1 數(shù)控改造的目的
隨著石油化工、熱能工程等行業(yè)的發(fā)展，管板類零件的加工需求越來越多，要求越來越高。如換熱器管板和折流板上鉆有大量的孔(管板的最大直徑約2m，孔數(shù)約3000個，典型工件如圖1所示)，以便穿過換熱管。為了使換熱管能順利地插入管板，不僅要求每個孔有一定的尺寸精度，更重要的是孔間的相互位置精度(誤差一般要求為0.05mm左右)。以往加工管板、折流板的工藝流程為：劃線—打洋沖—打中心孔—檢驗鉆孔。這種方法不僅勞動強度大、工序多、每件加工需要百余個工時，而且加工精度低，經(jīng)常出晚換熱管插不進管板、折流板，造成工件報廢和返工。因此使用高精度、高自動化的數(shù)控機床加工已勢在必行。但是購置專用大型數(shù)控機床或加工中心價洛昂貴，如將工廠現(xiàn)有的普通搖臂鉆床(如Z3063型)進行數(shù)控化改造，則是一項費用低、收效快、切實可行的方案。
圖1
2 改造方案的確定
根據(jù)搖臂鉆床布局，欲加工此類管板零件，只要控制鉆床主軸走出每個加工孔的點位即可，為此有直角坐標控制方式和極坐標控制方式兩種改造方案。后一種方案結(jié)構(gòu)緊湊，加工范圍能充分利用(由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)，其加工范圍擴大為Y向行程的一倍)。只要將圖紙中孔的尺寸標注從直角坐標轉(zhuǎn)化為極坐標即可，這對現(xiàn)今使用計算機來說是極其簡單的事，因而被采用。經(jīng)確定的搖臂鉆床數(shù)控化改造方案見圖2 。
具體改造措施如下：
·改主軸箱在搖臂上移動方式為滾珠絲杠傳動，由伺服電動機驅(qū)動(X軸);
·增加一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(C軸);
·鎖緊搖臂，使得鉆床主軸軸心線和數(shù)控回轉(zhuǎn)臺軸心線在同一平面上。
3 改造后數(shù)控搖臂鉆床的結(jié)構(gòu)特點
1) 大型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(C軸)的設(shè)計
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的臺面直徑為2m，由交流伺服電動機驅(qū)動經(jīng)同步帶輪和一對精密蝸輪蝸桿副傳動，使工作臺可以繞自己軸線精確地回轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了保證數(shù)控工作臺較高的傳動精度和剛度，在設(shè)計制造中采取如下技術(shù)措施。
1.蝸桿支架 2.調(diào)整片 3.蝸桿 4.蝸輪 5.工作臺 6.塑料導(dǎo)軌 7.機座 8.軸承座 9.318200軸承 10、16.壓蓋 以11.軸承 12、14.螺母 13.墊片 15.上蓋 17.主軸 18.底角 19.擋油板
圖3
導(dǎo)軌與支承 回轉(zhuǎn)工作臺體積大(直徑2m), 重量大(轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動部分重約2t)，其承受的鉆削軸向力大，摩擦壓力也大。為保證工作臺回轉(zhuǎn)精確、靈敏、平穩(wěn)，其圓導(dǎo)軌上粘貼YT 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶，徑向軸承采用了精密的3182100型雙列滾柱軸承及7000型圓錐滾子軸承。經(jīng)實踐使用效果良好，符合設(shè)計要求。
傳動元件的選擇 工作臺傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵是精確地傳遞運動，而不是傳遞動力。因此傳動系統(tǒng)采用同步帶和大型精密蝸輪蝸桿副傳動，并用調(diào)整墊片(見圖3)來調(diào)整蝸輪蝸桿的中心距，從而消除蝸輪蝸桿的傳動問隙。
伺服電動機及驅(qū)動器的選擇 由于工作臺直徑大，重量大，不僅要求工作臺的伺服驅(qū)動電動機要有足夠大的轉(zhuǎn)矩，更重要的是要有高的伺服精度及剛度，這樣才能保證轉(zhuǎn)臺的分度精度及被加工孔的定位精度。經(jīng)設(shè)計計算確定采用日本三菱公司生產(chǎn)的SF352(B型)高性能、寬調(diào)速半閉環(huán)大功率交流伺服電動機驅(qū)動。其技術(shù)參數(shù)如下：所匹配的驅(qū)動器型號為MR-J2-350A，額定輸出功率為3.5kW額定輸出轉(zhuǎn)矩為167N·m，最大轉(zhuǎn)矩50.1N·m，最大轉(zhuǎn)速為2500r/min。編碼器的分辨率為16384脈沖/r。該伺服系統(tǒng)能實時地白動調(diào)整系統(tǒng)的增益，從而自動配合電動機及負載使系統(tǒng)達到最優(yōu)化的設(shè)定。
由于采取以上三條措施，使數(shù)控轉(zhuǎn)臺的安裝調(diào)試極其方便，其性能指標不儀達到設(shè)計要求，而且超過原先設(shè)想。經(jīng)實測，數(shù)控轉(zhuǎn)臺的重復(fù)定位精度達到0.01mm(2m直徑上)。平穩(wěn)性及快速響應(yīng)能力亦非常理想。
2) 鉆床主軸箱沿搖臂的移動(X軸)
根據(jù)該軸的傳動精度對孔的定位精度的影響，綜合考慮工件的精度要求及經(jīng)濟性，此軸采用步進電動機以及滾珠絲杠副傳動。經(jīng)設(shè)計計算，采用內(nèi)循環(huán)浮動式雙法蘭滾珠絲杠(型號為FF5005-5)，以及130BC3100A型步進電動機(保持力矩Mjmax=20N·m，步距角θb=0.6°，空載運行頻率fmax=15kHz), 在電動機與絲杠之間裝有減速箱(i=1.2)，最大快移速度3m/min。經(jīng)實際使用完全達到設(shè)計要求。
3) 主軸的上下進給運動(Z軸)
主軸的上下運動(Z軸)用于控制鉆削的徠度，為此，應(yīng)對主軸箱的傳動鏈進行一定的修改，并由步進電動機作為驅(qū)動源，用于控制Z軸進給。此時Z軸的脈沖當量接近0.01mm, Z軸的軸向力為10600N ，達到原機床的軸向力的指標。
4 微機控制系統(tǒng)及接口電路
本機床的控制系統(tǒng)在滿足加工要求的前提下從經(jīng)濟角度出發(fā)．采用國產(chǎn)的STD總線模板搭制而成。其CPU為8088，具有RS232串行口，可與PC機通信，進行直接加工控制(DNC功能)．并配有9英寸CRT顯示器，進行全屏幕編輯加工程序和圖形顯示。系統(tǒng)框圖如圖4所示。
特別要提及的是本系統(tǒng)控制軸的輸出為指令脈沖信號和方向信號，而三菱伺服放大器接收的是正向脈沖序列和反向脈沖序列信號，兩者不匹配。為了使兩者匹配，設(shè)計了如圖5所示的接口電路。經(jīng)實際使用，工作可靠，效果較好。
5 加工程序編制及計算機輔助編程
由于被加工管板類零件的孔數(shù)很多，而且類型亦經(jīng)常變動，如果直接應(yīng)用ISO數(shù)控代碼手工編程，則計算和編程工作量很大，亦容易出錯，一旦出錯檢查十分困難。因此，決定對被加工管板類零件建立數(shù)學(xué)模型，采用C 語言編寫通用程序來自動生成加工程序(程序流程圖如圖6)。當需要加工該零件時由PC 機通過傳輸軟件經(jīng)RS-232數(shù)據(jù)通信接口傳送到數(shù)控系統(tǒng)，就可進行加工。事實說明這是一種非常簡便而有效的自動編制加工程序的方法。
6 加工試驗及結(jié)論
本搖臂鉆床數(shù)控化改造完成后，經(jīng)檢測各項精度指標和性能均達到設(shè)計要求。其尤軸的重復(fù)定位精度為O.01mm，定位精度為0.02mm；C軸重復(fù)定位精度達00.1mm(在2m直徑上)定位精度達0.035mm(在2m直徑上)。任意兩孔加工間距最大定位誤差為±0.05mm。經(jīng)工廠實際使用證明，本機床性能穩(wěn)定、精度高、操作方便，尤其生產(chǎn)效率大大提高，原先加工一件管板類零件需百余個工時，現(xiàn)在只需要十余個工時勞動強度也得到極大的減輕。本數(shù)控化改造是成功的，可供石油化工、熱能工程行業(yè)加工管板類零件的借鑒。
