安 毅 張明良 許 建

(哈爾濱電動機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

捷克SKODA W250H 普通鏜床是20 世紀80 年代進口的大型落地鏜床。作為一臺大型設備，承擔著企業(yè)重要的生產任務。隨著企業(yè)不斷的發(fā)展，對生產產品的質量和精度的要求越來越高，工件加工尺寸的不斷增大，也要求設備不斷提高生產效率。在這種生產環(huán)境和條件下，對現有大型普通設備的數控化改造就成為企業(yè)所采用的一種有效的措施。基于這樣的原因，對SKODA W250H 普通鏜床的數控化改造成為哈電進一步快速發(fā)展的必然選擇。

1 SKODAφ250 普通鏜床的改造內容

1.1 機床機械部分的改造

數控機床的機械部分在剛度、精度、摩擦、磨損等方面較普通機床有著更高的要求，因此不能簡單地認為將數控裝置與普通機床聯接在一起就達到了機床數控改造的目的，而是應該從機床自身的價值，分析改造要達到的目標和所需要投入。對被改造機床的結構性能，精度等技術現狀作全面分析，包括機床原結構設計是否符合改造要求，各坐標軸的機械傳動結構及導軌的形式是否適用，各項精度是否滿足要求，機床在加工中是否存在缺陷和歷史上有無出現過重大故障，從而確定最終改造方案。

(1)鏜箱系統(tǒng)的改造

鏜箱系統(tǒng)作為落地鏜床最主要的機械部分，是本次改造中為提升質量和效率的重要部分。

首先對主傳動系統(tǒng)進行改造。在改造時，應盡量保留主傳動系統(tǒng)鏜箱內的齒輪和換擋變速機構。因為該機構目前還能滿足數控化改造的要求，同時又可以減少工作量和成本。在驅動方面將原主軸直流電動機改為交流電動機。

對鏜桿進行更新改造。該鏜桿由于多年使用，精度嚴重缺失;同時其刀具裝夾方式無法滿足數控機床自動化的要求。所以更換舊的鏜桿，新的鏜桿應有自動拉刀系統(tǒng)。該機構既可方便維修，又可滿足同類數控設備刀具的互換性能，增加刀具標準化，使刀具的工作具有穩(wěn)定性好、高精度、高速度的特性。

將鏜桿和滑枕的進給改為獨立的進給軸。由于原設計這個進給軸由一臺進給電動機控制，采用摩擦片離合器進行切換，工作中經常發(fā)生故障，使加工產品的質量出現問題，特別是裝有附件頭進行工作時，經常出現故障。

(2)進給傳動系統(tǒng)的改造

在對進給傳動系統(tǒng)進行改造時，把各軸原來的進給傳動裝置全部取消，每個進給軸都采用獨立的伺服電動機單獨驅動。對于Y 軸、Z 軸、W 軸的進給采用無間隙滾珠絲杠代替原來的梯形絲杠。因為滾珠絲杠的滾動摩擦使磨損損失減少，精度保持性、傳動平穩(wěn)性、傳動效率都有所提高。同時由于無間隙傳動，可以滿足數控系統(tǒng)的要求。

對于X 軸，由于傳動距離太長，無法采用滾珠絲杠傳動，故采用高精度、硬齒面齒條齒輪傳動。末端齒輪采用雙齒輪柔性消隙機構。剛性消隙機構雖然結構簡單，剛性較好;但考慮到鏜床立柱及鏜箱的重量，在高速運行時，其慣性較大，剛性消隙機構適應能力差，無法滿足機床各種運動狀態(tài);而且使齒條、齒輪磨損增加，使用壽命大大較少，這種結構受當時技術條件制約，在大型機床實際運行中已發(fā)現其不足，故采用柔性消間隙的方法，采用雙齒輪消隙傳動箱安裝在滑座端面。各進給軸伺服電動機前端也配套安裝標準齒輪減速箱。

(3)修復機床各導軌的精度

該設備的各部導軌均為鑄鐵導軌，具有較好的先決條件。各導軌面采用刮削精加工的方法，要求刮研顯點18～25 點/mm2，保證盡可能的減少摩擦及對位置控制精度的要求。

(4)機床液壓系統(tǒng)的改進

增設一套液壓夾緊裝置，以滿足對主軸刀具夾緊及其它夾緊系統(tǒng)的要求。該液壓系統(tǒng)應有保壓功能，并要求有散熱系統(tǒng)。

改造靜壓系統(tǒng):將原恒壓靜壓系統(tǒng)改為恒流靜壓系統(tǒng)。SKODA W250H 鏜床的原靜壓系統(tǒng)采用毛細管節(jié)流方式，靜壓浮起量較小，一般只有0.02～0.03 mm，無法滿足各靜壓導軌幾何精度的要求。所以各靜壓導軌經常出現爬行現象，且抗傾翻的能力較差。這次改為恒流量靜壓導軌，恒流靜壓采用多頭泵，導軌一腔一泵，油膜厚度一般為0.04～0.05 mm，既增大浮起量又保證了浮起量的穩(wěn)定，使各導軌面在工作時處于非接觸狀態(tài)，對負載的變化有較強的承受能力。改造后提高其穩(wěn)定的承載能力，達到了高精度機床的技術要求;同時由于恒流靜壓具有較強的抗傾翻能力，使機床無論重載切削或精加工均有較高的精度。

1.2 精密測量檢測系統(tǒng)的改進

機床的各個進給軸(除Z、W 軸以外)均采用全閉環(huán)的控制方式。用新安裝的HEIDENHAIN 光柵尺進行位置反饋實現全閉環(huán)控制，以提高機床數控精度。Z、W 軸由于條件限制，采用HEIDENHAIN 編碼器實現半環(huán)控制。

2 數控電氣系統(tǒng)的改造

為保證整個機床改造后精度與功能的實際要求，對機床電氣系統(tǒng)進行全面的數控改造。數控系統(tǒng)選用當今應用最廣泛的西門子 SINUMERIK 840D(NCU573.5)。進給軸X、Y、Z、W 均采用SIMODRIVE 611D 驅動1FT6 交流伺服電動機，其中X、Y 軸配置HEIDENHAIN LB382C 帶距離碼的光柵尺作全閉環(huán)控制，返參考點距離不超過100 mm;Z、W 軸采用絕對值編碼器作半閉環(huán)控制，無需返參考點。主軸采用1PH7226 -90 kW 主軸電動機，配有位置編碼器，實現主軸定向、螺紋切削等功能，并配合機械改造提高主軸最高轉速至900 r/min。PLC 采用分布式I/O 系統(tǒng)結構，線路簡潔、維修方便。

840D 數控系統(tǒng)調試中要特別注意以下過程:送電前準備;HMI 軟件安裝的首次送電;參數部分的首次送電;PLC 部分的首次送電;控制功能的初次調試;用激光測量進行誤差補償;安裝標準循環(huán)。

2.1 送電前準備

送電前必須保證機床電柜內及外部的連線正確，使得機床不會因為線路問題出現故障。

(1)電柜內部連線

對照原理圖，看電柜線路有無接錯的地方，特別是高壓電與低壓電不允許接錯;并按照圖紙要求調整空開的電流設定。對于系統(tǒng)部分，同樣對照原理圖檢查線路問題。需注意，電動機的相序是否正確，各系統(tǒng)的電動機反饋線和閉環(huán)反饋線是否連接正確，600 V 的直流母線排必須固定好并蓋好防護蓋，同時其他排線也要求連接良好，緊固連線的接線端子。

(2)電柜外部連線

對照原理圖，檢查線路。需注意，三相交流回路中(包括電柜電源線)各相之間有無短路;電動機不允許對地且三相電阻必須相等;24 V 不允許直接對地;輸入部分是否全部正常(如限位是否導通);電磁閥、離合器等輸出部分的電阻是否正常;各元件的接地部分是否連接良好。

2.2 HMI 軟件安裝的首次送電

對于全新的PCU 單元僅安裝有Windows XP 系統(tǒng)，HMI 軟件并未安裝，需在首次送電時進行安裝。HMI 軟件的安裝，需要根據NC 卡的版本選擇對應的HMI 軟件版本。將PCU 單元的磁盤開關打到OPERATING 位置，之后對HMI 上電。當出現登陸界面后，直接輸入密碼SUNRISE，使HMI 進入Windows 環(huán)境下。安裝完成后重啟HMI，正常進入HMI 操作界面。

2.3 參數部分的首次送電

進入到操作界面后，即可對參數進行修改。首先設置基礎參數，使系統(tǒng)可以正常運行。

(1)輸入口令

依次按MENU SELECT 鍵(以下稱菜單鍵，在屏幕右下方)，啟動，設定口令(默認制造商口令為SUNRISE)。設定后，機床權限轉為制造商權限，可以對參數進行操作。

(2)模塊配置

依次按菜單，啟動，機床數據，設定數據，進入模塊配置畫面。模塊配置畫面定義如下:位置號，模塊在電柜中的實際排列位置(如，主軸緊挨NCU 模塊，其位置號為1)。驅動號:模塊在系統(tǒng)中的排列位置(如，主軸的驅動號為5)。是否有效:模塊是否有輸出。電動機模式:電動機類型(主軸為異步，其他都為同步)。在模塊配置畫面下，依次按粘貼模塊鍵(注意按電柜的實際模塊選擇單雙軸)，按照電動機類型修改電動機模式，按粘貼功率模塊鍵(模塊型號在電柜中模塊右下角的位置可以找到)，再修改模塊驅動號并設定模塊是否有輸出。驅動號順序一般為:5(主軸)，1(X軸)，2(Y 軸)，3(Z 軸)，4(W 軸)。保存后，NCK 復位。

(3)選擇電動機

以上參數設定完成并復位后，正常情況下會有報警“軸X 驅動1 需要設定參數”，即說明可以對電動機進行選擇。依次按菜單，啟動，機床數據，設定數據，電動機選擇，按電動機標牌的型號對電動機進行選擇，選擇后出現的選項直接確定就可。電動機全部選完后，NCK 復位，出現是否保存驅動配置時，選全部保存。

2.4 PLC 部分的首次送電

根據NC 卡的版本選擇合適的PLC 程序版本，常用的PLC 版本為6.5 及7.4。先將系統(tǒng)的組態(tài)下載下來，與圖紙進行對照。將筆記本與840D 系統(tǒng)連接上后，打開STEP7，建立新項目。選擇PLC，Upload Station to PG;在彈出的對話框中按下VIEW，再按OK，有需要覆蓋的地方Yes To All。下載后，打開SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系統(tǒng)組態(tài)與圖紙上的地址是否一致，不一致的話進行修改。組態(tài)修改完成后，可以將程序進行傳輸。將需要傳輸的程序復制到SIMATIC 300(1)PLC ＊＊＊(型號與具體PLC 有關)S7 Program(1)Blocks 中，然后按上方的Download 鍵將程序傳輸至PLC 中。打開程序中的模塊，根據圖紙進行實際修改。

2.5 控制功能的初次調試

以上步驟完成后，試驗好三相電動機的轉動方向及機械調整油壓后，可以開車。開車時，注意多觀察菜單，診斷，服務顯示里面的選項。電氣需要首先驗證各軸限位，Z/W 軸行程，主軸換擋及滑枕補償是否正常。全部正常后，可交給機械調整精度。

2.6 用激光測量進行誤差補償

首先設置38000，之后依次按菜單，服務，數據選項，將NC 生效數據選擇上，確認。在NC 生效數據中找到測量系統(tǒng)誤差補償，找到需要補償的軸，將該文件復制到工件文件夾下(可能需要先從數據選項中選擇工件，并在程序工件中新建立個文件夾)。

依次按菜單，程序，工件，打開需要補償軸的文件，根據看激光的差值進行依次輸入(具體規(guī)則為:負向補償時，我們用激光記錄的數值，將其記錄的最后一個數值正負交換后輸入到文件的頭一個數值;倒數第二個數值正負交換后輸入到文件的第二個數值;以此類推)，全部輸入完成后，在MIN 中輸入行程(負數)，在MAX 中輸入0;正向補償時，則輸入原數值，在STEP中輸入每次激光的間距。之后按關閉編輯器。

設置32700 相關位(開環(huán)［0］，閉環(huán)［1］)為0，選擇補償表文件，在AUTO 模式運行，再設置32700 相關位為1，NCK 復位，對應坐標軸重新回原點。

2.7 安裝標準循環(huán)

首先將對應的文件釋放:依次按菜單，服務，擴展鍵(向右的箭頭)，連續(xù)啟動，讀入調試文檔，循環(huán)文檔。之后先選擇CYCLEMALL，按啟動，再選擇DEFINSE，按啟動。再將對應的定義文件安裝上:依次按菜單，服務，顯示選項，將定義選擇上，然后點確定。按數據管理，打開定義，將其中的4 個文件有裝載選項的進行裝載，有激活選項的進行激活，NCK 復位。

3 本次改造中機械解決的難點

3.1 主電動機的更換

原主電動機為定制的直流電動機，與主軸箱設計為一體式結構，而且原電動機所處位置正好是平衡錘吊點，具有承重作用;在改為1PH7交流主軸電動機后，首先要解決電動機接口的設計，利用原來的框架增加支撐使電動機安裝固定后保證足夠的剛性，以避免振動;再根據主軸箱外形設計外罩，有效利用內部空間設計罩殼的內筋結構，使之能夠承受平衡錘重量。

3.2 Z 軸、W 軸傳動分離

將鏜桿和滑枕的進給改為各自獨立的進給軸，取消摩擦片離合器結構，利用原鏜桿進給機構支承墻板進行補充加工后安裝Z 軸、W 軸傳動箱，傳動箱的設計根據支承墻板結構，在有效利用原結構空間的前提下保證支承墻板的剛性。由于Z 軸、W 軸的進給箱均固定在主軸箱上，因此在滑枕進給時鏜桿也必須同時進給，才能保證鏜桿與滑枕的相對位置不變，這就要求兩個軸的進給同步，通過數控系統(tǒng)同步功能實現。

3.3 主軸拉刀機構的設計

由于SKODA 250 鏜床系列鏜桿副結構不同于一般鏜床結構，其滑枕后部為封閉式結構，如果按常規(guī)設計將拉刀油缸安排在鏜桿后部則油管安排相當困難。因此本設計將拉刀油缸設置在鏜桿前部，通過后部接頭將壓力油通過空心鏜桿和中間套輸送到前部油缸，此結構對鏜桿和中間套的加工精度要求較高。

4 達到的效果

經過數控化改造，使原來一臺普通鏜床成為一臺全新的數控落地銑鏜床，機床的精度和功能均提升到現代數控機床的標準和要求，從而大大提高了機床的加工效率和加工精度。

5 結語

隨著數字控制技術的不斷發(fā)展，其功能不斷的強大，擴大了機床加工功能，機床的機械結構變得越來越簡單實用，并對機床各項精度進行補償，從而提高了機床的加工精度。通過對普通機床數控化改造，提高了機床的生產效率和自動化程度，減輕了操作者的勞動強度，提高了機床的加工精度和表面質量，擴大了機床的加工能力和工藝范圍。既使這些普通設備獲得了再生，又使企業(yè)降低設備成本，從而給企業(yè)帶來了可觀的經濟效益和社會利益。