典型机床再制造案例与浅析.doc

机床再制造典型案例与浅析机床维修与改造行业虽然由来已久，但现已把它提升到再制造标准，这趋使我们应以全新的理念去理解与经营它，要做好机床再制造，向国内外再制造企业及其成功范例学习，灵活广泛的技术交流是非常重要的，中机维协与机床绿色再制造联盟为我们提供了这样的平台，我们应充分珍惜这样的机会，将彼此的再制造成功经验展示出来并互相学习与促进，推动机床再制造产业的持续稳定发展。下面我就以武汉华中自控技术发展有限公司近三年内的3个成功案例来说明其再制造实施过程与结果，它们分别是德国KOLB 17轴五面体龙门加工中心、德国SHW UFZ6卧式加工中心、德国SIELEMANN RFrB80数控立式内外圆磨床。一. KOLB 17轴五面体龙门加工中心1.1 机床结构该加工中心主体部分为一台带工件分度台A轴的动梁龙门铣，工作台宽度2500mm，行程5000mm，溜板行程3500mm，横梁行程1750mm，滑枕行程1200mm，配置4个刀库96个刀位、1个附件库（带直铣头、角铣头、万能铣头），共有17个数控轴，使用近20年后精度丧失、故障频繁，现进行机床的机电液进行整体再制造。图1是该加工中心再制造后的工作照片。图1 机床再制造后照片1.2 再制造内容根据机床应用的精度、速度及功能需求以及原主轴结构特点与转速和扭矩的要求，对机床所有轴的传动链、主轴部分、液压润滑等重新计算并设计和制造。机械方面对整机全面解体，部件测绘，对滚珠丝杠、滚动导轨及导轨块、滑枕、主轴系统、附件铣头、机械手、液压润滑系统、防护罩等进行了全面的更换、维修与调整及再制造，对X、Y、W1、W2轴导轨进行精磨。电气方面，通过刀具管理、刀架旋转及在线工件测量等功能的二次开发与应用，通过刀具分类与刀位定义实现自动随机换刀与刀具/附件长度补偿，并实现了换刀中断的自动恢复，具有程序段搜索刀具与主轴转速（含附件，采用异步子程序实现）时的自动刀具/附件更换与补偿功能。真正实现了一次对刀全自动加工的五面体加工功能，实现了五面体全自动加工要求的高性能、高精度、高效率、低故障，提高了机床工作效率。电气方面采用SINUMERIK 840DE数控系统进行全面再制造，其中主轴C轴、工作台X轴、溜板Y轴、滑枕Z轴、横梁升降W/W1轴（龙门同步轴）、分度台A轴共七个轴均为闭环控制，刀库U1/U2/U3/U4轴、附件库U轴、机械手E1/E2轴、机械手旋转E3轴、机械手升降Q轴及水平移动V轴均采用绝对值编码器反馈，无需返参。移动式分度头A轴，通过航空插头连接，允许按钮操作后带电插拔（设置为Parking轴），威图控制柜与空调门及ROSE美卡诺悬挂箱为电气系统提供了良好的工作环境，柜内与机床布线严格按照机床电气系统EMC规范要求施工，器件标识系统与线缆保护系统齐备，分设于滑座、刀库区、主操作箱的分布式I/O站（ET200M和根据滑枕安装空间选型的EM200S远程站）简化布线、方便检修、降低了故障率。1.3项目主要技术要点1.3.1 加工中心通用技术处理系统配置双15MMC、双通道、双MCP和B-MPI手持单元，使操作方便直观、功能互不干涉。机床可以一边自动加工，另一边操作刀具装载、卸载、重新定位等。刀库区10个轴可以在NC轴与PLC轴之间手动或自动切换，具有完善的刀库、机械手以及安装不同的附件头后的实际绝对位置防碰撞保护功能，以及各种连锁保护，配备二次开发的龙门加工中心版本系统监控与故障诊断功能界面，使机床维修方便直观。1.3.2 刀具管理功能运用SIEMENS刀具管理系统实现刀库、附件库中的刀具装卸、重新定位及刀具数据的实时表格式管理（见图2），设计的刀具/附件智能搜索自动更换功能以及具有后台工作能力的刀具准备、旧刀入库、刀具整理与装卸功能提高了机床的工作效率。为了方便特殊刀具（如超大刀具、极少用刀具等）的手动更换等处理，设置了虚拟手动刀库用于存放日常置于刀具架的刀具数据管理，并开发了手动更换刀具方式，其刀具补偿同样自动生效。图2 使用中的刀具表截图（实际PCU50上为中文界面）刀具管理系统包括系统组态（刀库组态、刀具分类（小刀、长刀、宽刀、特种刀具等）、刀位定义、缓冲区定义等）、刀具数据管理（刀库表与刀具表的自动更新、刀具磨损数据管理、刀具识别）、刀具动作（刀具装载、刀具卸载、刀具重新定位、刀具准备、刀具自动/手动更换、旧刀入库、刀库定位等）、刀具管理程序（刀具参数与变量、换刀NC程序、刀具管理接口PLC程序）、刀具长度与半径补偿等。这里描述的刀具包括附件铣头，铣头在刀具管理系统中作为特殊刀具来处理。关于该加工中心的刀具管理功能应用可参见发表于制造技术与机床（2009年第12期）论文SIEMENS 840D刀具管理功能在17轴KOLB五面体加工中心中的应用。1.3.3 刀架旋转实现刀具自动补偿 通过二次开发与应用刀架旋转功能实现在任意附件任意刀具在任意角度时的自动刀具长度与半径补偿，具有了任意2.5的斜面、斜孔、曲面的加工功能（例如：图3）。图3 铣头角度旋转后的自动刀具长度补偿显示画面（实际为中文界面）其相应的各个角度的补偿数据需在线进行准确测量后通过NC和PLC程序处理并实现自动补偿。其万能铣头的运动如图4所示，其刀具长度补偿模型如图5所示。图4 万能铣头运动示意图图4 万能铣头刀具长度补偿模型1.3.4 在线工件测量配置了RENSHAW RMP无线传输工件测量系统，编制完整的工件测量程序，实现在线工件测量。探针作为1个特殊刀具存放在刀库固定位置，和其它刀具一样自动更换与补偿，工件加工过程中利用工件测量探针检查加工量，方便了加工中心的操作，减少了人为检测误差，且提高了效率。1.3.5 电子齿轮 我司共再制造与维改KOLB五面体龙门加工中心4台，其中1台带2轴联动铣头（A、C轴），机械结构决定了B轴在分度时C轴必须按照速度比1：5运动，C轴分度时B轴可不动，这需要用到电子齿轮功能。1.4 验收结果验收方式：先按照该加工中心原出厂精度检验单逐项检验几何精度和定位精度，然后加工2个标准试件、1个斜孔加工试件和1个实际五面体工件，然后将加工完的工件由三坐标测量仪检测工件精度，最终认定几何精度、定位精度均达到或超过出厂精度标准（附终验收精度检验单）。主加工区进给轴速度最大15m20m/min，主轴转速最高3000rpm，刀库移动速度最大30m/min，机械手移动速度最大60m/min。机床所有功能齐备，并在机床实用性、智能化、可靠性等方面优于原机床，可与KOLB同类新的五面体龙门加工中心相媲美。机床经过3年多的精度稳定、低故障运行证实了该加工中心再制造是成功的。二. SHW UFZ6卧式加工中心2.1 机床结构 立柱移动X轴行程6000mm，主轴箱升降Y/Y1同步轴行程2100mm，主轴前后移动Z轴行程1500mm，主轴功率36kW，共3档，最高转速1500rpm。链式刀库带有84个刀位，双机械手液压驱动移动与旋转。图5是SHW UFZ6再制造后的工作照片。图5 再制造后的SHW UFZ6卧式加工中心2.2 再制造内容SHW-UFZ6 CNC 加工中心原由德国生产。主轴具有立式、卧式转换功能。采用850M数控及BOSH驱动系统。经20多年的使用，系统配件无从采购，给维修带来较大困难。机械精度也有所下降，传动机构零件产生不同程度磨损。经对机床的机械部分全面解体、清洗、检查、补充加工和更换磨损和损坏的零件，对传动链经过重新计算与设计制造，重新装配调试，恢复机床精度并提升操作功能。电气部分采用SIEMENS公司840D数控系统与611D伺服装置进行电气改造，Y轴为同步轴双电机驱动结构，主轴立卧转换的铣头摆动A、C轴，配置绝对值位置编码器，作为辅助轴可以参与联动。2.3 项目主要技术要点2.3.1 刀具管理功能采用刀具管理功能，实现刀具装载、卸载、重新定位、异步操作的刀具准备与旧刀入库等功能。链式刀库运动V轴采用索引轴控制方式，采用NC轴与PLC轴切换控制。V轴的零度与刀库的1#刀位对应起来，即使在手动操作时，也不会停在两个刀位的中间位置。2.3.2 刀具/附件长度自动补偿附件铣头具有8个工作位，不同位置的长度经过在线测量，并采用激活G58、G59附加零偏功能的方式实现附件长度补偿。2.4 验收结果验收方式：先按照该加工中心原出厂精度检验单逐项检验几何精度和定位精度，然后加工2个标准试件和1个常用工件，然后将加工完的工件由三坐标测量仪检测工件精度，最终认定几何精度、定位精度均达到或超过出厂精度标准（附终验收精度检验单）。机床所有功能齐备，并在机床实用性、智能化、可靠性等方面优于原机床。机床经过半年多的稳定低故障运行证实了该加工中心再制造是成功的。三. SIELEMANN RFrB80数控立式内外圆磨床3.1 机床结构RFrB80数控立式内外圆磨床是德国HANS SIELEMANN公司在上世纪90年代初生产的，可磨削内圆、外圆、平面、孔底面等，工作台具有偏心调整数显，可以磨削偏心内外圆（包含内外圆锥）。机床最大加工直径800mm，可加工长度1000mm，最大可加工高度780mm。外圆磨头最高转速1500rpm，内圆磨头最高转速3000rpm。机床结构示意图如图6所示，X、Z1、Z2轴传动均为伺服电机驱动滚珠丝杆带动轴移动，Z1、Z2轴各带有两个平衡油缸，平衡油缸压力通过比例阀分流控制；工作台通过液压静压浮升，S1轴传动通过伺服电机经减速箱和皮带驱动旋转，工作台上下层通过六块电磁铁控制是否夹紧，台面为电磁吸盘用于固定工件，工作台与外部电气连接通过滑环；立柱通过液压静压浮升，Q轴传动通过伺服电机经谐波齿轮箱和齿圈驱动旋转；内外圆磨头传动均通过异步交流电机通过皮带驱动磨头旋转，其中外圆磨头配置动平衡调整系统。图6 SIELEMANN RFrB80数控立式内外圆磨床结构示意图由于机床控制系统老化、液压润滑系统动作不到位，机床故障频繁，精度降低，电磁吸盘控制器和动平衡系统等器件寿命已过，随时可能造成机床停止工作，需要一次整体再制造，才能使其重新焕发活力。3.2 再制造内容机械方面将X、Z1、Z2轴滚珠丝杆、轴承、滚动导轨块、伺服电机全部重新计算并设计制造，Q轴、S1轴伺服电机更换，相应的各轴电机接口重新设计，更换磨头轴承和传动皮带，更换所有防护门移动直线轴承，另外液压、润滑、冷却液部分动作不正常、泄漏等问题统一解决。再制造后的机床如图7所示。电气方面采用SINUMERIK 840DE数控系统进行全面再制造，控制柜采用德国威图公司产品，配以威图原装空调侧壁，整个控制柜密封、散热良好，柜内与机床布线严格按照机床电气系统EMC规范要求施工，器件标识系统与线缆保护系统齐备。系统设置为车床模式，X轴的工件坐标为直径显示，Z1、Z2在操作与编程上均视为一个Z轴（通过修改FC25），根据当前磨头来决定实际的移动轴，X、Z1、Z2轴均采用1FT6伺服电机与611D全数字驱动，HEIDENHAIN LS487C玻璃光栅尺实现闭环控制，Q轴设置为PLC轴，绝对值编码器反馈，内外圆磨头电机分别为7.5kW、11kW，通过一台611U装置驱动，采用其参数组切换功能实现两台电机的控制；电磁吸盘采用德国Wagner Magnete L752数字控制器控制上磁和消磁；外圆磨头的动平衡调整装置采用德国MPM AB240控制系统，可以通过自动或手动方式来实现砂轮的动平衡调整。图7 改造后的RFrB80数控立式磨床关于该磨床的再制造有关技术细节可参见发表于制造技术与机床（2011年第8期）论文SIELEMANN RFrB80数控立式内外圆磨床的改造。3.3 项目主要技术要点3.3.1 磨削加工界面内圆砂轮有90mm、150mm、175mm三种规格，分别设为T1、T2、T3，外圆砂轮设为T4。砂轮修整程序中根据实际修整量自动修改刀具磨损数据，在磨削加工程序中调用刀具数据进行补偿，后台的NC程序将有关锥度和补偿数据的计算统一规划考虑。程序调试完毕后，采用EasyMask设计与制作人机对话界面，仅需输入相应的加工数据，即可自动完成各种磨削、砂轮修整及补偿等任务，使机床的效率和可操作性得到了很大的提高。砂轮规格的选择、安全磨削增量、安全退让距离等加工参数直接在画面中设置。加工过程中，工件坐标值、已磨削量、剩余磨削量、磨削进程等均在画面中实时显示，使机床的效率和可操作性得到了很大的提高。同时设计了过程数据与机床信息监控画面，配合故障诊断报警，使机床的故障率和故障时间得到降低。图8是内圆磨削的界面，画面中的“当前位置”软键可将对刀后的当前位置设为工件坐标零点，方便操作；画面中的“修改”软键可将画面中的可修改部分置为修改状态，允许数据输入；画面中的“确认”软键表示确认画面中的加工数据输入完毕，系统自动切换到AUTO方式，加工开始进行。在砂轮修整画面中，对重要的数据如砂轮修整零偏值等进行了加锁保护，防止误操作。图8 磨削软件界面示例3.3.2 机床监控与故障诊断功能同时设计了过程数据与机床信息监控画面，配合完善的故障诊断报警，使机床的故障率和故障时间大大降低。图9、图10是液压润滑、Q轴旋转过程监控与有关信号状态诊断画面，关键数据的修改设置了权限密码，以保护误操作。图9 机床监控与故障诊断画面示例1图10 机床监控与故障诊断画面示例23.3.3系统分辨率由于每次进刀量小，有时可能为0.003mm或0.005mm，所以半径显示时应为0.0015mm或0.0025mm，HMI默认的小数点后3位显示不能满足加工的需求，需要修改参数MD10200 和MD9004，使系统自动提高计算与显示精度。当然一台机床的加工精度主要取决于机床的几何精度、定位精度和重复定位精度，只有机床精度和测量系统精度达到或接近于系统的计算与显示精度，这样的设置才有意义。3.3.4动平衡系统与电磁吸盘控制器外圆磨头的动平衡系统选用德国MPM AB240控制器，结合测振仪反馈信号和转速信号，通过电磁感应来控制两只平衡调整电机的运动方向，调整相应的平衡块的位置，从而达到动平衡自动调整的目的，所有参数通过触摸屏相应的菜单输入，也可以通过软件嵌入到HMI Advanced软件中，集成操作。经过安装调试，该系统工作正常，反应灵敏，可以通过自动或手动方式来实现砂轮的动平衡，不平衡量小于0.06m。电磁吸盘的控制选用了德国Wagner Magnete公司的最新产品L752系列数字控制器来实现吸盘的上磁、消磁，其磁力大小通过一只六档格雷码编码开关控制，根据磨削工艺来选择相应的档位，线缆均通过台面底部安装的旋转滑环来连接，相应的连锁与控制通过PLC程序来实现。选择的控制器为752-ST/1，一个控制器可最多支持四个功率模块，选择的功率模块为752-LT/EP30，最大电流30A。3.3.5参数组切换内外圆磨头通过ANA模块作为一个模拟主轴在NC中直接编程，其两台电机功率、转速等参数不同，因此需用到611U的参数组切换功能。611U的参数组交换功能的设计与调试类似于6RA70、6SE70等西门子产品，支持最多4台不同参数的电机，通过SincomU设置实际使用的参数组数量，并设置好相应的各组主要电机参数，包括MD1146、MD1119、MD1129和MD32250与实际电机匹配，以使电机工作正常。参数组的切换利用611U的自定义DI端子来控制，切换成功与否可通过SincomU来监控，并通过自定义DO端子来跟踪生效的参数组，以控制相应的接触器闭合。两个主轴的速度匹配与限制，通过PLC调用FB3来修改NC参数32250、32000、36200等来实现，每次内外圆磨头切换后PLC控制自动修改参数并后台软复位使参数生效。3.4 验收结果经过再制造，原有的隐患得到了根除，新的控制系统功能强大，运行可靠，全新设计的近似傻瓜式的磨削加工界面与系统监控与故障诊断画面使用简单方便，电磁控制器和动平衡系统反应灵敏，运行稳定。系统运行稳定，交付使用1年多以来尚未出现故障；几何精度、定位精度和重复定位精度均达到或超过该机床的出厂精度标准，X、Z1、Z2轴重复定位精度分别达到8m、6m和4m（德国VDI3441标准）（附终验收精度检验单）。四结语根据我司多年来机床再制造的经验体会，认为机床再制造必须做好以下几项工作：1. 需求分析：包括机床精度、速度与功能需求、主要加工对象的特点等。2. 结构分析：根据机床结构特点，建立在需求分析基础上的机械、液压润滑以及控制系统的设计。3. 功能设计：根据需求分析与结构分析的结果，确定功能设计。4. 过程控制：过程控制是项目实施质量与机床稳定可靠运行的保证。机械：从设计/选型及审核、加工与制造及零件检验、部装及部件检验、总装配及检验、外观修整、试件加工及出厂检验等；电气：特殊功能实现方案确定，控制系统的通风冷却及实施过程中的EMC规范、线缆保护系统、元件标识系统的完善等；液压：油路清洗、密封件选型与安装、油水隔离等。必须严格控制每个环节。5. 故障诊断与售后服务：任何一台设备不可能没有故障，一旦发生故障，如何减少停机时间是值得长期研究的课题，建立完善的机床监控与故障诊断功能，不仅可以降低用户的维修人员技术要求，也可以有效减少故障排除时间，配合及时有效的售后服务才能使机床的运行效率真正得到提高。由于经验及水平有限，上述交流内容中难免有不对之处，希望能起到抛砖引玉的作用，以使我们能够共同提高再制造的水平。 武汉华中自控技术发展有限公司 胡国清