一、機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的必要性 微觀看改造的必要性 微觀上看,數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性,而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力。 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力,可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量,因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 可以實現(xiàn)加工的自動化,而且是柔性自動化,從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3~7倍。 由于計算機(jī)有記憶和存儲能力,可以將輸入的程序記住和存儲下來,然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行,從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序,就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化,從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化,故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使裝配容易,不再需要“修配”。 可實現(xiàn)多工序的集中,減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能,因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 由以上五條派生的好處。如:降低了工人的勞動強(qiáng)度,節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機(jī)床),減少了工裝,縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期,可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的,是一個極為重大的突破。此外,機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 宏觀看改造的必要性 宏觀上看,工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè),在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是,采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外,還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS(管理信息系統(tǒng))、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù),包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化),最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中,數(shù)控機(jī)床的比重(數(shù)控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已達(dá)20.8%,因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 二、如何進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造 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,正處在黃金時代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)床改造是個"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。 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,或為了使用新工藝、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。 數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) 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。 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。 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 購買新設(shè)備時,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)時間短,見效快。改造的機(jī)床一安裝好,就可以實現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 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)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。 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。 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,應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 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。 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際位置反饋信號,隨時與給定值進(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)。可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求,決定是否采用這種系統(tǒng)。 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)作成一個整體時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。 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)計要求,才能獲得預(yù)期的改造目的。 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。 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,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。 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。 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。 |