为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
东台精机
加工中心

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

加工中心

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:加工中心网> 加工与维修>立式五轴数控机床机电优化方法研究
立式五轴数控机床机电优化方法研究
2021-5-28  来源:沈阳工业大学电气 沈阳菲迪亚数控机床  作者:郭志研 夏加宽 时光

     摘要: 根据 VMC 立式五轴数控机床结构及其特点,从机械和电气方面对其进行优化。综合考虑工艺装备、装配工艺、电气控制、PLC 逻辑及先进的五轴精度检测方法,提出一套适用于立式五轴数控机床的机电优化方法。通过对比优化前后的性能,证明了其有效性。该研究对国产高端数控机床产品升级具有理论和现实意义。

     关键词: 五轴数控机床; 工艺装备; 机电优化

     0  前言
  
     某集团 VMC 系列立式五轴数控机床,是面向航天等领域复杂曲面加工的新一代精密加工设备,该机床采用龙门式框架结构,直线轴为 x、y 和 z; 摇篮式旋转轴为 A、C,如图 1 所示。


图 1 立式五轴数控机床
  
     为进一步满足零件复杂曲面高效高精加工的技术要求,本文作者通过对现有 VMC 五轴数控机床进行机械、电气全方位优化,使该机床在动静态性能、加工精度和可靠性等方面达到或超过国际先进水平。
  
     1 、机床现存问题概览
  
    ( 1) 机械装配方面。
  
    目前,企业在制定装配工艺规范时主要依赖生产经验,装配精度一致性差,可靠性难以保证[1]。对该型号机床采用传统的机械装配工艺进行装配,难以满足五轴数控机床高精度、复杂曲面加工的性能要求。在装配阶段,影响整机产品可靠性的因素 很 多,各 因 素 件 又 具 有 复 杂 的 交 互 关系[2],主要反映在紧固件选型、公差控制等方面。

    此外,在装配过程中,缺乏必要的工装检具,致使各项机械检测精度得不到保证且工作效率低。装配工作自由度较大、随意性较高,差异性的装配习惯很难保证产品的一致性,使得机械装配精度处于较低水平。
  
    ( 2) 电气控制方面。
  
    机床电气柜布局不合理;内部走线凌乱、缺乏统一标准规划; 机床原始设计时对电磁干扰考虑较少,容易出现不可预期的电磁扰动; 气动、液动单元空间占用较大,不利于后期保养维护; PLC 控制逻辑冗繁混乱,导致机床外设操控性和安全性难以得到保障。
  
    ( 3) 五轴联动精度检测方面。
  
    缺乏专业的五轴精度自动化检测手段和设备,现有的人工检测手段和方法比较落后,不适应批量生产。机床中应用的摇篮转台结构在外形尺寸、定位精度、刚性等方面性能不足,并且控制逻辑混乱,导致旋转轴与线性轴五轴联动精度较低、转台易出现错误报警。
 
     2 、立式五轴数控机床机电优化工作
  
    为解决上文中提到的问题,需要对机床进行全面的机电优化,优化工作主要分为 4 个部分: 优化前的对比试验、机械部分的优化、电气部分的优化和HMS 五轴精度测量系统的应用。
  
    2. 1 优化前的对比试验
  
    在机床进行全面机电优化前对其进行全面的精度检测,并与同类国际先进产品的精度允差值进行对比,得到如表 1 所示的数据。
  
表 1 优化前的精度检测        mm
 
  
 
  
    通过对比发现,在优化前的一些机床精度检测关键项目上,该机床距国际先进水平机床产品的精度允差值存在一定超差。机械精度和控制系统无直接关系,如果机械本身的精度不足,则任何先进检测和控制系统都很难发挥其应有的作用
[3]。

    因此,判断该机床在机械的装配过程中存在一定缺陷,可以通过优化来进行机械精度的提升,以期在精度上达到或超越同类国际先进机床的水平。
  
    2. 2 机械部分的优化

    VMC 立式五轴数控机床机械部分的优化主要包括以下几个方面: 工艺装备的改进、装配工艺优化和高性能转台的应用及优化。

    2. 2. 1 工艺装备的改进
  
    原 VMC 机床装配过程中,适配的工装夹具较少,对机床装配、精度测量等方面有较大影响。因此,对现有工装夹具进行优化并提出新工装的制作方案和使用方法,新制作了丝杠表座、直线导轨弯板、z 向托板等十余种适配于此机床的新型工装,如图 2—4 所示; 改进了轴承孔检棒等现有工装,如图 5 所示。

  
图 2 丝杠表座

   
   
图 3 直线导轨弯板
 
  
  
图 4 z 向托板

  
   
图 5 轴承孔检棒

    2. 2. 2 机床装配工艺优化
  
    装配工艺水平直接决定了数控机床的机械精度、刚性和稳定性。考虑到优化前装配中存在的各种问题,提出了如下优化方案:
  
    ( 1) 将电机座的底面磨薄,加装调整垫并以此为基准,确保电机与地面的平行度。
  
    ( 2) 固定直线导轨的螺栓,加装碟形垫片,以增加螺钉的刚性。
  
    ( 3) 测量立柱 ( y 轴) 两侧的正向、侧向、合向精度、合向扭曲,以提高测量精度。
  
    ( 4) 简化气动柜的结构。
  
    将 A/C 轴的夹紧松开方式变为气动,减小液压站的负荷,从而使液压站的体积大大减小。
 
    ( 5) 对各伺服轴的导轨滑块加装调整垫,通过研磨调整垫来控制导轨的各项精度。

    采用以上优化方案,机床的刚性、可靠性以及各项精度 得 到 提 升,优 化 后 的 精 度 检 测 结 果 如 表 2所示。
 
表 2 优化后的精度检测         mm
 
  


    2. 2. 3 高性能转台的应用及优化
  
    VMC 机床标配台湾旭阳转台,在刚性、控制精度和稳定性方面略有不足,且控制该转台的 PLC 逻辑不够合理,容易造成机床加工过程中出现过载、通信故障报警等问题。为了全面提高转台性能,选用意大利 LCM 高性能转台,如图 6 所示。

 
   
图 6  2 种转台的应用现场


    图中左侧为LCM 高性能转台,右侧为 VMC 机床原标配的转台。LCM 转台具有刚性好、 响应快、 性能稳定等优点,并且在五轴加工领域被广泛应用。对控制转台动作的PLC 逻辑进行全面优化,优化前后对比如表 3 所示

表 3 转台优化前后对比
 
  


    2. 3 电气部分的优化情况

    VMC 机床电气部分的优化,主要包含以下几个方面: 电器柜的优化与设计、PLC 逻辑的优化以及HMS 测量系统在五轴精度检测中的应用。

    2. 3. 1 电气柜的设计
  
    重新对 VMC 机床的电气柜进行设计,新设计的电气柜如图 7 所示。
  
  
  
图 7 电器柜优化前后对比

    主要进行了以下改进:

    ( 1) 强弱电分开,减小了电磁干扰。
    ( 2) 将电气图纸进行标准化处理,为保证机床未来进入欧美市场,将原有的中文图纸丰富为符合CE 标准的中英文对照图纸。
    ( 3) 优化电气柜结构,将控制星角转换的接触器由 3个减小为 2 个,节省了电气元件,节约了成本,简化了电路结构。
    ( 4) 将继电器组改为继电器模块,减小了占用空间,节约成本; 将电气柜内的元件全部换为符合CE 标准的零部件。

     2. 3. 2 PLC 逻辑优化
  
    通过优化完善 PLC 的逻辑,根据气动液压结构的改变,增加了更多的逻辑互锁保护,如表 4 所示。
  
表 4 PLC 逻辑优化前后对比
 
  
  
 
    2. 3. 3 HMS 系统在五轴精度检测中的应用
  
    HMS ( Head measure system) 是某公司开发的五轴精度自动检测工具[4],如图 8 所示。

    相较于传统的手动五轴精度检 测 ( 千分表配合 球头 检棒人工测量) ,HMS 具有以下优点:

    ( 1) 手动五轴精度测量依靠人工控制,对操作员技术水平要求高; 而采用 HMS 系统测量五轴精度,是由系统控制来自动完成的,只需要对操作人员进行适当培训即可。
    ( 2) 手动测量准备、测量时间长,易产生随机误差,效率低; 采用 HMS 系统测量速度快,每测量完一项精度,系统自动纠正误差,可靠性高。
    ( 3) 手动测量只能寻找 A/C 轴旋转中心,不能对 A/C 轴进行旋转轴的螺距补偿。五轴机床做复杂曲面加工,需要对旋转轴的误差进行控制,HMS 系统可以对 A/C 轴进行旋转轴的螺距补偿。
    ( 4) 手动测量时,当转台旋转角度较大时,千分表的误差会加大,而 HMS 系统的 3 个空间传感器不会受到转台角度的影响,使其精度始终保持稳定。
 
  
  
图 8 HMS 系统
 
    3 、结束语
  
     对现有 VMC 立式五轴数控机床进行机械、电气方面的优化,从装配工艺、电气控制以及零部件选配等方面改进机床的各项性能指标、提升制造水平、提高 VMC 立式五轴数控机床的市场竞力。同时,在工作中摸索总结出一套应用于五轴数控机床产品的机电优化方法,为企业高精尖产品的技术升级提供了指导。


    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com