机床大修

机床大修 机床大修与数控化改造 机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。 一、产生与发展的社会、经济基础 (1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床;另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。 但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度;有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动;由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造;由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难;况且数控系统的使用寿命一般在5,10年，而我国大多数机床都在超期服役。 这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。 (2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂，自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。 (3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。 对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。 (4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势: ?交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。 ?性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度;各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。 ?设计风险小。新机床设计中带来的技术、风险在大修改造中几乎不存在。 ?可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。 ?更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。 ?可以更快地获取最新的更实用的备件。 ?节省大量投资。 ?降低投资风险。 (5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。 当前，21世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经济，迅速融入国际竞争。这就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。企业集团化和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、虚拟制造技术、可持续制造技术、绿色制造技术等等一系列新的技术理论，都需要下大力量去研究，以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力;集中人力、财力、物力以提高本企业的市场竞争力，充分发挥自身的优势以最快速度创造出尽可能多的价值。因此，企业自身不 可能再像过去经济体制下拥有大而全的维修队伍。而设备维修改造的社会化、专业化也就不可避免地成为了大趋势。 国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。 二、大修改造方案的选择 此项工作如果能争得大修改造企业的技术支持可能会更好、更快些。 1.前期立项准备工作 (1)技术可行性分析 主要是瞄准改造目标及加工对象，对被改造机床进行结构、性能、精度等技术现状的全面分析。其中包括机床原来的结构设计是否合理;机床的基础部件和结构件是否仍然完好;普通机床改为数控机床，要考察各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用;测量机床目前的各项精度与出厂精度进行对比，是否存在差距;综合总结目前机床存在的一切故障和历史上出现过的重大故障。针对上述问，对照改造目标和典型工件，编写改造任务书，做到改造后的机床达到一定的先进性和实用性。 (2)经济可行性分析 从实际可操作性出发列出几种应考虑的情况:从机床自身的价值考虑，分析要达到改造目标所需投入是否偏高;从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来分析改造价值;从 该机床的投入产出率估算，是否能较快收回投资，然后迅速产生较好效益;机床改造后提高了机床精度，增加了功能，是否能使本单位产品提高水平，或者能有利于开发新产品，从而获得附加效益。改造资金来源可靠。 (3)选择机床改造者 这是一个很关键的问题。选择得好，则能顺利完成改造任务，达到改造目标;选择不好，不仅是机床改造的失败，而且浪费了资金和时间，影响生产。用户可根据后面讨论的机床改造应具备的条件来慎重选择。 2.技术方案准备 (1)机械及液压系统 作为机床的最终用户，厂方必须首先要确认，该机床机械及液压系统的状况。如:目前机床的精度，机械传动链的状况，丝杠、导轨的状况，有无重大故障等，以确定机床是大修、项修。如果是非数控机床要改为数控机床，首先要考虑机械改装的可行性，最重要的是导轨的形式及滚珠丝杠的安装。再有就是机械传动机构的传动间隙与传动刚度是否符合数控机床的要求。 (2)电气系统 在做数控机床改造方案时，用户可以根据机床的状态及工艺要求来选择数控系统。其一，是选择数控制造厂商，目前世界上性能及信誉较好的有:西门子(德国)、发那科(日本)、三菱(日本)、NUM(法国)、FAGOR(西班牙)等。用户可在详细了解上述厂商数控系统的特点及性能价格比等指标的基础上，与实施改造的工程公司一道，选择一个比较适合的数控系统。其二，是根据机床的功能要求选择相应控制系统的类型，做到既能满足机床全部功能要求又不提高标 准。 我们建议，在选择数控系统方面，要特别注意:一要尽量向一个著名厂家的型号系列靠拢。这样既有利于维修和管理，也利于备件的购买。千万不要把企业的数控系统搞成万国牌。二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。 数控系统选定之后，用户根据机床实际状况，决定更换或不更换驱动系统。若不更换，则必须确认老驱动系统与数控系统是否可以匹配。 对于机床测量系统，目前数控系统的要求是增量式脉冲编码输入，所以老机床所配的感应同步尺或旋转变压器等测量元件均需用增量式脉冲编码器、光栅尺代替。 对于外围电路，改造可采取的方案有两种:“接口型改造”，即保留外围继电器电路，只对NC、PLC进行改造，新PLC不参与外围电路控制，只处理NC所需的指令信号。此方案改造设计、调试工作量较小。另一种是“彻底改造”，在继电器逻辑较复杂，故障率较高，用户又能提供清楚逻辑图的情况下，可用新NC所带的PLC将外围电路全部改造，简化了外围电路，又合理利用了PLC的控制能力。此方案可大大简化硬件电路，大大提高可靠性，但改造设计、调试工作量较大。 (3)各部分安装形式的确定 其一，控制系统的安装常见的有悬挂式、柜式、台式等。安装方式的选定，直接决定各种连接电缆的走线方式和电缆长度，也关系到操作与维修的方便性。其二，驱动系统的 安装，原则上只能采取电气柜内安装这一种方式，应考虑的因素有通风冷却，电缆走线方式及长度，对其他电器的干扰等。其三，电动机的安装，根据机床的实际，确定电动机的安装方式:?法兰式，?底座式，?带底座法兰式，再加上轴伸方向、电动机接线盒的位置等，这些由电动机的订货辅助参数确定。其四，测量系统的安装，如选择电动机内装编码器的结构方式，电动机安装一确定，它也就确定了;外装式需要有弹性联轴节、安装卡子、电缆走线方向及长度等的考虑;对于光栅尺，安装的问题则应重视，除安装可行性外，定尺、动尺的安装配合、安装精度、温度影响等均需考虑。 三、项目的实施 1.施工队伍的选择 机床大修改造方案设计的好坏，大修改造成果的优劣，除了经济因素外，很大程度上依赖于施工队伍的素质。这是一项很重要的工作，参与项目施工的公司应具备下列条件。 (1)完整、高效的技术支持体系 关键是人的因素。该公司应具备一支包括机械、电气、液压、工艺工装等全方位的、具有多年丰富的设计、制造、装配、调试工作经验的工程师队伍，同时还应有一支能打硬仗的现场施工队伍。这种工作模式是当今市场的经济条件下的流行模式。 (2)适应市场经济条件下的经营管理模式 关键还是人的因素。摈弃计划经济条件下企业管理中的一切阻碍发挥每个人积极性的组织形式和管理，组建起能快速响应市场需求的企业结构，并在市场 经济的发展中不断改进、完善，同时还要考虑该公司的规模、资金状况等诸多因素。 2.硬件定货 经过如上的全面考虑，施工队伍已选定，技术方案的细节确定，订货清单即可列出。用户和工程公司可本着相互信任的态度，从降低成本和保证可靠性两方面综合考虑，确定国内外定货清单，并签订正式改造合同。在定货进行的同时，工程人员即可开始着手进行系统机械大修、项修及电气软件编制、实验室调试工作。 3.现场调试 这是改造能否成功的关键环节，工程人员在这一阶段完成机、电联调，数控系统的最终调试、驱动系统的参数最佳化调节等工作，并为验收作准备。 4.试加工验收 通常有两个内容:样件的试切削，按照国际标准，不同类型的机床都有相应的标准试切削程序;机床精度的校验，根据各厂测量水平的高低，采用相应手段，有条件的用户可采用激光干涉仪进行测量，这样机床位置测量系统的补偿可采用得到的数据，从而提高机床精度。 5.资料、培训及保修 在验收工作结束之后，还需要进行技术资料整理、归档并提供给用户，还要对用户进行技术培训及保修工作。 旧机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形势下将大批故 障机床尤其是一大批进口的数控机床、精密机床和二手设备进行改造、升级，以较小的投入尽快使这些设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。 加工中心回参考点及其故障诊断 所谓加工中心参考点又名原点或零点，是机床的机械原点和电气原点相重合的点，是原点复归后机械上固定的点。每台机床可以有一个参考原点，也可以据需要设置多个参考原点，用于自动刀具交换(ATC)或自动拖盘交换(APC)等。参考点作为工件坐标系的原始参照系，机床参考点确定后，各工件坐标系随之建立。所谓机械原点，是基本机械坐标系的基准点，机械零部件一旦装配完毕，机械原点随即确立。所谓电气原点，是由机床所使用的检测反馈元件所发出的栅点信号或零标志信号确立的参考点。为了使电气原点与机械原点重合，必须将电气原点到机械原点的距离用一个设置原点偏移量的参数进行设置。这个重合的点就是机床原点。在加工中心使用过程中，机床手动或者自动回参考点操作是经常进行的动作。不管机床检测反馈元件是配用增量式脉冲编码器还是绝对式脉冲编码器，在某些情况下，如进行ATC或APC过程中，机床某一轴或全部轴都要先回参考原点。 按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回机床参考点的方法有两种。一种为栅点法，另一种为磁开关法。在栅点法中，检测器随着电机一转信号同时产生一个栅点或一个零位脉冲，在机械 本体上安装一个减速撞块及一个减速开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。在磁开关法中，在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关，当磁感应原点开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止，该停止点被认作原点。栅点方法的特点是如果接近原点速度小于某一固定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。磁开关法的特点是软件及硬件简单，但原点位置随着伺服电机速度的变化而成比例地漂移，即原点不确定。目前，几乎所有的机床都采用栅点法。 使用栅点法回机床原点的几种情形如下: 1( 使用增量检测反馈元件的机床开机后的第一次回机床原点; 2( 使用绝对式检测反馈元件的机床安装后调试时第一次机床开机回原点; 3( 栅点偏移量参数设置调整后机床第一次手动回原点。 按照检测元件测量方式的不同分为以绝对脉冲编码器方式归零和以增量脉冲编码器方式归零。在使用绝对脉冲编码器作为测量反馈元件的系统中，机床调试前第一次开机后，通过参数设置配合机床回零操作调整到合适的参考点后，只要绝对脉冲编码器的后备电池有效，此后的每次开机，不必进行回参考点操作。在使用增量脉冲编码器的系统中，回参考点有两种模式，一种为开机后在参考点回零模式各轴手动回原点，每一次开机后都要进行手动回原点操作;另一种为使用过程中，在存储器模式下的用G代码指令回原点。 使用增量式脉冲编码器作为测量反馈元件的机床开机手动回原点的动作过程一般有以下三种: ,(手动回原点时，回原点轴先以参数设置的快速进给速度向原点方向移动，当原点 减速撞块压下原点减速开关时，伺服电机减速至由参数设置的原点接近速度继续向前移动，当减速撞块释放原点减速开关后，数控系统检测到编码器发出的第一个栅点或零标志信号时，归零轴停止，此停止点即为机床参考点。 ,(回原点轴先以快速进给速度向原点方向移动，当原点减速开关被减速撞块压下时，回原点轴制动到速度为零，在以接近原点速度向相反方向移动，当减速撞块释放原点接近开关后，数控系统检测到检测反馈元件发出的第一个栅点或零标志信号时，回零轴停止，该点即机床原点。 ,(回原点时，回原点轴先以快速进给速度向原点方向移动，当原点减速撞块压下原点减速开关时，回归原点轴制动到速度为零，再向相反方向微动，当减速撞块释放原点减速开关时，归零轴又反向沿原快速进给方向移动，当减速撞块再次压下原点减速开关时，归零轴以接近原点速度前移，减速撞块释放减速开关后，数控系统检测到第一个栅点或零标志信号时，归零轴停止，机床原点随之确立。 使用增量式检测反馈元件的机床开机第一次各伺服轴手动回原点大多采用撞块式复归，其后各次的原点复归可以用G代码指令以快速进给速度高速复归至第一次原点复归时记忆的参考点位置。 进一步从数控系统控制过程来分析机床原点的复归，机床在回机床原点模式下，伺服电机以大于某一固定速度的进给速度向原点方向旋转，当数控系统检测到电机一转信号时，数控系统内的参考计数器被清零。如果通过参数设置了栅点偏移量，则参考计数器内也自动被设定为和栅点偏移量相等的值。此后，参考计数器就成为一个环行计数器。当计数器对移动指令脉冲计数到 参考计数器设定的值时被复位，随着一转信号的出现产生一个栅点。当减速撞块压下原点减速开关时，电机减速到接近原点速度运行，撞块释放原点减速开关后，电机在下一个栅点停止，产生一个回原点完成标志信号，参考位置被复位。电源开启后第二次返回原点，由于参考计数器已设置，栅点已建立，因此可以直接返回原点位置。使用绝对检测反馈元件的机床第一次回原点时，首先数控系统与绝对式检测反馈元件进行数据通信以建立当前的位置，并计算当前位置到机床原点的距离及当前位置到最近栅点的距离，将计算值赋给计数器，栅点被确立。 当加工中心回参考点出现故障时，首先由简单到复杂进行检查。先检查原点减速憧块是否松动，减速开关固定是否牢固，开关是否损坏，若无问题，应进一步用百分表或激光测量仪检查机械相对位置的漂移量，检查减速撞块的长度，检查回原点起始位置、减速开关位置与原点位置的关系，检查回原点模式，是否是在开机后的第一次回原点，是否采用绝对脉冲编码器，伺眼电机每转的运动量、指令倍比及检测倍乘比，检查回原点快速迸给速度的参数设置、接近原点速度的参数设置及快速进给时间常数的参数设置是否合适，检查系统是全闭环还是半闭环，检查参考计数器设置是否适当等。 回原点故障现象及诊断调整步骤如下: 1(机床回原点后原点漂移检查是否采用绝对脉冲编码器，如果采用，诊断及调整步骤见使用绝对脉冲编码器的机床回原点时的原点漂移;若是采用增量脉冲编码器的机床，应确定系统是全闭环还是半闭环，若为全闭环系统，诊断调整步骤见全闭环系统中的原点偏移;若为半闭环系统，用百分表或激光 测量仪检查机械相对位置是否漂移。若不漂移，只是位置显示有偏差，检查是否为工件坐标系偏置无效。在机床回原点后，机床CRT位置显示为一非零值，该值取决于某些诸如工件坐标系偏置一类的参数设置。若机械相对位置偏移，确定偏移量。若偏移量为一栅格，诊断方法见原点漂移一栅点的处理步骤。若漂移量为数个脉冲，见原点漂移数个脉冲的诊断步骤。否则检查脉冲数量和参考计数器的值是否匹配。如不匹配，修正参考计数器的值使之匹配;如果匹配，则脉冲编码器坏，需要更换。 ,(使用绝对脉冲编码器的机床回原点时的原点漂移首先检查并重新设置与机床回原点有关的检测绝对位置的有关参数，重新再试一次回原点操作，若原点仍漂移，检查机械相对是否有变化。如无漂移，只是位置显示有偏差，则检查工件坐标偏置是否有效;若机械位置偏移，则绝对脉冲编码器故障。 3(全闭环系统中的原点漂移先检查半闭环系统回原点的漂移情况，如果正常，应检查电机一转标志信号是否由半闭环系统提供，检查有关参数设置及信号电缆联接。如参数设置正常，则光栅尺等线性测量元件不良或其接口电路故障。如参数设置不正确，则修正设置重试。 4(原点漂移一个栅点先减小由参数设置的接近原点速度，重试回原点操作，若原点不漂移，则为减速撞块太短或安装不良。可通过改变减速撞块或减速开关的位置来解决，也可通过设置栅点偏移改变电气原点解决。当一个减速信号由硬件输出后，到数字伺服软件识别这个信号需要一定时间，因此当减速撞块离原点太近时软件有时捕捉不到原点信号，导致原点漂移。 如果减小接近原点速度参数设置后，重试 原点复归，若原点仍漂移，可减小‘快速进给速度或快速进给时间常数的参数设置，重回原点。若时间常数设置太大或减速撞块太短，在减速撞块范围内，进给速度不能到达接近原点速度，当接近开关被释放时，即使栅点信号出现，软件在未检测进给速度到达接近速度时，回原点操作不会停止，因而原点发生漂移。 若减小快进时间常数或快速进给速度的设置，重新回原点，原点仍有偏移，应检查参考计数器设置的值是否有效，修正参数设置。 5(原点漂移数个脉冲 若只是在开机后第一次回原点时原点漂移，则为零标志信号受干扰失效。为防止噪声干扰，应确保电缆屏蔽线接地良好，安装必要的火花抑制器，不要使检测反馈元件的通信电缆线与强电线缆靠得大近。若并非仅在开机首次回原点时原点变化，应修正参考计数器的设定值。 如果通过上述步骤检查仍不能排除故障，应检查编码器电源电压是否太低，编码器是否损坏，伺服电机与工作台的联轴器是否松动，系统主电路板是否正常，有关伺服轴电路板是否正常及伺服放大器板是否正常等。 原点故障例: 1(台湾DM4400M加工中心发生Z轴方向加工尺寸不稳定，尺寸超差且无规律的故障，也就是说，Z轴原点出现无规律的漂移，CRT及伺服放大器无任何报警显示。该加工中心采用三菱M3系统，半闭环控制方式，交流伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器直接联接。根据故障现象结合该机采用的控制方式、联接方式进行分析，故障原因可能是联轴器联接螺钉松动，导致联轴器与滚珠丝杠或伺服电机轴间滑动。对Z轴联轴器联接进行检查，发现联轴器六只紧定螺钉都出现松动。紧定螺钉后，故障排除。 2(台湾DM4400M加工中心使用中出现换刀位置有的班次不对，有的班次正常的故障。换刀位置发生变化时，被加工工件的Z向加工尺寸也相应变化，且与换刀位置的变化相对应。无任何报警显示。该加工中心采用三菱M3数控系统。开机回参考点采用下列方式:安装于伺服电机端部的位置编码器每转360?有一定数量的等距离的栅点，两个栅点间的距离叫栅点间隔。开机手动回参考点时，轴先以参数设定的回参点速度向参考点快速移动，当接近参考点减速撞块压下回参考点减速行程开关时，轴以参数设立的较低的接近速度移动，当接近参考点撞块离开回参考点减速行段开关时，编码器检测到的第一个栅点的位置为参考点复归的位置。由于机械有其固有的机械原点，故要求电气原点要和机械原点一致。机械原点和电气原点问的偏移叫参考点偏移，在G28sft参数中设定。当参考点减速开关离开接近参考点减速撞块时的位置，不在栅点间隔中心附近时，参考点有时会发生偏移，可以通过参数grmask栅点屏蔽的设定防止参考点位置偏移。机床换刀点由机床的第二参考原点设定，而第二参考原点是由机床第一参考原点确定的。由于机床所出现的故障有的班次有，有的班次没有，因此怀疑该机床开机手动回参考点时出现问题。经查，Z轴回参考点减速行程开关固定板与立柱固定不牢，严重松动，导致原点漂移。