1 數(shù)控改造的目的
隨著石油化工、熱能工程等行業(yè)的發(fā)展，管板類零件的加工需求越來(lái)越多，要求越來(lái)越高。如換熱器管板和折流板上鉆有大量的孔(管板的最大直徑約2m，孔數(shù)約3000個(gè)，以便穿過(guò)換熱管。為了使換熱管能順利地插入管板，不僅要求每個(gè)孔有一定的尺寸精度，更重要的是孔間的相互位置精度(誤差一般要求為0.05mm左右)。以往加工管板、折流板的工藝流程為：劃線—打洋沖—打中心孔—檢驗(yàn)鉆孔。這種方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工序多、每件加工需要百余個(gè)工時(shí)，而且加工精度低，經(jīng)常出晚?yè)Q熱管插不進(jìn)管板、折流板，造成工件報(bào)廢和返工。因此使用高精度、高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床加工已勢(shì)在必行。但是購(gòu)置專用大型數(shù)控機(jī)床或加工中心價(jià)洛昂貴，如將工廠現(xiàn)有的普通搖臂鉆床(如Z3063型)進(jìn)行數(shù)控化改造，則是一項(xiàng)費(fèi)用低、收效快、切實(shí)可行的方案。
2 改造方案的確定
根據(jù)搖臂鉆床布局，欲加工此類管板零件，只要控制鉆床主軸走出每個(gè)加工孔的點(diǎn)位即可，為此有直角坐標(biāo)控制方式和極坐標(biāo)控制方式兩種改造方案。后一種方案結(jié)構(gòu)緊湊，加工范圍能充分利用(由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，其加工范圍擴(kuò)大為Y向行程的一倍)。只要將圖紙中孔的尺寸標(biāo)注從直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)即可，這對(duì)現(xiàn)今使用計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是極其簡(jiǎn)單的事，因而被采用。
具體改造措施如下。
改主軸箱在搖臂上移動(dòng)方式為滾珠絲杠傳動(dòng)，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(X軸);
增加一個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(C軸);
鎖緊搖臂，使得鉆床主軸軸心線和數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)軸心線在同一平面上。
3 改造后數(shù)控?fù)u臂鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(C軸)的設(shè)計(jì)
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臺(tái)面直徑為2m，由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)同步帶輪和一對(duì)精密蝸輪蝸桿副傳動(dòng)，使工作臺(tái)可以繞自己軸線精確地回轉(zhuǎn)。為了保證數(shù)控工作臺(tái)較高的傳動(dòng)精度和剛度，在設(shè)計(jì)制造中采取如下技術(shù)措施。
導(dǎo)軌與支承 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)體積大(直徑2m), 重量大(轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重約2t)，其承受的鉆削軸向力大，摩擦壓力也大。為保證工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精確、靈敏、平穩(wěn)，其圓導(dǎo)軌上粘貼YT 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶，徑向軸承采用了精密的3182100型雙列滾柱軸承及7000型圓錐滾子軸承。經(jīng)實(shí)踐使用效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。
傳動(dòng)元件的選擇 工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵是精確地傳遞運(yùn)動(dòng)，而不是傳遞動(dòng)力。因此傳動(dòng)系統(tǒng)采用同步帶和大型精密蝸輪蝸桿副傳動(dòng)，并用調(diào)整墊片來(lái)調(diào)整蝸輪蝸桿的中心距，從而消除蝸輪蝸桿的傳動(dòng)問(wèn)隙。
伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選擇 由于工作臺(tái)直徑大，重量大，不僅要求工作臺(tái)的伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要有足夠大的轉(zhuǎn)矩，更重要的是要有高的伺服精度及剛度，這樣才能保證轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度及被加工孔的定位精度。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定采用日本三菱公司生產(chǎn)的SF352(B型)高性能、寬調(diào)速半閉環(huán)大功率交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。其技術(shù)參數(shù)如下：所匹配的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MR-J2-350A，額定輸出功率為3.5kW額定輸出轉(zhuǎn)矩為167N·m，最大轉(zhuǎn)矩50.1N·m，最大轉(zhuǎn)速為2500r/min。編碼器的分辨率為16384脈沖/r。該伺服系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地白動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的增益，從而自動(dòng)配合電動(dòng)機(jī)及負(fù)載使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)定。
由 于采取以上三條措施，使數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝調(diào)試極其方便，其性能指標(biāo)不儀達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且超過(guò)原先設(shè)想。經(jīng)實(shí)測(cè)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的重復(fù)定位精度達(dá)到0.01mm(2m直徑上)。平穩(wěn)性及快速響應(yīng)能力亦非常理想。
鉆床主軸箱沿?fù)u臂的移動(dòng)(X軸)
根據(jù)該軸的傳動(dòng)精度對(duì)孔的定位精度的影響，綜合考慮工件的精度要求及經(jīng)濟(jì)性，此軸采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及滾珠絲杠副傳動(dòng)。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，采用內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式雙法蘭滾珠絲杠(型號(hào)為FF5005-5)，以及130BC3100A型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(保持力矩Mjmax=20N·m，步距角qb=0.6°，空載運(yùn)行頻率fmax=15kHz), 在電動(dòng)機(jī)與絲杠之間裝有減速箱(i=1.2)，最大快移速度3m/min。經(jīng)實(shí)際使用完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
主軸的上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(Z軸)
主軸的上下運(yùn)動(dòng)(Z軸)用于控制鉆削的徠度，為此，應(yīng)對(duì)主軸箱的傳動(dòng)鏈進(jìn)行一定的修改，并由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，用于控制Z軸進(jìn)給。此時(shí)Z軸的脈沖當(dāng)量接近0.01mm, Z軸的軸向力為10600N ，達(dá)到原機(jī)床的軸向力的指標(biāo)。
4 微機(jī)控制系統(tǒng)及接口電路
本機(jī)床的控制系統(tǒng)在滿足加工要求的前提下從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)．采用國(guó)產(chǎn)的STD總線模板搭制而成。其CPU為8088，具有RS232串行口，可與PC機(jī)通信，進(jìn)行直接加工控制(DNC功能)．并配有9英寸CRT顯示器，進(jìn)行全屏幕編輯加工程序和圖形顯示。
特別要提及的是本系統(tǒng)控制軸的輸出為指令脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，而三菱伺服放大器接收的是正向脈沖序列和反向脈沖序列信號(hào)，兩者不匹配。為了使兩者匹配，設(shè)計(jì)了如圖5所示的接口電路。經(jīng)實(shí)際使用，工作可靠，效果較好。
5 加工程序編制及計(jì)算機(jī)輔助編程
由于被加工管板類零件的孔數(shù)很多，而且類型亦經(jīng)常變動(dòng)，如果直接應(yīng)用ISO數(shù)控代碼手工編程，則計(jì)算和編程工作量很大，亦容易出錯(cuò)，一旦出錯(cuò)檢查十分困難。因此，決定對(duì)被加工管板類零件建立數(shù)學(xué)模型，采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)通用程序來(lái)自動(dòng)生成加工程序。當(dāng)需要加工該零件時(shí)由PC 機(jī)通過(guò)傳輸軟件經(jīng)RS-232數(shù)據(jù)通信接口傳送到數(shù)控系統(tǒng)，就可進(jìn)行加工。事實(shí)說(shuō)明這是一種非常簡(jiǎn)便而有效的自動(dòng)編制加工程序的方法。
6 加工試驗(yàn)及結(jié)論
本搖臂鉆床數(shù)控化改造完成后，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)精度指標(biāo)和性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其尤軸的重復(fù)定位精度為O.01mm，定位精度為0.02mm；C軸重復(fù)定位精度達(dá)00.1mm(在2m直徑上)定位精度達(dá)0.035mm(在2m直徑上)。任意兩孔加工間距最大定位誤差為±0.05mm。經(jīng)工廠實(shí)際使用證明，本機(jī)床性能穩(wěn)定、精度高、操作方便，尤其生產(chǎn)效率大大提高，原先加工一件管板類零件需百余個(gè)工時(shí)，現(xiàn)在只需要十余個(gè)工時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度也得到極大的減輕。本數(shù)控化改造是成功的，可供石油化工、熱能工程行業(yè)加工管板類零件的借鑒。
