立式五軸數(shù)控機床機電優(yōu)化方法研究
2021-5-28 來源：沈陽工業(yè)大學電氣 沈陽菲迪亞數(shù)控機床 作者：郭志研 夏加寬 時光
摘要: 根據(jù) VMC 立式五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及其特點，從機械和電氣方面對其進行優(yōu)化。綜合考慮工藝裝備、裝配工藝、電氣控制、PLC 邏輯及先進的五軸精度檢測方法，提出一套適用于立式五軸數(shù)控機床的機電優(yōu)化方法。通過對比優(yōu)化前后的性能，證明了其有效性。該研究對國產(chǎn)高端數(shù)控機床產(chǎn)品升級具有理論和現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞: 五軸數(shù)控機床; 工藝裝備; 機電優(yōu)化
0 前言
某集團 VMC 系列立式五軸數(shù)控機床，是面向航天等領(lǐng)域復雜曲面加工的新一代精密加工設(shè)備，該機床采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，直線軸為 x、y 和 z; 搖籃式旋轉(zhuǎn)軸為 A、C，如圖 1 所示。
圖 1 立式五軸數(shù)控機床
為進一步滿足零件復雜曲面高效高精加工的技術(shù)要求，本文作者通過對現(xiàn)有 VMC 五軸數(shù)控機床進行機械、電氣全方位優(yōu)化，使該機床在動靜態(tài)性能、加工精度和可靠性等方面達到或超過國際先進水平。
1 、機床現(xiàn)存問題概覽
( 1) 機械裝配方面。
目前，企業(yè)在制定裝配工藝規(guī)范時主要依賴生產(chǎn)經(jīng)驗，裝配精度一致性差，可靠性難以保證［1］。對該型號機床采用傳統(tǒng)的機械裝配工藝進行裝配，難以滿足五軸數(shù)控機床高精度、復雜曲面加工的性能要求。在裝配階段，影響整機產(chǎn)品可靠性的因素 很 多，各 因 素 件 又 具 有 復 雜 的 交 互 關(guān)系［2］，主要反映在緊固件選型、公差控制等方面。
此外，在裝配過程中，缺乏必要的工裝檢具，致使各項機械檢測精度得不到保證且工作效率低。裝配工作自由度較大、隨意性較高，差異性的裝配習慣很難保證產(chǎn)品的一致性，使得機械裝配精度處于較低水平。
( 2) 電氣控制方面。
機床電氣柜布局不合理;內(nèi)部走線凌亂、缺乏統(tǒng)一標準規(guī)劃; 機床原始設(shè)計時對電磁干擾考慮較少，容易出現(xiàn)不可預(yù)期的電磁擾動; 氣動、液動單元空間占用較大，不利于后期保養(yǎng)維護; PLC 控制邏輯冗繁混亂，導致機床外設(shè)操控性和安全性難以得到保障。
( 3) 五軸聯(lián)動精度檢測方面。
缺乏專業(yè)的五軸精度自動化檢測手段和設(shè)備，現(xiàn)有的人工檢測手段和方法比較落后，不適應(yīng)批量生產(chǎn)。機床中應(yīng)用的搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在外形尺寸、定位精度、剛性等方面性能不足，并且控制邏輯混亂，導致旋轉(zhuǎn)軸與線性軸五軸聯(lián)動精度較低、轉(zhuǎn)臺易出現(xiàn)錯誤報警。
2 、立式五軸數(shù)控機床機電優(yōu)化工作
為解決上文中提到的問題，需要對機床進行全面的機電優(yōu)化，優(yōu)化工作主要分為 4 個部分: 優(yōu)化前的對比試驗、機械部分的優(yōu)化、電氣部分的優(yōu)化和HMS 五軸精度測量系統(tǒng)的應(yīng)用。
2. 1 優(yōu)化前的對比試驗
在機床進行全面機電優(yōu)化前對其進行全面的精度檢測，并與同類國際先進產(chǎn)品的精度允差值進行對比，得到如表 1 所示的數(shù)據(jù)。
表 1 優(yōu)化前的精度檢測 mm
通過對比發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化前的一些機床精度檢測關(guān)鍵項目上，該機床距國際先進水平機床產(chǎn)品的精度允差值存在一定超差。機械精度和控制系統(tǒng)無直接關(guān)系，如果機械本身的精度不足，則任何先進檢測和控制系統(tǒng)都很難發(fā)揮其應(yīng)有的作用
［3］。
因此，判斷該機床在機械的裝配過程中存在一定缺陷，可以通過優(yōu)化來進行機械精度的提升，以期在精度上達到或超越同類國際先進機床的水平。
2. 2 機械部分的優(yōu)化
VMC 立式五軸數(shù)控機床機械部分的優(yōu)化主要包括以下幾個方面: 工藝裝備的改進、裝配工藝優(yōu)化和高性能轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用及優(yōu)化。
2. 2. 1 工藝裝備的改進
原 VMC 機床裝配過程中，適配的工裝夾具較少，對機床裝配、精度測量等方面有較大影響。因此，對現(xiàn)有工裝夾具進行優(yōu)化并提出新工裝的制作方案和使用方法，新制作了絲杠表座、直線導軌彎板、z 向托板等十余種適配于此機床的新型工裝，如圖 2—4 所示; 改進了軸承孔檢棒等現(xiàn)有工裝，如圖 5 所示。
圖 2 絲杠表座
圖 3 直線導軌彎板
圖 4 z 向托板
圖 5 軸承孔檢棒
2. 2. 2 機床裝配工藝優(yōu)化
裝配工藝水平直接決定了數(shù)控機床的機械精度、剛性和穩(wěn)定性。考慮到優(yōu)化前裝配中存在的各種問題，提出了如下優(yōu)化方案:
( 1) 將電機座的底面磨薄，加裝調(diào)整墊并以此為基準，確保電機與地面的平行度。
( 2) 固定直線導軌的螺栓，加裝碟形墊片，以增加螺釘?shù)膭傂浴?/font>
( 3) 測量立柱 ( y 軸) 兩側(cè)的正向、側(cè)向、合向精度、合向扭曲，以提高測量精度。
( 4) 簡化氣動柜的結(jié)構(gòu)。
將 A/C 軸的夾緊松開方式變?yōu)闅鈩樱瑴p小液壓站的負荷，從而使液壓站的體積大大減小。
( 5) 對各伺服軸的導軌滑塊加裝調(diào)整墊，通過研磨調(diào)整墊來控制導軌的各項精度。
采用以上優(yōu)化方案，機床的剛性、可靠性以及各項精度 得 到 提 升，優(yōu) 化 后 的 精 度 檢 測 結(jié) 果 如 表 2所示。
表 2 優(yōu)化后的精度檢測 mm
2. 2. 3 高性能轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用及優(yōu)化
VMC 機床標配臺灣旭陽轉(zhuǎn)臺，在剛性、控制精度和穩(wěn)定性方面略有不足，且控制該轉(zhuǎn)臺的 PLC 邏輯不夠合理，容易造成機床加工過程中出現(xiàn)過載、通信故障報警等問題。為了全面提高轉(zhuǎn)臺性能，選用意大利 LCM 高性能轉(zhuǎn)臺，如圖 6 所示。
圖 6 2 種轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用現(xiàn)場
圖中左側(cè)為LCM 高性能轉(zhuǎn)臺，右側(cè)為 VMC 機床原標配的轉(zhuǎn)臺。LCM 轉(zhuǎn)臺具有剛性好、 響應(yīng)快、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并且在五軸加工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。對控制轉(zhuǎn)臺動作的PLC 邏輯進行全面優(yōu)化，優(yōu)化前后對比如表 3 所示。
表 3 轉(zhuǎn)臺優(yōu)化前后對比
2. 3 電氣部分的優(yōu)化情況
VMC 機床電氣部分的優(yōu)化，主要包含以下幾個方面: 電器柜的優(yōu)化與設(shè)計、PLC 邏輯的優(yōu)化以及HMS 測量系統(tǒng)在五軸精度檢測中的應(yīng)用。
2. 3. 1 電氣柜的設(shè)計
重新對 VMC 機床的電氣柜進行設(shè)計，新設(shè)計的電氣柜如圖 7 所示。
圖 7 電器柜優(yōu)化前后對比
主要進行了以下改進:
( 1) 強弱電分開，減小了電磁干擾。
( 2) 將電氣圖紙進行標準化處理，為保證機床未來進入歐美市場，將原有的中文圖紙豐富為符合CE 標準的中英文對照圖紙。
( 3) 優(yōu)化電氣柜結(jié)構(gòu)，將控制星角轉(zhuǎn)換的接觸器由 3個減小為 2 個，節(jié)省了電氣元件，節(jié)約了成本，簡化了電路結(jié)構(gòu)。
( 4) 將繼電器組改為繼電器模塊，減小了占用空間，節(jié)約成本; 將電氣柜內(nèi)的元件全部換為符合CE 標準的零部件。
2. 3. 2 PLC 邏輯優(yōu)化
通過優(yōu)化完善 PLC 的邏輯，根據(jù)氣動液壓結(jié)構(gòu)的改變，增加了更多的邏輯互鎖保護，如表 4 所示。
表 4 PLC 邏輯優(yōu)化前后對比
2. 3. 3 HMS 系統(tǒng)在五軸精度檢測中的應(yīng)用
HMS ( Head measure system) 是某公司開發(fā)的五軸精度自動檢測工具［4］，如圖 8 所示。
相較于傳統(tǒng)的手動五軸精度檢 測 ( 千分表配合 球頭 檢棒人工測量) ，HMS 具有以下優(yōu)點:
( 1) 手動五軸精度測量依靠人工控制，對操作員技術(shù)水平要求高; 而采用 HMS 系統(tǒng)測量五軸精度，是由系統(tǒng)控制來自動完成的，只需要對操作人員進行適當培訓即可。
( 2) 手動測量準備、測量時間長，易產(chǎn)生隨機誤差，效率低; 采用 HMS 系統(tǒng)測量速度快，每測量完一項精度，系統(tǒng)自動糾正誤差，可靠性高。
( 3) 手動測量只能尋找 A/C 軸旋轉(zhuǎn)中心，不能對 A/C 軸進行旋轉(zhuǎn)軸的螺距補償。五軸機床做復雜曲面加工，需要對旋轉(zhuǎn)軸的誤差進行控制，HMS 系統(tǒng)可以對 A/C 軸進行旋轉(zhuǎn)軸的螺距補償。
( 4) 手動測量時，當轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度較大時，千分表的誤差會加大，而 HMS 系統(tǒng)的 3 個空間傳感器不會受到轉(zhuǎn)臺角度的影響，使其精度始終保持穩(wěn)定。
圖 8 HMS 系統(tǒng)
3 、結(jié)束語
對現(xiàn)有 VMC 立式五軸數(shù)控機床進行機械、電氣方面的優(yōu)化，從裝配工藝、電氣控制以及零部件選配等方面改進機床的各項性能指標、提升制造水平、提高 VMC 立式五軸數(shù)控機床的市場競力。同時，在工作中摸索總結(jié)出一套應(yīng)用于五軸數(shù)控機床產(chǎn)品的機電優(yōu)化方法，為企業(yè)高精尖產(chǎn)品的技術(shù)升級提供了指導。
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