般应用球杆仪获取机床不同点的定位误差,测量效率低,测量范围小且不灵活, 难以适应大型数控龙门铣床误差补偿几何误差测量。本研究运用高精度的大尺寸激光跟踪仪,精确测量铣床各轴的原始误差,辨识出铣床的所有几何误差项,为误差补偿提供数据源,在此基础上开发一款用于几何误差建模、几何误差辨识和几何误差补偿的软件,形成配套的软件补偿系统,提出一种应用于转向架构架的加工误差补偿方法。

1龙门铣床几何误差建模

1.1铣床的拓扑结构与低序体阵列

数控龙门铣床结构示意图如图1所示,有X、Y、 Z 3个方向的移动轴,并预留了一个旋转轴A 。机床由左、右两个导轨、横梁、立柱、主轴箱和刀具组成,因两侧导轨与机座固联,同时机座和工件均安装在地基上,可认为两侧导轨及机座均在地基所在的惯性坐标系内,共同编号为体1,然后从床身1出发,沿工件和刀具分支逐一标定机床各结构,直至全部部件标定完毕。

1—床身;2—工件;3—横梁;4—立柱;5—主轴箱;6—刀具

数控龙门铣床为典型的三轴数控机床,由机床的二叉树结构可分解为工件分支和刀具分支。工件分支由床身1 → 工件2;刀具分支由床身1 → Y向移动轴3 → X向移动轴4 → Z向移动轴5 → 刀具6。拓扑结构如图2所示。

数控龙门铣床的低序体阵列如表1所示,可清楚地表示出铣床各部件间的关联关系。

1.2铣床几何误差与铣床坐标系设定

当数控龙门铣床沿单轴(如x轴)移动时,具有6个自由度,那么就有6项几何误差分量,分别为沿3个移动轴的线位移误差和绕3个轴的角误差[5],单轴移动的6项几何误差如图3所示。那么,3个移动轴共有18项几何误差分量。

理想状态下,机床的3个移动轴绝对垂直,但在实际安装过程中存在装配误差,导致机床各轴间具有3项垂直度误差。铣床安装后,铣床的X、Y轴与惯性坐标系的Z轴往往不垂直,存在微小的角度偏差。数控铣床的误差参数如表2所示,各误差项如下:

(1)沿X轴移动时,铣床存在6项几何误差:定位误差δx(x),y及z向的直线度误差δy(x)、δz(x),滚转误差εx(x),俯仰误差εy(x)和偏摆误差εz(x)[6]。

(2)沿Y轴移动时,铣床存在6项几何误差:定位误差δy(y),x及z向的直线度误差δx(y)、δz(y),滚转误差εy(y),俯仰误差εx(y)和偏摆误差εz(y)。

(3)沿Z轴移动时,铣床存在6项几何误差:定位误差δz(z),x及y向的直线度误差δx(z)、δy(z),滚转误差εz(z),俯仰误差εx(z)和偏摆误差εy(z)。

(4)铣床X、Y、Z移动副参考轴之间的垂直度误差Pxy、Pzx、Pzy,惯性坐标系Z轴与铣床X、Y移动副参考轴之间的垂直度误差θzx、θzy。

本研究根据机床的二叉树结构构成原理可以将数控铣床简化为刀具分支和工件分支。床身—刀具分支结构中,床身1与大地固联,可认为床身的体坐标系与惯性坐标系重合;横梁3沿床身的Y向移动,考虑铣床的安装误差,其实际运动参考坐标系由床身1的体坐标系分别绕X、Y轴旋转垂直度误差角θzy、θzx得到;立柱4在横梁上沿X向移动,考虑有误差情况,其实际运动参考坐标系由横梁3的体坐标系绕Z轴旋转垂直度误差角Pxy得到;主轴箱5在立柱上沿Z向移动,考虑有误差情况,其实际运动参考坐标系由立柱4的体坐标系分别绕X、Y轴旋转垂直度误差角Pyz、Pzx得到;在不考虑刀具安装误差情况下,刀具6与主轴箱5固联,且跟随主轴箱移动,可认为其运动参考坐标系与主轴箱5的体坐标系重合。

在床身—工件分支结构中,本研究在工件下端面建立其体坐标系,该坐标系相对床身1的体坐标系有平移矢量 。

由多体动力学理论[7]的相邻体间的特征变换矩阵构建方法,可得到有误差情况下铣床各相邻体之间的特征变换矩阵:

在刀具坐标系中,笔者将刀具切削刃中心点表示为 ,在工件坐标系中将待加工点表示为 ,刀具切削刃中心点和理论加工点可在惯性坐标系中描述出来,用位置矢量Pco、Pwo表示:

若刀具切削刃中心点与理论加工点完全重合,作平面铣削时铣床的刀尖将在绝对平面内移动,而实际中因铣床存在几何误差,刀具切削刃中心点与理论加工点间往往存在一定的矢量偏差Ecw,最终导致铣床产生加工误差[7-10]。

Ecw即为数控龙门铣床的空间几何误差模型。公式(2~8)中符号含义如表2所示。

2数控龙门铣床几何误差识别

由公式(8)知:只要测量出几何误差,通过公式(8)就能得出数控铣床的空间几何误差,从而进行补偿加工。具体的辨识过程如下:铣床沿单轴的直线运动,可简化为部件在另一部件上沿导轨的直线移动, 在移动部件的同一平面上设定不共线的3点,通过激光跟踪仪测量3点在导轨不同位置时理想坐标与实际坐标的偏差,联立误差辨识9线法原理建立方程,辨识出导轨上各点的6项原始误差[11]。

以X轴单向移动为例,机床单轴运动时的误差描述如图4所示。

当铣床沿X轴单向移动时,本研究首先在移动部件立柱上建立运动坐标系O1xxyxzx,在横梁上建立参考坐标系Oxyz,然后在移动部件的同一个平面上选择不共线的3点P、Q、K,它们在运动坐标系中的坐标分别为(xxP,yxP,zxP)、(xxQ,yxQ,zxQ)、(xxK,yxK,zxK),运动坐标系原点在参考坐标系中的齐次坐标用[x]xo,yxo,zxo,1T表示。当移动部件从原点移动x距离时,P、Q、K 3点的空间误差Δx(x)在3个方向的分量分别为Δx(P)、Δy(P)、Δz(P)、Δx(Q)、Δy(Q)、Δz(Q)、Δx(K)、Δy(K)、Δz(K),则有:

式中:(x′xP,y′xP,z′xP)、(x′xQ,y′xQ,z′xQ)、(x′xK,y′xK,z′xK)—激光跟踪仪测得的P、Q、K 3点在参考坐标系中的精确坐标值。

又由几何误差9线辨识原理,有P、Q、K 3点的空间误差分量与6项几何误差的关系:

联立求解式(9~14)可以得到δx(x)、δy(x)、δz(x)、εx(x)、εy(x)、εz(x)。

同理,也可以得到δx(y)、δy(y)、δz(y)、εx(y)、εy(y)、εz(y)。

同理,也可以得到δx(z)、δy(z)、δz(z)、εx(z)、εy(z)、εz(z)。

两轴间的垂直度误差可认为是与两轴固联的体坐标系绕固定轴的旋转角。垂直度误差Pxy辨识如图5所示,X、Y轴之间的垂直度误差Pxy,即为x移动轴上的体坐标系Oxyz绕z轴旋转至y移动轴上的体坐标系Ox1y1z1的旋转角,该角度可由激光跟踪仪的配套软件Spatial Analyzer通过坐标变换直接得出。同理,可以得到其他各轴间的垂直度误差值Pzx、Pzy、θzx、θzy。

3几何误差补偿

相较于普通机床,数控机床通过数控指令驱动机床的各轴运动来加工工件。在无几何误差情况下,数控铣床进行直线铣削时的加工精度只与载荷变形误差、热误差、刀具磨损等有关。实际情况下,由于存在导轨制造精度缺陷和横梁大跨度情况下的挠度变形, 以及两侧导轨安装误差及变形,铣床在直线铣削时与理想轨迹存在偏差。为了修正铣床的刀具路线,需要计算出铣床工作空间的位置误差,然后在理想数控指令上添加铣床的空间误差值,使铣床实际刀路尽可能接近理想刀路,以达到精加工的目的[12-16]。误差补偿的原理如图6所示。

运用软件对铣床几何误差补偿的基本思路如下: 首先,导入激光跟踪仪测量的X、Y、Z轴原始位置数据,运用几何误差辨识模型计算出各轴离散点6项几何误差,并利用Spatial Analyzer的坐标转换功能获得各轴间的垂直度误差值;然后,将铣床所有误差项导入几何误差模型中,计算出铣床工作空间离散点的空间位置误差;然后,通过查询理论加工点的空间误差值修正理想数控指令;最终,将刀具中心点精确到理论加工点,减小实际加工点与理论加工点之间的偏差,实现几何误差的软件补偿。具体的流程算法如图7所示。

4几何误差补偿试验

为了验证几何误差补偿方法有效性,本研究进行了大平面铣削试验,加工工件尺寸3.6 m×4.7 m。笔者分别测量沿横梁上导轨的X向移动轨迹及靠近两侧导轨的Y向移动轨迹,通过对比补偿前后刀具轨迹直线度来验证几何误差补偿方法的有效性。以X向由点(-4 800,-3 600,-170) 运动到点(0,-3 600,-170) 为线1,Y向由点(-4 700,-3 700,-170) 运动到点(-4 700,0,-170)为线2, 及Y向由点(-200,-3 700,-170) 运动到点(-200,0,-170) 为线3, 补偿前后刀具轨迹如图8~10所示。从3条刀具轨迹线可以看出,补偿后刀具轨迹波动在0.1 mm范围,而补偿前刀具轨迹波动在0.67 mm范围,补偿后高度提高0.5 mm。

本研究采用激光跟踪仪直接测量法,测量铣床几何误差补偿前后空行程平面运动轨迹,及工件模拟加工后工件上表面,将测量结果在Matlab中绘图,测量结果如图11所示。

然后本研究利用Matlab强大的数据处理功能,运用最小二乘法平面拟合工具计算得到各项平面度误差值,结果如表3所示。从表3可知,未补偿加工工件的平面度为0.486 5 mm,补偿加工工件的平面度为0.239 5mm,平面加工精度提高了50.77%。

5结束语

龙门铣床的数控改造 篇6

定位监控的定义是为了确保轴在预定的时间内到达指定点, 在一个程序段运行结束后 (位置量=0) 启动MD36020 (POSITIONING_TIME精定位延迟) 里设定的时间, 并在这一时间运行结束后检查误差是否低于MD36010 (STOP_LIMIT_FINE精定位精度) 的极限值。如果在位置监控时间结束后, 机床还没有走到精准停的范围内, 就会出现位置监控的报警。对此, 一般可通过修改参数MD36010、MD36020、MD32200 (KV-参数) 再配合修改1407、1409来消除故障。后来又修改MD36040 (STANDSTILL_DELAY_TIME静态监控延迟时间) 。但是经过上述修改参数后, 故障依旧。

将双闭环改为半闭环后, 发现故障消除, 怀疑光栅尺有故障, 于是清洗光栅尺, 更换光栅头、驱动模块等报警都不能消除。用千分表测间隙为0.04mm, 调出MD34250发现该参数已经补偿到0.46mm, 将MD34250清零, 重新测反向间隙为0.5mm。于是拆开滚珠丝杠, 发现传动链上的轴承间隙过大, 调整后, 故障消除。

龙门铣床的数控改造 篇7

XK2860型数控桥式动梁龙门镗铣床是采用机械、电气液压等新设计和制造的通用机床。具有适用范围大、功能广泛、具有较高加工能力的通用金属切削机床。通过数控系统的变量控制功能可简化编程、使复杂的控制简单化。

XK2860型数控桥式动梁龙门镗铣床主体结构为:XK2860型数控桥式动梁龙门镗铣床采用桥式布局, 机床由左右床身、左右滑座、落地平台、龙门架、横梁、溜板箱、主轴箱、方滑枕、铣头、附件交换车、刀具冷却箱、排屑器、液压站、静压站及电气控制柜、电气操作间、按钮站、光栅尺、编码器等电气信号反馈系统等主要部分组成。按钮站置于操作间中, 使机床的操作简捷方便, 机床还可配有电子手轮。方便机床的对刀等操作。

机床根据用户需要配有垂直铣头、伸长铣头、万能铣头及摆角铣头等多种不同功能的铣头, 每种铣头均可通过数控系统的变量控制功能实现自动装夹、自动分度。

我厂生产的XK2860型数控桥式动梁龙门镗铣床数控系统采用德国西门子公司的SINUMERIK 840DSL数控系统, 它是一中高、精、尖的数控系统, 广泛用于铣床、钻床、车床、镗床和加工中心。驱动控制系统采用德国西门子公司生产的SINAMICS S120系列全数字交流调速系统及1PH8交流伺服主轴电机和1FT6交流伺服进给电机, 并选用手持单元作为辅助对刀等控制。龙门架 (X) , 溜板箱 (Y) , 滑枕 (Z) 、横梁 (W) 四个进给轴采用光栅尺作为位置反馈。C轴采用编码器作为位置反馈。

附件库附件架PLC识别:附件的取送都是通过小车 (附件架) 实现的。在附件交换位置装有附件架识别开关, 限位开关撞块装在附件架上, 通过PLC程序设定的不同编码组合可识别放不同附件的附件架。附件库中有:伸长铣头、直角铣头、伸长扁直角铣头、万能铣头等附件。

附件PLC识别:在滑枕正面装有多个附件头识别传感器, 通过PLC程序设定的编码组合可识别不同附件。

当附件车支架识别开关的检测信号与附件交换指令M代码通过数控系统的变量控制功能检测一致时可执行附件的夹紧控制;当与附件头识别传感器识别信号与附件车上的附件车识别开关的检测信号通过数控系统的变量控制功能检测一致时一致时可执行附件的松开控制。

西门子840DSL数控系统在变量控制方面比较方便、灵活, 用户可以根据自身的控制需要通过PLC程序来定义变量, 然后把定义好的变量存放在840DSL数控系统中特定位置。用户可以通过这些自定义变量, 根据机床的控制需要对数控系统的一些系统变量进行调取、访问、修改。用户也可以通过数控程序来调用、访问、和修改这些变量。

附件控制中典型代表为自动换附件。

自动换附件流程:选择数控系统的半自动操作, 输入与所要交换附件号对应的MXX代码, 按数控系统的启动键, 执行换附件过程。MXX代码与附件一一对应。

根据数控系统发出的M代码, 系统会自动与滑枕上的附件比较, 进行变量检测, 如果一致不执行换附件过程, 否则执行自动换附件过程。

C轴准停;

各轴移动到在数控系统中通过变量定义的换附件位置;

小车带着放附件的支架移动到在数控系统中通过变量定义的自动交换附件的位置;

当数控系统通过变量检测到:附件支架号与主机上的附件号一致时, 滑枕移动到自动交换附件的位置;

附件松开;

滑枕移动到在数控系统中通过变量定义的换附件等待位置;

将带着附件的小车移动到附件库中在数控系统中通过变量定义的与所卸附件对应的位置;

将卸下的附件推入附件库中;

小车移动到在数控系统中通过变量定义的附件库中要换附件对应的位置;

将附件库中要换的附件推入小车中;

带着新附件的小车移动到在数控系统中通过变量定义的自动交换附件的位置;

滑枕移动到在数控系统中通过变量定义的自动交换附件的位置;

附件夹紧;

滑枕移动到在数控系统中通过变量定义的换附件等待位置;

小车移动到附在数控系统中通过变量定义的件库中的等待位置;

在R参数中可对附件交换中各坐标轴的到位位置和各附件的到位位置进行定义:在附件交换过程中, 用户可以根据需要通过PLC程序来定义变量, 然后把定义好的变量存放在840DSL数控系统中特定位置, 如DB块中。用户可以通过这些自定义变量, 根据机床的控制需要对数控系统的一些系统变量进行调取、访问、修改。用户也可以通过数控程序来调用、访问、和修改这些变量。

2 结论

西门子840DSL数控系统在变量控制方面方便、灵活, 能够满足用户多方面、个性化的控制要求, 编程简单、快洁。XK2860型桥式数控动梁龙门镗铣床附件自动控制中通过对数控系统变量控制的应用, 节省了编程时间, 简化了编程难度。为我厂带来了可观的经济效益, 为用户节省了构件加工时间, 创造了更多效益。

摘要：本文介绍了数控动梁龙门镗铣床的结构、数控系统, 阐述了变量控制在附件控制中控制流程。