数控化改造摇臂钻床以加工大型管板类零件

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图1

图2

1.蜗杆支架 2.调整片 3.蜗杆 4.蜗轮 5.工作台 6.塑料导轨 7.机座 8.轴承座 9.318200轴承 10、16.压盖 以11.轴承 12、14.螺母 13.垫片 15.上盖 17.主轴 18.底角 19.挡油板 图3

1 数控改造的目的

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随着石油化工、热能工程等行业的发展，管板类零件的加工需求越来越多，要求越来越高。如换热器管板和折流板上钻有大量的孔(管板的最大直径约2m，孔数约3000个，典型工件如图1所示)，以便穿过换热管。为了使换热管能顺利地插入管板，不仅要求每个孔有一定的尺寸精度，更重要的是孔间的相互位置精度(误差一般要求为0.05mm左右)。以往加工管板、折流板的工艺流程为：划线—打洋冲—打中心孔—检验钻孔。这种方法不仅劳动强度大、工序多、每件加工需要百余个工时，而且加工精度低，经常出晚换热管插不进管板、折流板，造成工件报废和返工。因此使用高精度、高自动化的数控机床加工已势在必行。但是购置专用大型数控机床或加工中心价洛昂贵，如将工厂现有的普通摇臂钻床(如Z3063型)进行数控化改造，则是一项费用低、收效快、切实可行的方案。

2 改造方案的确定

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根据摇臂钻床布局，欲加工此类管板零件，只要控制钻床主轴走出每个加工孔的点位即可，为此有直角坐标控制方式和极坐标控制方式两种改造方案。后一种方案结构紧凑，加工范围能充分利用(由于数控转台的回转，其加工范围扩大为Y向行程的一倍)。只要将图纸中孔的尺寸标注从直角坐标转化为极坐标即可，这对现今使用计算机来说是极其简单的事，因而被采用。经确定的摇臂钻床数控化改造方案见图2 。具体改造措施如下。

1. 改主轴箱在摇臂上移动方式为滚珠丝杠传动，由伺服电动机驱动(X轴);
2. 增加一个数控回转工作台(C轴);
3. 锁紧摇臂，使得钻床主轴轴心线和数控回转台轴心线在同一平面上。

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3 改造后数控摇臂钻床的结构特点

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1. 大型数控回转工作台(C轴)的设计
   数控回转工作台的台面直径为2m，由交流伺服电动机驱动经同步带轮和一对精密蜗轮蜗杆副传动，使工作台可以绕自己轴线精确地回转，其结构如图3所示。为了保证数控工作台较高的传动精度和刚度，在设计制造中采取如下技术措施。 " O/ _4 x% F0 \! _5 I0 `! m T

   1. 导轨与支承 回转工作台体积大(直径2m), 重量大(转台转动部分重约2t)，其承受的钻削轴向力大，摩擦压力也大。为保证工作台回转精确、灵敏、平稳，其圆导轨上粘贴YT 聚四氟乙烯导轨软带，径向轴承采用了精密的3182100型双列滚柱轴承及7000型圆锥滚子轴承。经实践使用效果良好，符合设计要求。 - b& L: W5 Q9 C; c+ s
   2. 传动元件的选择 工作台传动系统的关键是精确地传递运动，而不是传递动力。因此传动系统采用同步带和大型精密蜗轮蜗杆副传动，并用调整垫片(见图3)来调整蜗轮蜗杆的中心距，从而消除蜗轮蜗杆的传动问隙。
   3. 伺服电动机及驱动器的选择 由于工作台直径大，重量大，不仅要求工作台的伺服驱动电动机要有足够大的转矩，更重要的是要有高的伺服精度及刚度，这样才能保证转台的分度精度及被加工孔的定位精度。经设计计算确定采用日本三菱公司生产的SF352(B型)高性能、宽调速半闭环大功率交流伺服电动机驱动。其技术参数如下：所匹配的驱动器型号为MR-J2-350A，额定输出功率为3.5kW额定输出转矩为167N·m，最大转矩50.1N·m，最大转速为2500r/min。编码器的分辨率为16384脉冲/r。该伺服系统能实时地白动调整系统的增益，从而自动配合电动机及负载使系统达到最优化的设定。

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   由于采取以上三条措施，使数控转台的安装调试极其方便，其性能指标不仪达到设计要求，而且超过原先设想。经实测，数控转台的重复定位精度达到0.01mm(2m直径上)。平稳性及快速响应能力亦非常理想。
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2. 钻床主轴箱沿摇臂的移动(X轴) 9 F3 S, K, {% \+ A
   根据该轴的传动精度对孔的定位精度的影响，综合考虑工件的精度要求及经济性，此轴采用步进电动机以及滚珠丝杠副传动。经设计计算，采用内循环浮动式双法兰滚珠丝杠(型号为FF5005-5)，以及130BC3100A型步进电动机(保持力矩M_jmax=20N·m，步距角q_b=0.6°，空载运行频率f_max=15kHz), 在电动机与丝杠之间装有减速箱(i=1.2)，最大快移速度3m/min。经实际使用完全达到设计要求。
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3. 主轴的上下进给运动(Z轴) ) K8 a# i( ~$ @3 y$ O7 W0 w1 t
   主轴的上下运动(Z轴)用于控制钻削的徕度，为此，应对主轴箱的传动链进行一定的修改，并由步进电动机作为驱动源，用于控制Z轴进给。此时Z轴的脉冲当量接近0.01mm, Z轴的轴向力为10600N ，达到原机床的轴向力的指标。

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4 微机控制系统及接口电路

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本机床的控制系统在满足加工要求的前提下从经济角度出发．采用国产的STD总线模板搭制而成。其CPU为8088，具有RS232串行口，可与PC机通信，进行直接加工控制(DNC功能)．并配有9英寸CRT显示器，进行全屏幕编辑加工程序和图形显示。系统框图如图4所示。
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图4

图5

特别要提及的是本系统控制轴的输出为指令脉冲信号和方向信号，而三菱伺服放大器接收的是正向脉冲序列和反向脉冲序列信号，两者不匹配。为了使两者匹配，设计了如图5所示的接口电路。经实际使用，工作可靠，效果较好。
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图6

5 加工程序编制及计算机辅助编程

由于被加工管板类零件的孔数很多，而且类型亦经常变动，如果直接应用ISO数控代码手工编程，则计算和编程工作量很大，亦容易出错，一旦出错检查十分困难。因此，决定对被加工管板类零件建立数学模型，采用C 语言编写通用程序来自动生成加工程序(程序流程图如图6)。当需要加工该零件时由PC 机通过传输软件经RS-232数据通信接口传送到数控系统，就可进行加工。事实说明这是一种非常简便而有效的自动编制加工程序的方法。

6 加工试验及结论

本摇臂钻床数控化改造完成后，经检测各项精度指标和性能均达到设计要求。其尤轴的重复定位精度为O.01mm，定位精度为0.02mm；C轴重复定位精度达00.1mm(在2m直径上)定位精度达0.035mm(在2m直径上)。任意两孔加工间距最大定位误差为±0.05mm。经工厂实际使用证明，本机床性能稳定、精度高、操作方便，尤其生产效率大大提高，原先加工一件管板类零件需百余个工时，现在只需要十余个工时劳动强度也得到极大的减轻。本数控化改造是成功的，可供石油化工、热能工程行业加工管板类零件的借鉴。

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