1 數控改造的目的
隨著石油化工、熱能工程等行業的發展,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,孔數約3000個,典型工件),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、高自動化的數控機床加工已勢在必行。但是購置專用大型數控機床或加工中心價洛昂貴,如將工廠現有的普通搖臂鉆床(如Z3063型)進行數控化改造,則是一項費用低、收效快、切實可行的方案。
2 改造方案的確定
根據搖臂鉆床布局,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。后一種方案結構緊湊,加工范圍能充分利用(由于數控轉臺的回轉,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化為極坐標即可,這對現今使用計算機來說是極其簡單的事,因而被采用。經確定的搖臂鉆床數控化改造方案) 。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,由伺服電動機驅動(X軸);
增加一個數控回轉工作臺(C軸);
鎖緊搖臂,使得鉆床主軸軸心線和數控回轉臺軸心線在同一平面上。
3 改造后數控搖臂鉆床的結構特點
大型數控回轉工作臺(C軸)的設計
數控回轉工作臺的臺面直徑為2m,由交流伺服電動機驅動經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。為了保證數控工作臺較高的傳動精度和剛度,在設計制造中采取如下技術措施。
導軌與支承 回轉工作臺體積大(直徑2m), 重量大(轉臺轉動部分重約2t),其承受的鉆削軸向力大,摩擦壓力也大。為保證工作臺回轉精確、靈敏、平穩,其圓導軌上粘貼YT 聚四氟乙烯導軌軟帶,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。經實踐使用效果良好,符合設計要求。
傳動元件的選擇 工作臺傳動系統的關鍵是精確地傳遞運動,而不是傳遞動力。因此傳動系統采用同步帶和大型精密蝸輪蝸桿副傳動,并用調整墊片來調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動電動機要有足夠大的轉矩,更重要的是要有高的伺服精度及剛度,這樣才能保證轉臺的分度精度及被加工孔的定位精度。經設計計算確定采用日本三菱公司生產的SF352(B型)高性能、寬調速半閉環大功率交流伺服電動機驅動。其技術參數如下:所匹配的驅動器型號為MR-J2-350A,額定輸出功率為3.5kW額定輸出轉矩為167N·m,最大轉矩50.1N·m,最大轉速為2500r/min。編碼器的分辨率為16384脈沖/r。該伺服系統能實時地白動調整系統的增益,從而自動配合電動機及負載使系統達到最優化的設定。
由于采取以上三條措施,使數控轉臺的安裝調試極其方便,其性能指標不儀達到設計要求,而且超過原先設想。經實測,數控轉臺的重復定位精度達到0.01mm(2m直徑上)。平穩性及快速響應能力亦非常理想。
鉆床主軸箱沿搖臂的移動(X軸)
根據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濟性,此軸采用步進電動機以及滾珠絲杠副傳動。經設計計算,采用內循環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qb=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。經實際使用完全達到設計要求。
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 微機控制系統及接口電路
本機床的控制系統在滿足加工要求的前提下從經濟角度出發.采用國產的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。特別要提及的是本系統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,設計了如圖5所示的接口電路。經實際使用,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很多,而且類型亦經常變動,如果直接應用ISO數控代碼手工編程,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學模

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