鏜銑床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)改造過程中遇到的問題及解決措施
數(shù)控鏜銑床的數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的改造，有利于提高老舊設(shè)備的加工精度，降低設(shè)備的故障率和維修困難等弊端。本文主要對數(shù)控鏜銑床WOTAN rapid2進行改造，以及在改造中遇到的問題提出相應(yīng)的措施。結(jié)果表明改造后的鏜銑床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)可以有效地提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。
一、鏜銑床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)原狀
WOTAN rapid2 數(shù)控落地鏜銑床是1993 年德國生產(chǎn)的，經(jīng)過二十多年的使用磨損，機械精度嚴重喪失(如圖1)。原數(shù)控系統(tǒng)是西門子880 系統(tǒng)，進入老化故障多發(fā)階段，因西門子系統(tǒng)換代出現(xiàn)備件購買困難，必須進行機械大修和數(shù)控系統(tǒng)改造來恢復(fù)機床的機械精度和控制精度機床存在主要問題如下：該設(shè)備W 軸運動時爬行嚴重，目前該軸已經(jīng)不能繼續(xù)使用。機床立柱前傾，疑為W 軸氣浮板損壞所致，其他軸工作正常。機床在W 軸不參與運動的情況下，可以正常加工，但工件精度因W 前傾而降低。系統(tǒng)采用已淘汰多年的西門子880M 系統(tǒng)，系統(tǒng)故障后，無配件可換。液壓和潤滑系統(tǒng)老化，很多油路不通，關(guān)鍵傳動位置得不到潤滑。
圖1 數(shù)控鏜銑床外觀
二、鏜銑床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)改造方案
(一)電氣部分的改造方案
1 系統(tǒng)選型
采用西門子公司的SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)對原機床數(shù)控系統(tǒng)進行改造升級。SINUMERIK 840D 的軟硬件配置應(yīng)滿足原機床的控制功能：X、Y、Z、B 五軸聯(lián)動，OP010 機床操作單元，10.4 寸彩色TFT 顯示器，19 寸機床控制面板，PCU50，NCU571.5，40G硬盤，零件程序內(nèi)存為 3MB(如圖2)。
圖2 840D系統(tǒng)PLC連接圖
2 驅(qū)動單元
采用西門子611D 全數(shù)字交流驅(qū)動裝置，1FK7 交流伺服電機代替原機床直流伺服電機，對伺服系統(tǒng)進行改造升級；主軸保留原直流主軸電機，采用西門子 6RA70 主軸直流驅(qū)動對主軸系統(tǒng)進行改造升級。
(二)機械部分改造方案
機械部分的改造也是一項十分重要的改造內(nèi)容；設(shè)施改造以后整個機床設(shè)備能夠順利地得以運行，加工精度能夠得到進一步的保證。需要對機床的導(dǎo)軌、主軸、刀具、工作臺等部分進行詳細的方案論證和方案設(shè)計；
(三)潤滑和液壓系統(tǒng)改造方案
潤滑系統(tǒng)的改造方案如下：首先是對原來的導(dǎo)軌潤滑管路進行清洗、修理，采用南京貝奇爾集中式定時定量泵改造機床元潤滑泵；其次是改造液壓箱容積為120 升，清洗液壓控制元件及各管路系統(tǒng)的液壓控制件；再次是更換老化的管路、高壓膠管及接頭。
針對液壓系統(tǒng)的改造方案如下：
1. 更換電磁閥；
2. 增加單獨的油冷溫控器；
3. 更換氣動部分失效的管路；
4. 修復(fù)各軸防護罩，更換各軸刮刷器；
5. 清洗檢修機床的液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，更換老化的油管、油封、及損壞的電磁閥；
6. 檢修旋轉(zhuǎn)工作臺傳動鏈，更換旋轉(zhuǎn)工作臺軸承；
7. 清洗、檢修機床的液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、更換老化的油管、油封、及損壞的電磁閥。檢修冷卻系統(tǒng)；
8. 機械部件組裝、調(diào)整各運動軸之間的位置精度，達到出廠標準；
9. 檢修氣動系統(tǒng)，更換損壞的元器件(包括導(dǎo)軌氣浮機構(gòu))；
10. 清洗疏通、檢修機床潤滑油路，保證所有潤滑點均能潤滑；
11. 機床噴漆翻新。
根據(jù)機床修理改造后主要用于加工使用要求，及機床的結(jié)構(gòu)特點，為了保證機床在經(jīng)過修理改造后能夠擁有足夠的加工能力和精度保障，機床的大修在保定的修理基地進行，對機床的機械部分進行大修，將機床進行分解、檢查零部件是否因鏜損需要修理、和換件。
三、鏜銑床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)改造過程中遇到的問題及解決措施
(一)伺服電機速度不穩(wěn)
在電氣部分的改造當中，遇到主要的問題就是伺服電機控制速度不穩(wěn)定。為解決伺服電機速度不穩(wěn)定的問題，從伺服控制參數(shù)的調(diào)整、反饋單元的檢測和數(shù)控指令的給定三個方面進行了分析研究。最終通過仔細的檢修調(diào)試，排除了系統(tǒng)本身指令輸出，找到造成伺服電機速度不穩(wěn)定的原因是伺服驅(qū)動器的控制參數(shù)不合適，結(jié)合仿真的的最優(yōu)波形，最終確立了伺服驅(qū)動單元控制的參數(shù)，解決了伺服電機速度不穩(wěn)定問題。接下來，敘述伺服驅(qū)動單元參數(shù)調(diào)整確定的過程。
一個數(shù)控伺服系統(tǒng)的參數(shù)一般包括機床通用參數(shù)、軸相關(guān)參數(shù)和驅(qū)動參數(shù)三大部分。一個伺服控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣需要這些不同功能的參數(shù)共同作用，配合默契才能達到最優(yōu)的控制結(jié)果，為得到穩(wěn)定的伺服電機速度控制性能，按照實際機床設(shè)備的特性和仿真的最優(yōu)波形對數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、軸相關(guān)參數(shù)和伺服驅(qū)動器參數(shù)進行從新調(diào)整分析，最終得到對伺服電機速度穩(wěn)定控制的最佳性能，是參數(shù)調(diào)整的最終目的。參數(shù)值的調(diào)整優(yōu)化是一種為使整個系統(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)時，實際負載、驅(qū)動單元以及伺服電機工作時的最佳配合狀態(tài)。
(二)工作臺抖動
在對鏜銑床機械部分的安裝調(diào)試過程中，遇到最大的問題就是工作臺前后和左右方向上運行的抖動。在排除了電氣部分的故障后，首先，對整個工作臺運動部分進行分析。一噸重的工作臺靠氣浮導(dǎo)軌減小臺面與底座的摩擦，使用滾珠絲杠作為傳動機構(gòu)。在對工作臺運動部分的檢修過程中，首先解決絲杠的傳動問題，對絲杠的螺距進行了精確的檢測，發(fā)現(xiàn)傳動部分沒有故障，在對工作臺氣浮部分的檢修過程中，發(fā)現(xiàn)在工作臺運動過程中，有部分導(dǎo)軌與底座導(dǎo)軌有接觸摩擦。氣浮導(dǎo)軌運動過程中不能完全氣體隔層，導(dǎo)致導(dǎo)軌運動時受到的摩擦力不均勻是導(dǎo)致，工作臺運動過程中抖動的最終原因。
圍繞解決導(dǎo)軌運動受阻力不均的問題，首先，對整個氣壓系統(tǒng)的壓力進行了檢測，檢查了每一個關(guān)鍵節(jié)點的壓力值和空氣壓縮機的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)壓力系統(tǒng)工作正常，最后，在對導(dǎo)軌上氣體壓力進行檢測時，發(fā)現(xiàn)整條氣浮導(dǎo)軌的壓力值不均。所以，確定工作臺運動過程中，抖動的原因是氣浮導(dǎo)軌上壓力不均，導(dǎo)致工作臺氣浮導(dǎo)軌向上浮起的升力不足，使工作臺導(dǎo)軌與底座導(dǎo)軌不能完全脫離，運動時產(chǎn)生不均勻的摩擦力。為解決氣浮導(dǎo)軌壓力不均的問題，采取對每個氣體管道進行疏通，檢修由氣源到氣浮出口裝置之間的系統(tǒng)元件；對失效件予以更換。氣浮嘴部的清理，對氣浮嘴部逐一分解清理與清洗，對損壞的氣浮嘴進行更換，軸傳動機構(gòu)修理調(diào)整更換空氣濾芯和疏通每個氣浮導(dǎo)軌氣眼的方法，解決了氣浮壓力不均，最終解決了工作臺運動時抖動的問題。
(三)靜壓主軸運行不
在主軸運行試驗中，當主軸在高速狀態(tài)運轉(zhuǎn)時，運行不穩(wěn)定。為解決靜壓主軸運行不穩(wěn)定的問題，首先對靜壓主軸的工作原理進行了分析，主軸旋轉(zhuǎn)時的支撐點是靠均勻分布在主軸周圍的液壓系統(tǒng)。所以，首先對主軸周圍的液壓進行壓力檢測。壓力檢測表明，在低速和中速運行時，主軸周圍的液壓壓力穩(wěn)定且均勻。但是在主軸在高速旋轉(zhuǎn)時，主軸周圍的壓力檢測顯示不均勻。這是導(dǎo)致靜壓主軸系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的原因。為解決這一問題，采取更換所有跟主軸靜壓系統(tǒng)相關(guān)的密封件，對所有參與靜壓系統(tǒng)工作的電磁閥的動作以及電磁閥進行疏通。最終，解決了靜壓主軸高速運行時不穩(wěn)定的問題。
四、鏜床數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)改造后的效果
由于零件精度的等級以及相應(yīng)的加工方法，代表著一個設(shè)備的加工精度與效率，有著嚴格的標準和加工要求。首先得到低精度、中等精度、高精度和特別精密精度的加工方法總結(jié)如下表1 所示：
表1 零件精度等級及其相應(yīng)的加工方法
通過對數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的改造，使設(shè)備不僅在加工精度方面都有了較大的提高，而且大大提高了設(shè)備的智能化水平，節(jié)約了人力成，提高了生產(chǎn)效率。減少了加工工件道工序次數(shù)。改造后的設(shè)備，鏜銑床的故障率大大下降，停機次數(shù)大大減少，維修難度大大降低，從根上解決了設(shè)備生產(chǎn)能力低下的問題。新的智能系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的應(yīng)用，編程變得更加簡單，加工復(fù)雜零件的功能大大提高，工序大大減少，提升了設(shè)備加工復(fù)雜工件的能力。為提升設(shè)備的生產(chǎn)效率做出了重要貢獻。
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