T68卧式镗床进给系统的数字化改造
2020-10-28 来源：宝塔实业股份有限公司 作者：马玉芹
摘要：通过T68卧式镗床加工的大型阀体上的各种孔，因运动副间隙、卡尺测量误差或读数失误、手柄进给操作失误等原因而产生的尺寸、位置、重复精度误差甚至废品等问题时有发生，严重地影响着产品质量及效益。为此，决定对该机床进给系统进行改造，加装横向、纵向球栅尺及数显装置，实现人机交互，使得传统的手工测量变为自动测量、被动测量变为主动测量、离线测量变为在线测量，提高了测量精度、产品质量及生产效率，解决了由于测量误差、测量及操作失误等原因而产生的废品问题。
关键词：T68卧式镗床；进给系统；球栅尺；数显装置；数字化改造
1、前言
T68是一款通用卧式镗床，用于加工各种复杂和大型零件，如箱体零件、机体等，也可加工精度较高、或孔距要求较精确的中小型零件。除镗孔外，还可以钻孔、扩孔、铰孔和铣削平面，以及车内螺纹等，见图 1。我公司目前使用T68卧式镗床加工大型阀体上的各孔并铣平端面。此种阀体各孔之间除了在同一平面上相互距离精度要求较高外，在不同的平面之间也有相互的位置精度要求，而且同一规格阀体因互换性要求重复精度也较高。由于加工时因运动副间隙、卡尺测量误差或读数失误、手柄进给操作失误等原因，轻则造成各孔心距累计误差较大，重则造成废品，严重影响加工精度和产品质量，亟需解决。
图 1 T68 卧式镗床主要结构
2、机床改造分析
为解决各孔间因运动副间隙、卡尺测量误差或读数失误、手柄进给操作失误等原因而产生的精度甚至废品问题，我公司决定对现有的T68卧式镗床进行进给系统的数字化改造，由人工测量变为数字自动测量。
我公司属于60年代建成的老工业企业，车间现场环境差，厂房破旧，冬夏室内温差大，灰尘、粉尘较普遍，加工时冷却液、油渍、金属切屑不可避免；机床分布散乱，各种机型混杂，嘈杂、振动、电磁干扰不可避免；操作工技术水平不高，维修工短缺；企业属于改制转型期间，生产较忙，因此，需要采用性价比较高的改造方案，改造时间不宜过长、精度不宜过高、费用不宜过多。
2.1 改造原则
一般机床改造的主要目的是提高自动化水平和效率，以便提高设备的质量和档次，将旧机床改造成现代水平机床。主要原则是：技术上追求先进性、质量上强调可靠性、投入上坚持经济性。本着上述原则，我公司对进给系统机械部分现场改造的具体原则是：
（1）不盲目更新，能够继续使用的机械部分，仍然继续使用。机床改造不仅要缩短安装周期，更要节约成本。
（2）为保证原机床的功能，不宜对原机床机械结构做大规模破坏性改造。
（3）改造装置独立，易于装卸，实用性较强。
（4）改动尽可能少，少对原机床进行改造加工，尽量利用原机床上现有的平面和孔，少配孔。
2.2 方案选择
首先，排除采用滚珠丝杠、伺服电机的方案，有以下几点原因：
（1）原有的主轴升降、工作台横向进给、纵向进给系统完好无损，改造浪费较严重。（2）滚珠丝杠、伺服电机传动系统的改造成本较高，不经济。（3）该T68卧式镗床还在使用中，工序安排紧张，不宜长时间停机改造。
其次，对选用球栅尺或光栅尺改造方案进行对比。球栅尺和光栅尺都是新型的位移动态测量传感器，只是采用的原理不一样，要求的安装环境也不一样，主要区别在于：
（1）工作原理
球栅尺是采用电磁感应技术，光栅尺是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术。
（2）安装环境
球栅尺采用全密封结构，可在水中或者油中工作。尺体为金属结构，保护良好，不受冷却水、金属粉末、尘土等的影响，抗污染能力强。基准钢球的线膨胀系数与钢铁相同，对车间温度变化不敏感。能在强磁场和强辐射条件下工作，可用于原子反应堆。耐振动、安装简便、不用日常维护。
光栅尺为在透明玻璃上镀刻尺寸并粘在铝尺上，铝和玻璃的膨胀系数不一样，冷热温差大时极易折断；传感器与尺的连接是敞开式的，极易进水、油、灰尘等，一旦这些杂质进入，光栅尺就基本报废，因此对环境要求相对较高；安装较复杂，需要专业人员安装。
（3）分辨率及精度
球栅尺分辨率为5μm，显示可以为1μm,或者5μm，周期性误差：长尺寸精度高于光栅尺。光栅尺分辨率为1μm，显示为1μm,累计误差：短尺寸精度高于球栅尺。
（4）使用寿命和总体效益
球栅尺使用寿命10年以上，长尺寸价格优于光栅尺，总体效益高于光栅尺。光栅尺使用寿命一般为 3 年，短尺寸价格优于球栅尺。再次，数显改造优势有：机床改造总投资少，与旧机床的残值相适应；具有附机功能，能随时装卸，与其他机床通用；降低了劳动强度，提高工作效率，节省劳动力，减少废品率；球栅尺及数显装置性能稳定可靠。综上所述，对比我公司实际环境和能力，认为T68卧式镗床进给系统数字化改造的最佳方案是“球栅尺+数显装置”。
3 、球栅尺及数显装置参数的确定
球栅尺及数显装置的选择依据：机床类型、控制轴数、坐标轴数、机床现状、加工过程中的精度要求等具体情况。根据实际使用情况，对行程、精度及分辨率、坐标轴数进行具体的参数确定。
3.1 行程选择
T68卧式镗床工作台横向进给行程850mm，主轴中心线到工作台面最大距离800mm，最小距离30mm，即主轴箱升降行程770mm。3.2 精度和分辨率选择T 6 8 卧 式 镗 床 工 作 台 的 横 向 进 给 量 范 围0.025～16mm，最小进给量25μm，主轴箱升降的进给量范围0.025～8mm，最小进给量25μm。
3.3 坐标轴数选择
对T68卧式镗床进行进给系统数字化改造的主要目的是为了解决加工大型阀体上的各孔时，因各运动副间隙、卡尺测量误差或读数失误、手柄进给操作失误等原因而产生的精度甚至废品问题。因T68卧式镗床有回转工作台，因此可每次只加工位于同一个平面上的孔，只需要确定由工作台横向移动即X方向和主轴箱升降即Z方向组成的坐标平面的参数即可，因此选择 2 坐标轴系。
3.4 球栅尺系统（球栅尺及数显装置）具体规格
参数及样式的确定根据以上对行程、精度和坐标轴系的确定，选择英国进口品牌NEWALL的球栅尺系统，具体的规格参数见表 1，样式见图 2。
图2 NEWALL 球栅尺及数显表样式
NMS300数显表主要特点说明 ：
94mm×110mm大尺寸液晶屏，带按键音薄膜按键；2坐标轴系统；可选择面板安装方式，耐冲击ABS前置面板，镀层钢制厚壳；外形尺寸：高度160mm（6.3英尺），宽度270mm（10.63英尺），厚度38.2mm（1.5英尺），重量1.5kg，安装螺钉M10；独立PSU电源输入100～240VAC；数显装置输入电压15～24VDC±10%。使用该数显装置改造机床成本低廉。
NEWALL球栅尺传感器主要特点说明：球栅尺行程1 016mm，尺身材料为不锈钢，直径尺寸为15.25mm；读数头外形尺寸99.45mm×47mm×30.5mm，整尺长度1 270mm，标配7.5m铠装线缆配D型接头；球栅尺分辨率为5μm，显示为5μm。
4、机床结构改造
根据T68卧式镗床的结构和实际使用情况，根据改造原则和改造方案，根据所选定的电气元件的尺寸和使用要求，以及根据操作者的自身要求等，最终确定T68卧式镗床进给系统数字化改造的机械结构，见图 3，具体说明如下：
（1）将数显装置用方管支架立起来焊接在机床右前方的铁踏板上，让操作者在操作机床的同时较方便地观看数据的变化。
（2）将横向球栅尺尺身通过两侧尺支架水平安装在工作台纵向移动的下溜板上，读数头通过自制钣金件水平安装在工作台横向移动的上溜板上，尺身不动，读数头跟着上溜板左右移动，从而读取X方向数据。
（3）将纵向球栅尺的尺身通过两侧尺支架垂直安装在前立柱上，读数头通过自制钣金件垂直安装在平旋盘底座上，尺身不动，读数头跟着平旋盘底座上下移动，从而读取Y方向数据。
（4）虽然球栅尺对安装环境要求不高，但若球栅尺的不锈钢尺身经常被高温的切屑灼伤，经常被油污、污渍、灰尘附着粘连，势必会影响尺身的清洁度，久而久之，读数头滑动不畅，影响电磁信号的及时传输，进而造成测量误差，影响产品质量，因此，需要给球栅尺安装防护罩进行保护。
（5）数字化改造另一个需要考虑的问题是电气元件的走线问题，改造属于附加设计，不像整机设计时的全盘考虑，并且改造的部位比较凌乱，较难统一布局，因此，数显装置的电缆线从方管支架走线到机床电柜需要走线槽防护，球栅尺读数头的铠装电缆线用线卡子固定在床身合适位置，最终走线到机床电柜。
1. 数显支架 2. 横向支架 3. 横向防护罩 4. 右支架
5. 走线槽 6. 左支架 7. 纵向支架 8. 纵向防护罩
图 3 T68 卧式镗床进给系统数字化改造的机械结构
改造后结构图的零部件说明：
数显支架1由60mm×60mm×2mm的方管、10mm厚的座板以及钣金支架焊接而成，其高度符合人体工程学设计，在合适位置将座板焊接在铁踏板上，在钣金支架上焊接L挡板，用于放置和安装数显装置，在钣金上钻孔安装数显装置电源，并且在钣金上与方管对焊位置开圆孔便于数显装置走线。
横向支架 2 为 5mm厚的L型钣金，该钣金一面带两个横向长条孔。在T68卧式镗床工作台横向中间位置的合适高度配钻螺纹孔，将该钣金安装在工作台横向移动的上溜板上；L型钣金另一面带两个竖向长条孔，用于安装球栅尺读数头。横向防护罩 3 为钣金制作，5 面密封，通过底面安装在左、右支架上，对横向球栅尺起到防护作用。横向防护罩上钻孔并焊接M6螺母，用于反向安装螺钉。
右支架4为Q235A焊接的L型支架，焊接3个三角形加强筋起加强作用，L型支架立面带有两个横向长条孔（长条孔用于横向位置的微调），被安装在T68卧式镗床工作台纵向移动的下溜板右面，不配钻孔，利用原下溜板上安装防尘刮板的M8孔；L 型支架上平面带有一个M10螺纹孔，用于安装球栅尺尺支架，带有两个φ8光孔，用于安装横向防护罩。
走线槽 5 为钣金制作，C型，数显装置电缆线通过数显支架 1 方管连接到走线槽 5 中，之后进入机床后部的自带电柜中，将线缆布置好后，在合适位置将其与铁踏板焊接在一起。左支架6为Q235A焊接的L型支架，与右支架4 结构对称布置，功能一致，不再赘述。
纵向支架 7 为5mm厚的C型钣金，C型钣金一面带两个横向长条孔，安装在T68卧式镗床平旋盘底座上，在竖向中间位置的合适高度配钻螺纹孔；C型钣金另一面也带两个横向长条孔，用于安装球栅尺读数头。C型钣金的腰高尺寸确定需合适，以便纵向球栅尺左右安装位置合适，既不与平旋盘干涉碰撞又结构紧凑美观。纵向防护罩 8 为钣金制作，4 面密封，通过外延钣金安装在T68卧式镗床前立柱上（前立柱配钻安装孔），对纵向球栅尺起到防护作用。
5、 机床改造效果
T68卧式镗床进给系统数字化改造经济效果明显。首先经过各种方案的比较调整，在方案比较中合理地降低了改造的费用；其次，该改造项目若请其他相关厂家到我公司进行改造，大致费用在5万元左右，若将设备运送至相关厂家处进行改造，包括镗床误工造成的减产损失，大致费用在7万元左右。而我公司自行完成该机床的改造设计，所需的费用仅为球栅尺及显示装置外购件的价格和改造用钢材的价格，总计不到 1 万元，其他人力费用和加工费用均可并入我公司自己的成本核算中，仅此一项就为公司节约成本4～6万元；再次，从确定方案到机加工零件的完成、球栅尺及显示装置外购件的到位，仅用了1个月的时间，经各方技术力量的协调，在 2 天之内完成安装调试工作，将停产损失降低到最小。在试车投产方面更取得良好效果，精度和其他质量问题得以解决。一般机床安装球栅尺及显示装置后可提高工效20%以上，而T68卧式镗床的进给系统数字化改造采用的球栅尺及显示装置都比较先进（英国进口），系统稳定性非常高，精细化制造突出，工效提高了30%以上，质量缺陷率降低至3%（这主要还是刀具精度问题造成的），同时在产品精度、废品率、设备利用率、劳动强度等方面带来了更高的隐形价值。T68卧式镗床进给系统数字化改造后现场效果如图 4。
图 4 T68 卧式镗床进给系统数字化改造后现场效果图
6、相关配套完善措施
由于各种机床结构、工作环境不同，球栅尺的安装没有统一的标准，还需要每个企业根据不同的状况，完善相关配套措施。
6.1 电缆线的保护
电缆线带不锈钢铠甲耐磨损，可是与读数头连接处薄弱，因现场环境复杂、凌乱，易造成电缆线被经常脚踩、碾压，且机床各个方向运动频繁，易造成对电缆接头的牵拉、拖拽、或电缆线被压断，使得数据信号不稳定或数据信号中断，严重影响生产进度和产品质量。经研究决定，采用加装拖链的形式保护电缆线，使得该问题得以解决。
6.2 电讯信号的抗干扰
球栅尺在使用过程中发现显示器信号有时不稳定，出现机床不动显示数自己跳动的不正常现象，有时甚至出现乱码现象。经与球栅尺供应商联系，确定为球栅尺的电讯信号被严重干扰所致，需要正确选择接地点，完善接地系统，抑制干扰。球栅尺显示器属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。我公司随后安排电工正确接好地线，使该问题得以解决。
7、结束语
T68卧式镗床进给系统数字化改造过程中，首先，通过对设备、厂房、环境等的评价，确定T68卧式镗床进给系统数字化改造的原则，并通过滚珠丝杠、光栅尺及球栅尺等改造方案的利弊分析，确定安装球栅尺及数显装置为最优改造方案；其次，通过对该机床的规格参数及实际使用情况的分析，确定球栅尺及数显装置的规格参数，完成电气设计及外购，通过现场测绘确定具体的改造方案，并设计出机械图纸用于生产加工；再次，通过各方技术力量的一致努力，经过试车投产，取得良好效果，改造成功；最后，根据实际使用时反映的一些状况，对该改造项目在“电缆线的保护、电讯信号的抗干扰”等方面进行完善。该改造项目为其他企业面对不同机床进行“球栅尺及数显装置改造”时提供一个新的参考方案。
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