張映紅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造

張映紅

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

通過對(duì)重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀分析，提出五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造方案，運(yùn)用新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品對(duì)其實(shí)施改造，提升舊銑床的性能、精度和可靠性，解決當(dāng)前汽車制造對(duì)模具復(fù)雜空間曲面加工高精度和高效率的問題，滿足現(xiàn)代汽車模具加工的要求，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

銑床；數(shù)控技術(shù)；五軸聯(lián)動(dòng)；模具加工

我院校外實(shí)習(xí)基地在20世紀(jì)90年代從意大利引進(jìn)一臺(tái)重型數(shù)控龍門銑床，工作臺(tái)面長(zhǎng)5米，寬3.7米，高1.3米，對(duì)當(dāng)時(shí)加工大、中型汽車模具發(fā)揮了應(yīng)有的效能。隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模具制造技術(shù)和工藝也不斷發(fā)展變化，模具制造不但曲面越來越復(fù)雜,而且質(zhì)量要求也越來越高，這臺(tái)20世紀(jì)90年代引進(jìn)的重型數(shù)控龍門銑床也逐漸表現(xiàn)出難以滿足現(xiàn)代汽車模具加工精度高、效率高和成本低的要求。如何解決重型數(shù)控龍門銑床加工復(fù)雜空間曲面模具時(shí)所遇到的瓶頸問題，就成為我們要研究和解決的問題。

（一）重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀分析

1.重型數(shù)控龍門銑床的數(shù)控技術(shù)已淘汰

重型數(shù)控龍門銑床是20世紀(jì)90年代從意大利引進(jìn)的，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)落后和老化，主要表現(xiàn)在重型數(shù)控龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)主要控制 X、Y、Z軸直線聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)加工模具，而對(duì)加工目前汽車覆蓋件模具的復(fù)雜空間曲面時(shí)，就顯得這種銑床力不從心，加工模具的空間曲面形狀和精度均達(dá)不到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。第二，銑床加工模具時(shí)，還需要多次裝夾，輔助時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。第三，數(shù)控系統(tǒng)的軟件版本功能較低，沒有RTCP等功能，滿足不了現(xiàn)代汽車制造對(duì)模具加工的需求。而數(shù)控系統(tǒng)的硬件如CPC、電路板、接口等已老化，內(nèi)存也小。綜合分析數(shù)控龍門銑床的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)落后和老化。

2.重型數(shù)控龍門銑床出現(xiàn)劣化現(xiàn)象

重型數(shù)控龍門銑床從1994年開始使用至今，幾乎每天24小時(shí)都在使用，銑床的開動(dòng)率高達(dá)92.8%。同時(shí)，銑床的服役時(shí)間已有17年，已超過重型數(shù)控龍門銑床的有效使用年限7年，銑床的機(jī)械部分、電控部分等已出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，如床身導(dǎo)軌磨損加大，銑床出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，降低了銑床運(yùn)動(dòng)精度。各傳動(dòng)齒輪磨損較大，運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)響聲等，銑床的故障率也逐步升高。

3.數(shù)控銑床的發(fā)展方向

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)械加工技術(shù)的飛速發(fā)展，使傳統(tǒng)的制造工藝發(fā)生了顯著的變化。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床是集機(jī)械、電氣、液壓、數(shù)控技術(shù)為一體的高科技、高精密的專門用于加工復(fù)雜曲面的銑床，特別適用于國防、軍工、航空航天、發(fā)電設(shè)備、能源交通、模具制造等行業(yè)的關(guān)鍵精密零件的加工，數(shù)控銑床在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。

在加工汽車覆蓋件模具復(fù)雜空間曲面時(shí)，采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床能更好的保證模具的加工質(zhì)量，能讓模具的裝夾變得容易，避免了多次裝夾，使模具加工變得更加容易，也使模具修改變得容易，能實(shí)現(xiàn)汽車模具加工的高精度、高效率、低成本的目的。

（二）制訂重型數(shù)控龍門銑床改造方案

經(jīng)過分析重型數(shù)控龍門銑床的現(xiàn)狀，針對(duì)造成加工現(xiàn)代汽車模具精度不高，生產(chǎn)效率低等主要問題，成立專項(xiàng)小組，對(duì)重型數(shù)控龍門銑床進(jìn)行全面的檢測(cè)，掌握銑床原有性能指標(biāo)，如原銑床的主運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)給系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)切削性能等。遵循設(shè)備管理原則使修理、改造與更新相結(jié)合，充分吸收意大利重型數(shù)控龍門銑床的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品，對(duì)重型數(shù)控龍門銑床進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造，以提升舊重型數(shù)控龍門銑床的功能、精度和可靠性，滿足現(xiàn)代汽車模具加工的要求。

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造總的要求為：技術(shù)上追求先進(jìn)性，質(zhì)量上強(qiáng)調(diào)可靠性，投入上堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)研究論證銑床改造主要有以下幾方面：

1.保留重型數(shù)控龍門銑床的基礎(chǔ)件，如床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)等大型鑄件（或焊接件），并恢復(fù)原有的功能和精度。

2.更換不能滿足現(xiàn)代模具加工要求的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，選配適合現(xiàn)代模具復(fù)雜空間曲面加工的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。

3.根據(jù)重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)，配置一個(gè)數(shù)控雙擺角銑頭，重新設(shè)計(jì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)，完成復(fù)雜空間曲面的模具加工，擴(kuò)充銑床的功能和檔次。

4.在銑床的進(jìn)給系統(tǒng)中，將步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)更換為伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)；將絲桿更換為滾珠絲桿，以提高銑床精度和效率。

5.重新設(shè)計(jì)銑床電控線路、增加電控柜的空調(diào)裝置等和更換老化的電氣元件等。

6.銑床的輔助部分如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)基本保持不變，只進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

圖1 AC雙擺角銑頭示意圖

（三）重型數(shù)控龍門銑床改造方案實(shí)施

1.采用先進(jìn)的技術(shù)和新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)

（1）選配適合現(xiàn)代汽車模具加工的數(shù)控系統(tǒng)

根據(jù)重型數(shù)控龍門銑床加工現(xiàn)代汽車模具的工藝要求，重新選配當(dāng)前比較先進(jìn)的意大利 FIDIA C10五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，更換舊的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。FIDIA C10數(shù)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性能可靠、操作方便，同時(shí)，還具有直線,圓弧,螺旋線和拋物線插補(bǔ)、動(dòng)態(tài)RTCP補(bǔ)償，旋轉(zhuǎn)軸同步編程、線性誤差和反向誤差的補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度校正、2D 刀具半徑補(bǔ)償、鏡像加工等功能?？蓪?shí)現(xiàn)圖形模擬、圖形編程、作業(yè)順序編程、CAD文件的顯示、故障自診斷等功能，該系統(tǒng)還適用于高功率、高速度的數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)，能使數(shù)控龍門銑床具有高精度、高效率加工復(fù)雜曲面模具的功能。

（2）運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在所涉及的領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。它是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個(gè)總的知識(shí)群體的總稱。在運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，一般都以計(jì)算機(jī)作為分析、計(jì)算、綜合、決策的工具。

所謂五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床是指在一臺(tái)銑床上有五個(gè)坐標(biāo)軸（X、Y、Z三個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)），而且可在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的加工。

要實(shí)現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造，關(guān)鍵問題之一是要在重型數(shù)控龍門銑床增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而重型數(shù)控龍門銑床改造時(shí)的工作臺(tái)不變，同時(shí)，銑床主要用于加工汽車覆蓋件模具，因此,采用主軸頭旋轉(zhuǎn)方式立式結(jié)構(gòu),將A、C旋轉(zhuǎn)軸設(shè)在主軸上，銑頭繞Z軸旋轉(zhuǎn)為C軸，銑頭繞X軸旋轉(zhuǎn)為 A軸。進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用蝸桿/蝸輪副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，選用SIEMENS伺服電機(jī)。并且通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)AC旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并重新設(shè)計(jì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，最終形成AC雙擺角銑頭如圖1所示，A軸正反旋轉(zhuǎn)各為210度，C軸正反旋轉(zhuǎn)各為400度，完成X、Y、Z三軸直線運(yùn)動(dòng)和A、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的五軸聯(lián)動(dòng)，使銑刀始終垂直于模具曲面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲面的模具加工。

（3）采用先進(jìn)的液壓平衡法，以平衡主軸箱系統(tǒng)的重量

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造，增加了一個(gè)數(shù)控AC軸雙擺角銑頭功能，重新設(shè)計(jì)了主軸傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)銑床主軸（Z向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了平衡主軸箱系統(tǒng)的重量，采用目前技術(shù)水平最先進(jìn)的大型儲(chǔ)能筒式液壓平衡機(jī)構(gòu)，使主軸箱進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)性和伺服隨動(dòng)性得到大幅提高。

2.采用新技術(shù)、新工藝延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命

（1）運(yùn)用新產(chǎn)品，改善進(jìn)給系統(tǒng)，提高機(jī)床的定位精度

重型數(shù)控龍門銑床的進(jìn)給系統(tǒng)用于接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令，放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)銑床運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。因此進(jìn)給系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了銑床的性能，直接影響到加工模具的精度。為了保證銑床的加工精度，將該銑床X軸、Y軸、Z軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的絲桿，更換為高速性能好、摩擦力矩小、傳動(dòng)效率高、接觸剛度高、變形小的、高精度的滾珠絲桿副，并采取消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，使進(jìn)給系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、傳動(dòng)精度高、構(gòu)件剛度性強(qiáng)、低摩擦的功能。同時(shí)，對(duì)銑床X軸、Y軸、Z軸方向的伺服驅(qū)動(dòng)裝置均采用轉(zhuǎn)子慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，質(zhì)量小、轉(zhuǎn)速高、輸出功率大的交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)，從而滿足重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)的定位精度要求。

（2）采用修磨技術(shù)和工藝，提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度

對(duì)重型數(shù)控龍門銑床的機(jī)械傳動(dòng)部件如主軸、床身導(dǎo)軌、工作臺(tái)采用修磨技術(shù)和工藝進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，床身導(dǎo)軌采用耐磨貼塑處理，降低導(dǎo)軌間的摩擦力，消除導(dǎo)軌可能產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象，提高了銑床的運(yùn)動(dòng)精度，延長(zhǎng)銑床的使用壽命。

3.重新設(shè)計(jì)銑床電控系統(tǒng)

對(duì)重型數(shù)控龍門銑床電控系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃布線，用新的數(shù)控系統(tǒng)和強(qiáng)電裝置代替舊的系統(tǒng)等；更換老化的電氣元件和電纜及附件等，恢復(fù)銑床電控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，確保銑床正常運(yùn)轉(zhuǎn)、操作靈敏可靠，延長(zhǎng)銑床的電控使用壽命。同時(shí)，根據(jù)電控系統(tǒng)產(chǎn)生的熱負(fù)荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行熱量計(jì)算，增加電控柜空調(diào)裝置，解決溫控問題。

（四）重型數(shù)控龍門銑床改造效果

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造后的檢驗(yàn)，是參照歐美國家設(shè)備對(duì)高檔汽車模具加工精度的要求。對(duì)銑床進(jìn)行幾何精度（工作臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的平行度檢測(cè)、銑頭橫向移動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的平行度檢測(cè)、銑頭垂直升降移動(dòng)對(duì)工作臺(tái)在X、Y方向上的垂直度檢測(cè)、銑頭主軸旋轉(zhuǎn)中心對(duì)工作臺(tái)的垂直度檢測(cè)、銑頭主軸端徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)精度檢測(cè)等項(xiàng)目的檢測(cè)）、定位精度、重復(fù)定位精度、NAS試件和“S”試件加工檢測(cè)，汽車前門外板模具實(shí)物加工檢測(cè)。經(jīng)檢驗(yàn)銑床各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)表明，所改造的重型數(shù)控龍門銑床主要參數(shù)、功能、精度、可靠性，基本達(dá)到同類五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的出廠標(biāo)準(zhǔn)。

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造后的效果主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：

第一，使舊重型數(shù)控龍門銑床獲得新生，實(shí)現(xiàn)銑床數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)，解決當(dāng)前汽車制造對(duì)模具復(fù)雜空間曲面的加工要求高精度、高效率的問題，大大提高了生產(chǎn)技術(shù)裝備水平，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在2010年生產(chǎn)中產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益約為 500萬元，實(shí)現(xiàn)新增利稅約 125萬元。

第二，按目前同等五軸聯(lián)動(dòng)重型數(shù)控龍門銑床的價(jià)格比較，可節(jié)約設(shè)備采購費(fèi)700多萬元。

第三，運(yùn)用科學(xué)新技術(shù)對(duì)重型數(shù)控龍門銑床進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造，具有投資少、見效快的特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)節(jié)能省材，促進(jìn)環(huán)保，為企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造更新提供了一種借鑒。

第四，在充分吸收意大利重型數(shù)控龍門銑床的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的進(jìn)行期改造，掌握重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，把握數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，積累數(shù)控機(jī)床改造維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，打造了一支舊機(jī)床數(shù)控改造的團(tuán)隊(duì)，提高工程技術(shù)人員和專業(yè)教師的專業(yè)能力，也為機(jī)電設(shè)備管理與維修專業(yè)教學(xué)提供了案例。

（五）結(jié)束語

重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1.五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)控制

重型數(shù)控龍門銑床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，銑床中的X、Y、Z軸直線和A、C軸旋轉(zhuǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均為獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，各運(yùn)動(dòng)軸線都有各自的進(jìn)給伺服系統(tǒng)（交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)等），均通過銑床的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制下,完成數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。因此，數(shù)控系統(tǒng)性能優(yōu)劣決定數(shù)控銑床的加工效率、成形精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)加工的控制。

2.AC雙擺角銑頭優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)

運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合重型數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)AC雙擺角銑頭進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)重型數(shù)控龍門銑床五軸聯(lián)動(dòng)的加工。

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TG547

A

1008-1151(2011)06-0103-02

2011-03-15

張映紅（1960－），女（瑤族），廣東興寧人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，從事機(jī)電設(shè)備維修與管理專業(yè)課程教學(xué)和科研。