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立式五（wǔ）軸數控機床機電（diàn）優化方法研究

2021-5-28 來源（yuán）：沈陽工業大學電氣沈陽菲迪亞數控機床作（zuò）者：郭誌研夏加（jiā）寬時光

摘要: 根據 VMC 立式五軸數控機床結構及其特點，從機械和（hé）電氣方麵對其進行優化。綜合（hé）考慮工藝（yì）裝備、裝配工藝、電氣控（kòng）製、PLC 邏（luó）輯及先進的五軸精度檢測方法，提（tí）出一套適用於立式五軸數控（kòng）機床的機電優化方法。通過對比優化前後的性能，證明了其有效性。該研究（jiū）對（duì）國（guó）產（chǎn）高端數控機床產（chǎn）品（pǐn）升級（jí）具（jù）有理論和現實意義。

關鍵詞: 五軸數（shù）控機（jī）床; 工藝裝備; 機電優化

0 前言

某集團 VMC 係列立式（shì）五軸數控機床，是麵向航天等領域複雜曲（qǔ）麵加工的新一代精密加工設備，該機床采用龍門式框架結構，直線軸（zhóu）為 x、y 和 z; 搖（yáo）籃式旋轉軸為 A、C，如圖 1 所示。

圖 1 立式五軸數控機床

為進一（yī）步滿足零件（jiàn）複雜曲（qǔ）麵高效高精加（jiā）工（gōng）的技術要求，本文（wén）作者通過對現有（yǒu） VMC 五軸數控機床進行機（jī）械、電氣全（quán）方位優化，使該機床在動靜（jìng）態性能、加工精度和可靠（kào）性等方麵達到或超過（guò）國際先進水平。

1 、機床現存（cún）問題概覽

( 1) 機械裝配方麵。

目前，企業在製定裝配工藝規範時主要依賴生產經驗，裝（zhuāng）配精度一致性差，可靠性難以保證［1］。對該型（xíng）號機床采用傳（chuán）統的機械裝配工（gōng）藝進行裝配，難以滿（mǎn）足五軸數控機（jī）床（chuáng）高（gāo）精度、複雜曲麵加工的性能要求。在裝（zhuāng）配階段，影響整機產品可靠性的因素很多，各因（yīn）素件又具有複雜的交互關係［2］，主要（yào）反映在緊固件選型、公差控製（zhì）等方麵。

此（cǐ）外，在裝配過程中，缺乏必要的工裝檢具，致使各項（xiàng）機（jī）械檢（jiǎn）測（cè）精度得（dé）不到保證且（qiě）工作效率（lǜ）低。裝配工作自由度（dù）較大、隨意性較高，差（chà）異性的裝配習慣很難保證產品的一致性，使得機（jī）械裝配精度處於較低水平。

( 2) 電氣控製方麵。

機床電氣櫃布（bù）局不（bú）合理;內（nèi）部走線淩亂、缺乏統一標準規劃; 機床原始設計時對電磁幹擾考慮較少，容易出現不可預期的電磁擾動; 氣動、液動單元空間占用較大，不利於後期保養維護; PLC 控製邏輯冗繁混亂，導致機床外設操控性和安全（quán）性難以得到保障。

( 3) 五軸聯動精度檢測方麵。

缺乏專業的五軸精度自動化檢測（cè）手段和設備，現有的人工檢測手段和方法比較落後，不適（shì）應批量生產。機床中應用的搖籃轉（zhuǎn）台結構在外形尺寸、定位精度、剛性等方麵性能不足，並且控製邏輯混亂，導致旋轉軸與線性軸五軸聯動精度較低、轉台易（yì）出（chū）現（xiàn）錯誤報警。

2 、立式五軸數控（kòng）機床機電優化工作

為解（jiě）決（jué）上文（wén）中提到的問（wèn）題，需要對機床進（jìn）行全麵的機（jī）電優化，優（yōu）化工作主要分為 4 個部分: 優化前的對比試（shì）驗（yàn）、機（jī）械部分的優（yōu）化、電氣部分的優化和HMS 五軸精（jīng）度測量（liàng）係統的（de）應用。

2. 1 優化前的對比試驗

在機床進行全麵機電優化前對其進（jìn）行全（quán）麵的精（jīng）度檢測，並與同類（lèi）國際（jì）先進產（chǎn）品（pǐn）的精度允差值進行對比，得到如（rú）表 1 所示的數據。

表 1 優化前的精度檢測 mm

通過對比（bǐ）發現，在優化前的一些機床精（jīng）度檢測關鍵項目上，該機床距國際（jì）先進水平（píng）機床產品（pǐn）的精（jīng）度允差（chà）值存在一定超（chāo）差。機械精度和控製係統無直接關係，如果機械（xiè）本身的精度不足，則任何先進檢測和控製係統都很難發揮（huī）其應有的作用

［3］。

因此，判斷該機床在機械的裝配（pèi）過程中存在一定缺陷，可以通過優化來進行（háng）機（jī）械精度（dù）的提升（shēng），以期在精（jīng）度上達到（dào）或超越同類國（guó）際先進機床的（de）水平。

2. 2 機械（xiè）部分的優化

VMC 立式五軸數控機床（chuáng）機械部分的（de）優化主（zhǔ）要包括（kuò）以下幾個方麵: 工藝裝備的改進（jìn）、裝配（pèi）工（gōng）藝優化和高性能轉台的應用及優化。

2. 2. 1 工藝裝備的改進

原 VMC 機床裝配過程中（zhōng），適配的工裝夾（jiá）具較少，對機床裝配、精度測量等方麵有較大影響。因此，對現有工裝夾（jiá）具進行優化並提出（chū）新工（gōng）裝的製作方案和使用方法，新製作了（le）絲杠表座、直線導軌彎板、z 向托板等十餘種適配於此機床的（de）新型工裝，如圖 2—4 所示（shì）; 改進了軸承（chéng）孔檢（jiǎn）棒等現有工裝，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（tú） 5 軸承孔檢棒

2. 2. 2 機床裝（zhuāng）配工藝優化

裝配工藝水平直接決定（dìng）了數控（kòng）機床的機械精度（dù）、剛（gāng）性和穩定性。考慮到優化前（qián）裝配中存在的各種問題，提出了如下優化方案:

( 1) 將電機座的底麵磨（mó）薄，加裝調整墊並以此為基準，確（què）保電機與地麵的平行度。

( 2) 固（gù）定（dìng）直（zhí）線導軌的螺栓，加裝碟形墊片，以增加螺釘的剛性。

( 3) 測量立柱 ( y 軸) 兩側的正向、側向（xiàng）、合（hé）向精度、合向（xiàng）扭曲，以提高測量精度。

( 4) 簡化氣動櫃的結構。

將 A/C 軸的夾緊鬆（sōng）開方式變為氣動，減小液壓站的負荷，從而使液壓站的體積大大減小。

( 5) 對各（gè）伺服軸的導軌滑塊加裝調整墊，通過研磨（mó）調整墊（diàn）來控製導軌的各項精度。

采用以上優（yōu）化方（fāng）案，機床（chuáng）的剛性、可靠性以及各項精度得到提升，優化後的精度（dù）檢測結果如表 2所示。

表 2 優化後的精度檢測 mm

2. 2. 3 高性能轉台（tái）的應用及優化

VMC 機床標配台灣旭陽轉台，在剛性（xìng）、控製精度和穩（wěn）定性方麵（miàn）略有不足，且控製該（gāi）轉台的（de） PLC 邏（luó）輯不夠合理，容易造成機床加工過程中出現過載、通信故障報警等問題。為了全（quán）麵提高轉台性能，選用意大利 LCM 高性（xìng）能轉台，如圖 6 所示。

圖 6 2 種轉台的應用現場

圖中左側（cè）為LCM 高性能轉台，右側為 VMC 機床原標配的轉台。LCM 轉台具有剛（gāng）性好、響應快、性能穩定等優點，並且在五軸加工領域被廣泛應用。對控製轉台動作的PLC 邏（luó）輯進行全麵優化，優（yōu）化前後對比如表 3 所示。

表 3 轉台優化前後對比

2. 3 電氣部分的優化情況（kuàng）

VMC 機床電氣部分的優化，主要包含以下幾個方麵: 電器櫃的優化與設計、PLC 邏輯的優化以及HMS 測量係統在五軸精度檢測中的（de）應（yīng）用。

2. 3. 1 電氣櫃的設計

重新對 VMC 機床的（de）電氣櫃進行設計，新設計（jì）的（de）電氣櫃如圖 7 所示。

圖 7 電器櫃優（yōu）化前後（hòu）對比

主要（yào）進行了以下改進:

( 1) 強弱電分開，減小了電磁幹擾。

( 2) 將電（diàn）氣圖紙進行標準化處理，為保證機床（chuáng）未來進入（rù）歐美市場，將原有的中文圖紙豐富為（wéi）符合CE 標準的中英文對照圖紙。

( 3) 優化電氣櫃結構，將控製星角轉換的接（jiē）觸器由 3個（gè）減（jiǎn）小為 2 個，節省了電氣元件（jiàn），節約（yuē）了成本，簡化了（le）電路（lù）結構。

( 4) 將繼電器組（zǔ）改為繼電器模塊，減小了占用（yòng）空間，節約成本; 將電氣櫃內的元件全部換（huàn）為符合CE 標準的零部件。

2. 3. 2 PLC 邏（luó）輯優化

通過優化完善 PLC 的邏輯，根據氣動液壓結構（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（luó）輯優化前後對比（bǐ）

2. 3. 3 HMS 係統在五軸精度檢測中的應用

HMS ( Head measure system) 是某公司開發的五（wǔ）軸精度自（zì）動檢測工具［4］，如圖 8 所示。

相較於傳統（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（jù）有以下優點:

( 1) 手動五軸精度測量依靠人工控製，對操作員技術水（shuǐ）平要求高; 而采用 HMS 係統測量五軸精度，是由係統控製來自動完成的，隻需要對（duì）操（cāo）作人員進行適當培訓即可。

( 2) 手動（dòng）測量準備、測量時間長，易產生隨機誤差，效（xiào）率低; 采用 HMS 係統測量速度快，每測量完（wán）一項精度，係統（tǒng）自動糾正誤差，可靠（kào）性高。

( 3) 手動測量（liàng）隻能尋找 A/C 軸旋轉中心，不能對 A/C 軸進行（háng）旋轉軸的螺距補償。五軸機床做複雜曲麵加工，需要對旋轉軸的誤差進行控製，HMS 係統可以對 A/C 軸進行旋轉軸的螺距補償。

( 4) 手（shǒu）動測量時，當轉台旋轉角度（dù）較大時，千分表的誤（wù）差會加大，而 HMS 係統的（de） 3 個空間傳感（gǎn）器不會受到轉台角度的影響，使其精度始終保（bǎo）持穩（wěn）定。

圖 8 HMS 係統

3 、結（jié）束語

對現有 VMC 立式五軸數控（kòng）機床進行機械、電氣方麵的優化（huà），從裝（zhuāng）配工藝、電（diàn）氣控製以及零部件選配等方麵改進（jìn）機床的（de）各項性能指標、提升製造水平、提高 VMC 立（lì）式五軸（zhóu）數控機床的市場（chǎng）競力。同時，在工作中摸索總結出一套應用於五軸數控機床（chuáng）產品的機電優化方（fāng）法，為企業高精尖產品的技術升級（jí）提供了指（zhǐ）導。

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