T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)字化改造
2020-10-28 來源：寶塔實(shí)業(yè)股份有限公司 作者：馬玉芹
摘要：通過T68臥式鏜床加工的大型閥體上的各種孔，因運(yùn)動(dòng)副間隙、卡尺測量誤差或讀數(shù)失誤、手柄進(jìn)給操作失誤等原因而產(chǎn)生的尺寸、位置、重復(fù)精度誤差甚至廢品等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重地影響著產(chǎn)品質(zhì)量及效益。為此，決定對該機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造，加裝橫向、縱向球柵尺及數(shù)顯裝置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使得傳統(tǒng)的手工測量變?yōu)樽詣?dòng)測量、被動(dòng)測量變?yōu)橹鲃?dòng)測量、離線測量變?yōu)樵诰€測量，提高了測量精度、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，解決了由于測量誤差、測量及操作失誤等原因而產(chǎn)生的廢品問題。
關(guān)鍵詞：T68臥式鏜床；進(jìn)給系統(tǒng)；球柵尺；數(shù)顯裝置；數(shù)字化改造
1、前言
T68是一款通用臥式鏜床，用于加工各種復(fù)雜和大型零件，如箱體零件、機(jī)體等，也可加工精度較高、或孔距要求較精確的中小型零件。除鏜孔外，還可以鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔和銑削平面，以及車內(nèi)螺紋等，見圖 1。我公司目前使用T68臥式鏜床加工大型閥體上的各孔并銑平端面。此種閥體各孔之間除了在同一平面上相互距離精度要求較高外，在不同的平面之間也有相互的位置精度要求，而且同一規(guī)格閥體因互換性要求重復(fù)精度也較高。由于加工時(shí)因運(yùn)動(dòng)副間隙、卡尺測量誤差或讀數(shù)失誤、手柄進(jìn)給操作失誤等原因，輕則造成各孔心距累計(jì)誤差較大，重則造成廢品，嚴(yán)重影響加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，亟需解決。
圖 1 T68 臥式鏜床主要結(jié)構(gòu)
2、機(jī)床改造分析
為解決各孔間因運(yùn)動(dòng)副間隙、卡尺測量誤差或讀數(shù)失誤、手柄進(jìn)給操作失誤等原因而產(chǎn)生的精度甚至廢品問題，我公司決定對現(xiàn)有的T68臥式鏜床進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)字化改造，由人工測量變?yōu)閿?shù)字自動(dòng)測量。
我公司屬于60年代建成的老工業(yè)企業(yè)，車間現(xiàn)場環(huán)境差，廠房破舊，冬夏室內(nèi)溫差大，灰塵、粉塵較普遍，加工時(shí)冷卻液、油漬、金屬切屑不可避免；機(jī)床分布散亂，各種機(jī)型混雜，嘈雜、振動(dòng)、電磁干擾不可避免；操作工技術(shù)水平不高，維修工短缺；企業(yè)屬于改制轉(zhuǎn)型期間，生產(chǎn)較忙，因此，需要采用性價(jià)比較高的改造方案，改造時(shí)間不宜過長、精度不宜過高、費(fèi)用不宜過多。
2.1 改造原則
一般機(jī)床改造的主要目的是提高自動(dòng)化水平和效率，以便提高設(shè)備的質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造成現(xiàn)代水平機(jī)床。主要原則是：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。本著上述原則，我公司對進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分現(xiàn)場改造的具體原則是：
（1）不盲目更新，能夠繼續(xù)使用的機(jī)械部分，仍然繼續(xù)使用。機(jī)床改造不僅要縮短安裝周期，更要節(jié)約成本。
（2）為保證原機(jī)床的功能，不宜對原機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)做大規(guī)模破壞性改造。
（3）改造裝置獨(dú)立，易于裝卸，實(shí)用性較強(qiáng)。
（4）改動(dòng)盡可能少，少對原機(jī)床進(jìn)行改造加工，盡量利用原機(jī)床上現(xiàn)有的平面和孔，少配孔。
2.2 方案選擇
首先，排除采用滾珠絲杠、伺服電機(jī)的方案，有以下幾點(diǎn)原因：
（1）原有的主軸升降、工作臺(tái)橫向進(jìn)給、縱向進(jìn)給系統(tǒng)完好無損，改造浪費(fèi)較嚴(yán)重。（2）滾珠絲杠、伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的改造成本較高，不經(jīng)濟(jì)。（3）該T68臥式鏜床還在使用中，工序安排緊張，不宜長時(shí)間停機(jī)改造。
其次，對選用球柵尺或光柵尺改造方案進(jìn)行對比。球柵尺和光柵尺都是新型的位移動(dòng)態(tài)測量傳感器，只是采用的原理不一樣，要求的安裝環(huán)境也不一樣，主要區(qū)別在于：
（1）工作原理
球柵尺是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，光柵尺是利用光柵的莫爾條紋和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。
（2）安裝環(huán)境
球柵尺采用全密封結(jié)構(gòu)，可在水中或者油中工作。尺體為金屬結(jié)構(gòu)，保護(hù)良好，不受冷卻水、金屬粉末、塵土等的影響，抗污染能力強(qiáng)。基準(zhǔn)鋼球的線膨脹系數(shù)與鋼鐵相同，對車間溫度變化不敏感。能在強(qiáng)磁場和強(qiáng)輻射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆。耐振動(dòng)、安裝簡便、不用日常維護(hù)。
光柵尺為在透明玻璃上鍍刻尺寸并粘在鋁尺上，鋁和玻璃的膨脹系數(shù)不一樣，冷熱溫差大時(shí)極易折斷；傳感器與尺的連接是敞開式的，極易進(jìn)水、油、灰塵等，一旦這些雜質(zhì)進(jìn)入，光柵尺就基本報(bào)廢，因此對環(huán)境要求相對較高；安裝較復(fù)雜，需要專業(yè)人員安裝。
（3）分辨率及精度
球柵尺分辨率為5μm，顯示可以為1μm,或者5μm，周期性誤差：長尺寸精度高于光柵尺。光柵尺分辨率為1μm，顯示為1μm,累計(jì)誤差：短尺寸精度高于球柵尺。
（4）使用壽命和總體效益
球柵尺使用壽命10年以上，長尺寸價(jià)格優(yōu)于光柵尺，總體效益高于光柵尺。光柵尺使用壽命一般為 3 年，短尺寸價(jià)格優(yōu)于球柵尺。再次，數(shù)顯改造優(yōu)勢有：機(jī)床改造總投資少，與舊機(jī)床的殘值相適應(yīng)；具有附機(jī)功能，能隨時(shí)裝卸，與其他機(jī)床通用；降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，節(jié)省勞動(dòng)力，減少廢品率；球柵尺及數(shù)顯裝置性能穩(wěn)定可靠。綜上所述，對比我公司實(shí)際環(huán)境和能力，認(rèn)為T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造的最佳方案是“球柵尺+數(shù)顯裝置”。
3 、球柵尺及數(shù)顯裝置參數(shù)的確定
球柵尺及數(shù)顯裝置的選擇依據(jù)：機(jī)床類型、控制軸數(shù)、坐標(biāo)軸數(shù)、機(jī)床現(xiàn)狀、加工過程中的精度要求等具體情況。根據(jù)實(shí)際使用情況，對行程、精度及分辨率、坐標(biāo)軸數(shù)進(jìn)行具體的參數(shù)確定。
3.1 行程選擇
T68臥式鏜床工作臺(tái)橫向進(jìn)給行程850mm，主軸中心線到工作臺(tái)面最大距離800mm，最小距離30mm，即主軸箱升降行程770mm。3.2 精度和分辨率選擇T 6 8 臥 式 鏜 床 工 作 臺(tái) 的 橫 向 進(jìn) 給 量 范 圍0.025～16mm，最小進(jìn)給量25μm，主軸箱升降的進(jìn)給量范圍0.025～8mm，最小進(jìn)給量25μm。
3.3 坐標(biāo)軸數(shù)選擇
對T68臥式鏜床進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造的主要目的是為了解決加工大型閥體上的各孔時(shí)，因各運(yùn)動(dòng)副間隙、卡尺測量誤差或讀數(shù)失誤、手柄進(jìn)給操作失誤等原因而產(chǎn)生的精度甚至廢品問題。因T68臥式鏜床有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，因此可每次只加工位于同一個(gè)平面上的孔，只需要確定由工作臺(tái)橫向移動(dòng)即X方向和主軸箱升降即Z方向組成的坐標(biāo)平面的參數(shù)即可，因此選擇 2 坐標(biāo)軸系。
3.4 球柵尺系統(tǒng)（球柵尺及數(shù)顯裝置）具體規(guī)格
參數(shù)及樣式的確定根據(jù)以上對行程、精度和坐標(biāo)軸系的確定，選擇英國進(jìn)口品牌NEWALL的球柵尺系統(tǒng)，具體的規(guī)格參數(shù)見表 1，樣式見圖 2。
圖2 NEWALL 球柵尺及數(shù)顯表樣式
NMS300數(shù)顯表主要特點(diǎn)說明 ：
94mm×110mm大尺寸液晶屏，帶按鍵音薄膜按鍵；2坐標(biāo)軸系統(tǒng)；可選擇面板安裝方式，耐沖擊ABS前置面板，鍍層鋼制厚殼；外形尺寸：高度160mm（6.3英尺），寬度270mm（10.63英尺），厚度38.2mm（1.5英尺），重量1.5kg，安裝螺釘M10；獨(dú)立PSU電源輸入100～240VAC；數(shù)顯裝置輸入電壓15～24VDC±10%。使用該數(shù)顯裝置改造機(jī)床成本低廉。
NEWALL球柵尺傳感器主要特點(diǎn)說明：球柵尺行程1 016mm，尺身材料為不銹鋼，直徑尺寸為15.25mm；讀數(shù)頭外形尺寸99.45mm×47mm×30.5mm，整尺長度1 270mm，標(biāo)配7.5m鎧裝線纜配D型接頭；球柵尺分辨率為5μm，顯示為5μm。
4、機(jī)床結(jié)構(gòu)改造
根據(jù)T68臥式鏜床的結(jié)構(gòu)和實(shí)際使用情況，根據(jù)改造原則和改造方案，根據(jù)所選定的電氣元件的尺寸和使用要求，以及根據(jù)操作者的自身要求等，最終確定T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造的機(jī)械結(jié)構(gòu)，見圖 3，具體說明如下：
（1）將數(shù)顯裝置用方管支架立起來焊接在機(jī)床右前方的鐵踏板上，讓操作者在操作機(jī)床的同時(shí)較方便地觀看數(shù)據(jù)的變化。
（2）將橫向球柵尺尺身通過兩側(cè)尺支架水平安裝在工作臺(tái)縱向移動(dòng)的下溜板上，讀數(shù)頭通過自制鈑金件水平安裝在工作臺(tái)橫向移動(dòng)的上溜板上，尺身不動(dòng)，讀數(shù)頭跟著上溜板左右移動(dòng)，從而讀取X方向數(shù)據(jù)。
（3）將縱向球柵尺的尺身通過兩側(cè)尺支架垂直安裝在前立柱上，讀數(shù)頭通過自制鈑金件垂直安裝在平旋盤底座上，尺身不動(dòng)，讀數(shù)頭跟著平旋盤底座上下移動(dòng)，從而讀取Y方向數(shù)據(jù)。
（4）雖然球柵尺對安裝環(huán)境要求不高，但若球柵尺的不銹鋼尺身經(jīng)常被高溫的切屑灼傷，經(jīng)常被油污、污漬、灰塵附著粘連，勢必會(huì)影響尺身的清潔度，久而久之，讀數(shù)頭滑動(dòng)不暢，影響電磁信號(hào)的及時(shí)傳輸，進(jìn)而造成測量誤差，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此，需要給球柵尺安裝防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。
（5）數(shù)字化改造另一個(gè)需要考慮的問題是電氣元件的走線問題，改造屬于附加設(shè)計(jì)，不像整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的全盤考慮，并且改造的部位比較凌亂，較難統(tǒng)一布局，因此，數(shù)顯裝置的電纜線從方管支架走線到機(jī)床電柜需要走線槽防護(hù)，球柵尺讀數(shù)頭的鎧裝電纜線用線卡子固定在床身合適位置，最終走線到機(jī)床電柜。
1. 數(shù)顯支架 2. 橫向支架 3. 橫向防護(hù)罩 4. 右支架
5. 走線槽 6. 左支架 7. 縱向支架 8. 縱向防護(hù)罩
圖 3 T68 臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造的機(jī)械結(jié)構(gòu)
改造后結(jié)構(gòu)圖的零部件說明：
數(shù)顯支架1由60mm×60mm×2mm的方管、10mm厚的座板以及鈑金支架焊接而成，其高度符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，在合適位置將座板焊接在鐵踏板上，在鈑金支架上焊接L擋板，用于放置和安裝數(shù)顯裝置，在鈑金上鉆孔安裝數(shù)顯裝置電源，并且在鈑金上與方管對焊位置開圓孔便于數(shù)顯裝置走線。
橫向支架 2 為 5mm厚的L型鈑金，該鈑金一面帶兩個(gè)橫向長條孔。在T68臥式鏜床工作臺(tái)橫向中間位置的合適高度配鉆螺紋孔，將該鈑金安裝在工作臺(tái)橫向移動(dòng)的上溜板上；L型鈑金另一面帶兩個(gè)豎向長條孔，用于安裝球柵尺讀數(shù)頭。橫向防護(hù)罩 3 為鈑金制作，5 面密封，通過底面安裝在左、右支架上，對橫向球柵尺起到防護(hù)作用。橫向防護(hù)罩上鉆孔并焊接M6螺母，用于反向安裝螺釘。
右支架4為Q235A焊接的L型支架，焊接3個(gè)三角形加強(qiáng)筋起加強(qiáng)作用，L型支架立面帶有兩個(gè)橫向長條孔（長條孔用于橫向位置的微調(diào)），被安裝在T68臥式鏜床工作臺(tái)縱向移動(dòng)的下溜板右面，不配鉆孔，利用原下溜板上安裝防塵刮板的M8孔；L 型支架上平面帶有一個(gè)M10螺紋孔，用于安裝球柵尺尺支架，帶有兩個(gè)φ8光孔，用于安裝橫向防護(hù)罩。
走線槽 5 為鈑金制作，C型，數(shù)顯裝置電纜線通過數(shù)顯支架 1 方管連接到走線槽 5 中，之后進(jìn)入機(jī)床后部的自帶電柜中，將線纜布置好后，在合適位置將其與鐵踏板焊接在一起。左支架6為Q235A焊接的L型支架，與右支架4 結(jié)構(gòu)對稱布置，功能一致，不再贅述。
縱向支架 7 為5mm厚的C型鈑金，C型鈑金一面帶兩個(gè)橫向長條孔，安裝在T68臥式鏜床平旋盤底座上，在豎向中間位置的合適高度配鉆螺紋孔；C型鈑金另一面也帶兩個(gè)橫向長條孔，用于安裝球柵尺讀數(shù)頭。C型鈑金的腰高尺寸確定需合適，以便縱向球柵尺左右安裝位置合適，既不與平旋盤干涉碰撞又結(jié)構(gòu)緊湊美觀。縱向防護(hù)罩 8 為鈑金制作，4 面密封，通過外延鈑金安裝在T68臥式鏜床前立柱上（前立柱配鉆安裝孔），對縱向球柵尺起到防護(hù)作用。
5、 機(jī)床改造效果
T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造經(jīng)濟(jì)效果明顯。首先經(jīng)過各種方案的比較調(diào)整，在方案比較中合理地降低了改造的費(fèi)用；其次，該改造項(xiàng)目若請其他相關(guān)廠家到我公司進(jìn)行改造，大致費(fèi)用在5萬元左右，若將設(shè)備運(yùn)送至相關(guān)廠家處進(jìn)行改造，包括鏜床誤工造成的減產(chǎn)損失，大致費(fèi)用在7萬元左右。而我公司自行完成該機(jī)床的改造設(shè)計(jì)，所需的費(fèi)用僅為球柵尺及顯示裝置外購件的價(jià)格和改造用鋼材的價(jià)格，總計(jì)不到 1 萬元，其他人力費(fèi)用和加工費(fèi)用均可并入我公司自己的成本核算中，僅此一項(xiàng)就為公司節(jié)約成本4～6萬元；再次，從確定方案到機(jī)加工零件的完成、球柵尺及顯示裝置外購件的到位，僅用了1個(gè)月的時(shí)間，經(jīng)各方技術(shù)力量的協(xié)調(diào)，在 2 天之內(nèi)完成安裝調(diào)試工作，將停產(chǎn)損失降低到最小。在試車投產(chǎn)方面更取得良好效果，精度和其他質(zhì)量問題得以解決。一般機(jī)床安裝球柵尺及顯示裝置后可提高工效20%以上，而T68臥式鏜床的進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造采用的球柵尺及顯示裝置都比較先進(jìn)（英國進(jìn)口），系統(tǒng)穩(wěn)定性非常高，精細(xì)化制造突出，工效提高了30%以上，質(zhì)量缺陷率降低至3%（這主要還是刀具精度問題造成的），同時(shí)在產(chǎn)品精度、廢品率、設(shè)備利用率、勞動(dòng)強(qiáng)度等方面帶來了更高的隱形價(jià)值。T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造后現(xiàn)場效果如圖 4。
圖 4 T68 臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造后現(xiàn)場效果圖
6、相關(guān)配套完善措施
由于各種機(jī)床結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境不同，球柵尺的安裝沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還需要每個(gè)企業(yè)根據(jù)不同的狀況，完善相關(guān)配套措施。
6.1 電纜線的保護(hù)
電纜線帶不銹鋼鎧甲耐磨損，可是與讀數(shù)頭連接處薄弱，因現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、凌亂，易造成電纜線被經(jīng)常腳踩、碾壓，且機(jī)床各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)頻繁，易造成對電纜接頭的牽拉、拖拽、或電纜線被壓斷，使得數(shù)據(jù)信號(hào)不穩(wěn)定或數(shù)據(jù)信號(hào)中斷，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)研究決定，采用加裝拖鏈的形式保護(hù)電纜線，使得該問題得以解決。
6.2 電訊信號(hào)的抗干擾
球柵尺在使用過程中發(fā)現(xiàn)顯示器信號(hào)有時(shí)不穩(wěn)定，出現(xiàn)機(jī)床不動(dòng)顯示數(shù)自己跳動(dòng)的不正常現(xiàn)象，有時(shí)甚至出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象。經(jīng)與球柵尺供應(yīng)商聯(lián)系，確定為球柵尺的電訊信號(hào)被嚴(yán)重干擾所致，需要正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)，抑制干擾。球柵尺顯示器屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。我公司隨后安排電工正確接好地線，使該問題得以解決。
7、結(jié)束語
T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造過程中，首先，通過對設(shè)備、廠房、環(huán)境等的評(píng)價(jià)，確定T68臥式鏜床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字化改造的原則，并通過滾珠絲杠、光柵尺及球柵尺等改造方案的利弊分析，確定安裝球柵尺及數(shù)顯裝置為最優(yōu)改造方案；其次，通過對該機(jī)床的規(guī)格參數(shù)及實(shí)際使用情況的分析，確定球柵尺及數(shù)顯裝置的規(guī)格參數(shù)，完成電氣設(shè)計(jì)及外購，通過現(xiàn)場測繪確定具體的改造方案，并設(shè)計(jì)出機(jī)械圖紙用于生產(chǎn)加工；再次，通過各方技術(shù)力量的一致努力，經(jīng)過試車投產(chǎn)，取得良好效果，改造成功；最后，根據(jù)實(shí)際使用時(shí)反映的一些狀況，對該改造項(xiàng)目在“電纜線的保護(hù)、電訊信號(hào)的抗干擾”等方面進(jìn)行完善。該改造項(xiàng)目為其他企業(yè)面對不同機(jī)床進(jìn)行“球柵尺及數(shù)顯裝置改造”時(shí)提供一個(gè)新的參考方案。
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