T68臥式鏜床（chuáng）進給（gěi）係統的數字化改造（zào）
2020-10-28 來源：寶塔實業股份有限公司 作者：馬玉芹
摘要：通（tōng）過T68臥式鏜床加工的大型閥體上的各種孔，因運（yùn）動副間隙、卡尺測量誤差（chà）或讀數失誤、手柄進給操作失誤等原因而（ér）產生的尺寸、位置、重複精度誤差甚至廢品等問題（tí）時有發生，嚴重地影響著產品質量及效益。為此，決定對該機床進給係統進行（háng）改（gǎi）造，加（jiā）裝橫向、縱向球柵尺及數顯裝置，實現人機（jī）交互，使得傳統的（de）手工測量變（biàn）為自動測量、被動測量變為主動測量、離線測（cè）量變為在線測量，提高了測量精度（dù）、產（chǎn）品質量及生產效率，解決了由於測量（liàng）誤差、測量及操作失（shī）誤等原因而產生的廢品問題。
關鍵詞：T68臥式鏜床；進給係統；球柵（shān）尺；數（shù）顯裝置；數字化改造
1、前言
T68是一款通用臥式鏜床，用於加工各種複雜和大型零件，如箱體（tǐ）零件（jiàn）、機體等，也可加工精度較高、或孔距要求較（jiào）精確（què）的中小型（xíng）零件（jiàn）。除鏜孔外，還可（kě）以鑽孔、擴（kuò）孔、鉸孔和銑削平麵，以及車內螺紋等，見（jiàn）圖 1。我公司目前使用（yòng）T68臥（wò）式鏜床加（jiā）工大型閥體上的（de）各孔並銑平端麵。此（cǐ）種閥（fá）體各（gè）孔之間（jiān）除了在同一平麵（miàn）上相互距（jù）離精度要求較高外（wài），在不同的平麵之（zhī）間也有相（xiàng）互的位置精度要求，而且（qiě）同一（yī）規格閥（fá）體（tǐ）因互換性要求重複精度也較高（gāo）。由於加工（gōng）時（shí）因運動副間隙、卡尺測量誤差或讀數（shù）失誤、手柄進給（gěi）操（cāo）作失誤等原因，輕則造成各孔心距累計誤差較大，重則（zé）造成廢（fèi）品，嚴重影響加工精度和產品質量，亟需解決。
圖 1 T68 臥式鏜床主要結構
2、機床改造分析
為解決各孔間因運動（dòng）副（fù）間隙、卡（kǎ）尺（chǐ）測量誤差或讀數（shù）失誤、手柄進（jìn）給操作失誤等原（yuán）因而產生的精度甚至廢品問題，我公司決定對現有的T68臥式鏜床進（jìn）行進給（gěi）係統的數字化改（gǎi）造，由人工測量變為數字自動測量。
我公司屬（shǔ）於60年代建成的老工（gōng）業企業，車間現場環境差，廠房破（pò）舊，冬夏室內溫差大，灰塵、粉塵較普遍，加工時冷卻液、油漬、金屬切（qiē）屑不可避免；機床分布散（sàn）亂，各種機型混雜，嘈雜、振動、電磁幹擾不可避免；操作工技術水平不高，維修工短缺；企業屬於改製轉（zhuǎn）型期間，生產較忙，因此（cǐ），需要采用性價比較高的改造方案，改（gǎi）造時（shí）間不（bú）宜過長、精度不宜過高、費用不宜過多。
2.1 改造原則
一般機床改造的主要目的是提高自動化水平（píng）和效率，以便提高設備的質（zhì）量和檔次，將舊機床改造（zào）成現代（dài）水平機床（chuáng）。主要原則是：技術（shù）上追求先進性、質量上強調可靠性、投入上堅持經濟性（xìng）。本著上述原則，我公司對進給係統機械（xiè）部分現場改造的具（jù）體原則是：
（1）不盲目更新，能夠繼續使用的機械部分，仍然繼續使用。機床改造不僅要縮短安裝周期，更（gèng）要節約成本。
（2）為保證原機床的功能，不（bú）宜對原機床機械結構做大規模破壞性改（gǎi）造（zào）。
（3）改造裝置獨立，易於裝卸，實用（yòng）性（xìng）較強。
（4）改動盡可能（néng）少，少對原機床進行改造（zào）加工，盡量（liàng）利（lì）用（yòng）原機（jī）床上（shàng）現（xiàn）有的平麵（miàn）和孔，少配孔。
2.2 方案選（xuǎn）擇
首先，排除采用（yòng）滾珠絲杠、伺服電（diàn）機的方案，有以下幾（jǐ）點原（yuán）因：
（1）原有的主軸升（shēng）降、工作台橫向進給、縱（zòng）向進給係統完好（hǎo）無損，改造浪費較嚴重。（2）滾珠絲杠、伺服電機傳動係統的改（gǎi）造成本較高，不經濟。（3）該T68臥式鏜床還在使用中，工序安排緊張，不宜長時間停機改造。
其次，對選用球柵（shān）尺（chǐ）或光柵（shān）尺改造（zào）方案進行對比。球柵尺和光柵尺都是新型的位移動態測（cè）量傳感器，隻是采用的原理不一樣，要（yào）求的安裝環境也不一樣，主要區別在於：
（1）工作（zuò）原理
球柵（shān）尺是采（cǎi）用（yòng）電磁感應技術，光柵尺是利用光柵的莫爾條紋和光電轉換技術。
（2）安裝環境
球柵尺采用全密封結（jié）構（gòu），可在水中或者油中工作。尺體為金屬（shǔ）結構，保護良（liáng）好，不受冷卻水、金屬粉（fěn）末、塵土等的影（yǐng）響，抗汙（wū）染能力強。基準鋼球的線膨脹係數與鋼鐵相同（tóng），對車間溫（wēn）度變化不敏感。能在強磁場和強輻射條件下工作，可用於（yú）原（yuán）子反應堆。耐振動、安裝（zhuāng）簡便、不用日常維護。
光柵尺為在透明玻璃上（shàng）鍍刻尺寸並粘在鋁尺上，鋁和玻璃的膨脹（zhàng）係數不一樣（yàng），冷熱溫差大時極易折斷；傳感器與尺的連接是敞開式的，極（jí）易進（jìn）水、油、灰塵等，一旦這些雜（zá）質（zhì）進入，光柵尺就基本報廢，因此（cǐ）對環境要（yào）求相（xiàng）對較高；安裝較複雜，需（xū）要專業人員安裝。
（3）分辨率及精度
球柵尺分辨率為5μm，顯示可以為1μm,或者5μm，周（zhōu）期性誤差：長尺寸精度高於光柵尺。光柵尺分辨率為1μm，顯示為1μm,累（lèi）計誤差：短尺寸精度高於球柵尺。
（4）使用壽命和總體效（xiào）益
球柵尺使用壽命10年以上，長尺寸價格優於光柵尺，總體效（xiào）益高於光柵尺。光柵尺使（shǐ）用壽（shòu）命（mìng）一（yī）般為 3 年，短尺寸（cùn）價格優於球柵尺。再次，數顯改造優勢有（yǒu）：機床改造總投資少，與舊機床的殘值相適應；具有附（fù）機功能，能隨時（shí）裝卸，與其他機床通用（yòng）；降低了勞（láo）動強度，提高工作效率，節省勞動力，減少廢（fèi）品率；球柵尺及數顯裝置性能穩定可靠。綜上所述，對（duì）比（bǐ）我（wǒ）公司實際環境和（hé）能力，認為（wéi）T68臥式鏜床進（jìn）給係統數字化改造的最佳方案是“球柵尺+數顯（xiǎn）裝（zhuāng）置”。
3 、球柵尺及數顯裝置參數（shù）的確定
球柵尺及數顯裝置的選擇依據：機床類型、控製（zhì）軸數、坐標軸（zhóu）數、機（jī）床現狀、加工（gōng）過程中的精（jīng）度要求等具體情況（kuàng）。根據實際使用情況，對行程、精度及（jí）分辨率、坐標（biāo）軸數進行具體的參數確定。
3.1 行程選擇
T68臥式鏜床工作台橫向進給行程850mm，主軸中心線到工作（zuò）台麵最大（dà）距離800mm，最（zuì）小距離（lí）30mm，即主軸箱升降（jiàng）行程770mm。3.2 精度和分辨率選擇T 6 8 臥 式 鏜 床（chuáng） 工 作 台（tái） 的 橫 向 進 給 量 範 圍（wéi）0.025～16mm，最小進給（gěi）量25μm，主（zhǔ）軸箱升降的進給量範圍0.025～8mm，最小進給量25μm。
3.3 坐標軸數選擇（zé）
對（duì）T68臥式（shì）鏜床進行進給係統數字化改造的（de）主要目的是為了解決加工大型閥體上的各孔時，因各運動（dòng）副間隙、卡尺測量誤差或讀數失誤（wù）、手柄進給操作失誤等原因而產生的（de）精度甚（shèn）至廢品問題。因（yīn）T68臥式鏜（táng）床有回轉工作台（tái），因此可每次（cì）隻加工位於同一個平麵上的孔，隻需要確定由（yóu）工作台橫向移動即X方（fāng）向和主軸箱升降即（jí）Z方向組成的坐標平麵的參數即可，因此選擇 2 坐標軸係（xì）。
3.4 球柵尺係統（球柵尺（chǐ）及數顯裝置）具體規格
參數及樣式的確定（dìng）根據以上對行程、精度和（hé）坐標軸係的確定，選擇英國進口品牌NEWALL的球柵尺係統，具體的規格參數見表（biǎo） 1，樣（yàng）式見圖 2。
圖2 NEWALL 球柵尺及數顯表樣式
NMS300數顯表主要特點說明 ：
94mm×110mm大尺寸液晶屏，帶按（àn）鍵音薄（báo）膜按（àn）鍵；2坐標軸（zhóu）係（xì）統；可選擇麵板安（ān）裝方（fāng）式，耐衝擊ABS前置麵板，鍍層鋼（gāng）製厚殼；外形尺寸：高（gāo）度160mm（6.3英（yīng）尺），寬度270mm（10.63英尺），厚度38.2mm（1.5英尺），重量1.5kg，安裝（zhuāng）螺釘M10；獨立PSU電（diàn）源輸入100～240VAC；數顯裝置（zhì）輸入電壓15～24VDC±10%。使用該數顯裝置改造機床成本低廉。
NEWALL球柵尺傳感器主要特（tè）點說明：球柵（shān）尺行程1 016mm，尺（chǐ）身材（cái）料為不（bú）鏽鋼，直徑尺（chǐ）寸為15.25mm；讀數頭外形尺（chǐ）寸99.45mm×47mm×30.5mm，整尺長度1 270mm，標配（pèi）7.5m鎧裝線纜配D型接頭；球（qiú）柵尺分辨率為5μm，顯示為5μm。
4、機床結構改造
根（gēn）據T68臥式鏜床的結構和實際使（shǐ）用情況，根據改造原則和改造方案（àn），根據（jù）所選定的電氣元件的尺寸（cùn）和使用要求，以及根據操作者的自身要求等，最終確定T68臥式鏜床進給係（xì）統數字化改造的機械結構，見圖 3，具體說明如下：
（1）將數顯裝置用方管支架立起來（lái）焊接在機（jī）床右前方的（de）鐵踏（tà）板上，讓（ràng）操作者在操作機床的同時較方便地觀看數據的變（biàn）化。
（2）將橫向球柵尺尺身通過（guò）兩側尺支架水平安裝在工作（zuò）台縱向移動的下溜板上，讀數頭通過自製鈑金件水平安裝（zhuāng）在工作台橫向移動的上（shàng）溜板上，尺身不動，讀數頭跟著上溜板（bǎn）左（zuǒ）右移（yí）動，從而讀（dú）取（qǔ）X方向數據（jù）。
（3）將縱向球柵尺的尺（chǐ）身通過兩（liǎng）側尺支架垂直安裝在前立柱上，讀數頭通過自製鈑（bǎn）金（jīn）件垂直安裝在平旋盤底座上，尺身（shēn）不動（dòng），讀數頭跟著平（píng）旋（xuán）盤底座（zuò）上下移動，從而讀取Y方向數據。
（4）雖然球柵尺對（duì）安裝環境要求不高，但若球柵尺的不鏽鋼尺身經常被高溫的切屑灼傷（shāng），經常被油汙、汙漬、灰塵附著粘連，勢（shì）必（bì）會影響尺身的清潔度，久而（ér）久之，讀數頭（tóu）滑動不暢，影響電磁信號的及時傳輸，進而造（zào）成（chéng）測量誤差，影響產品質量，因此，需要給球柵尺安裝防護罩進行保護。
（5）數字化改造另一個（gè）需要考（kǎo）慮的問（wèn）題是電氣元件的（de）走線（xiàn）問題，改（gǎi）造屬（shǔ）於附加設計，不像整（zhěng）機設計時的全盤考慮，並且改造的部位比較淩亂，較難統一布局，因此，數顯裝置的電纜線從方（fāng）管支架走線到機（jī）床電櫃需要走線槽防（fáng）護，球柵尺讀數頭的鎧裝電纜線用線卡（kǎ）子固定在床身合（hé）適位置，最終走線到機床電櫃（guì）。
1. 數顯支架 2. 橫向支架 3. 橫向（xiàng）防護罩（zhào） 4. 右支架
5. 走線槽 6. 左支架 7. 縱向支（zhī）架 8. 縱向防護罩（zhào）
圖 3 T68 臥式鏜床進給係統數字（zì）化改造的機械結構
改造後結構圖的零部件說（shuō）明：
數顯支架1由60mm×60mm×2mm的方（fāng）管、10mm厚的座板以及鈑金支架焊接而成，其高度符合人體工程學設計，在合適位置將座（zuò）板焊（hàn）接在鐵踏板上（shàng），在鈑金支架上焊接L擋板，用於放置（zhì）和安裝數顯裝置，在鈑金上鑽（zuàn）孔安（ān）裝數顯裝置電源，並且在鈑金上與方管對焊位置開圓孔便於數顯裝置走線。
橫向支架 2 為 5mm厚的L型鈑金，該鈑金一麵帶兩個橫向（xiàng）長條孔。在T68臥式（shì）鏜床工（gōng）作台橫向中間位置的合適高度配鑽螺紋孔，將該鈑金安裝（zhuāng）在工作台橫向移動（dòng）的上溜（liū）板上；L型鈑金另一麵帶兩個豎向長條孔，用於安裝球柵尺讀數頭（tóu）。橫向防護罩 3 為鈑金製作，5 麵密封，通過底麵安裝在左、右支架上，對橫向球柵尺起到防護作用。橫向防護罩上鑽孔並焊接M6螺（luó）母，用於反（fǎn）向（xiàng）安裝螺釘。
右支架4為Q235A焊接的L型支架，焊接3個三角形加強筋起加強作用，L型支架立麵帶有兩個（gè）橫向長條孔（長（zhǎng）條（tiáo）孔用於橫向位置的微調），被安裝（zhuāng）在T68臥式鏜床工作台縱向移動的下溜板右麵，不（bú）配鑽孔，利用原下溜板上安裝防塵刮板的M8孔；L 型支架上平麵帶有（yǒu）一個M10螺紋（wén）孔，用於安裝球柵尺尺支架，帶有兩個φ8光孔，用於安裝橫向防護罩。
走線槽 5 為鈑金製作，C型，數顯裝置電纜線（xiàn）通過數顯支架 1 方管連接到走線槽 5 中，之後進入機床後（hòu）部的自帶電櫃中，將線纜布置好後，在合適（shì）位置將其與鐵踏板焊接在一起。左支架6為Q235A焊接的L型支架，與右支（zhī）架4 結構對稱布置，功能一致，不再贅述。
縱向（xiàng）支架 7 為5mm厚的C型鈑金（jīn），C型鈑金一麵帶兩個橫向（xiàng）長條孔，安裝在T68臥式鏜（táng）床（chuáng）平旋盤底座（zuò）上，在豎向中間位置（zhì）的合適高度配鑽螺紋孔；C型鈑金另（lìng）一麵也帶兩個橫向長條孔，用於安裝球柵尺讀數頭。C型鈑金的腰高尺寸確定需合適，以（yǐ）便縱向（xiàng）球柵尺左右安裝位置合適，既不與平旋盤幹涉碰撞又結構緊湊美觀。縱向防護罩 8 為鈑金製作，4 麵密封，通過外延鈑金安裝在T68臥式鏜床前立柱上（前立柱配（pèi）鑽安裝孔），對縱向球柵尺起到防護作用。
5、 機床改造效果
T68臥式鏜床進給（gěi）係統數字化改造經濟效果明顯（xiǎn）。首（shǒu）先（xiān）經過各種方案的比較調整，在方案比較中合理地降（jiàng）低了改（gǎi）造（zào）的費用；其次，該改造項（xiàng）目若請其他相關廠家到我公司進行改造，大致費用在（zài）5萬元左右，若將設備運送至（zhì）相（xiàng）關廠家（jiā）處進行改造，包括鏜床（chuáng）誤工（gōng）造成的（de）減產損失，大致費（fèi）用在7萬元左右。而我公司自（zì）行完成該機（jī）床的改造設計，所需的費用（yòng）僅為球柵（shān）尺及顯示裝置外購（gòu）件的價格和改造用鋼材的（de）價格，總（zǒng）計不到 1 萬元，其他人力費用和加工費用均可並入我公司自己的成本（běn）核算中（zhōng），僅此一項就為公司節約成本4～6萬元；再次，從確定方案到機（jī）加工零件的完成、球柵尺及顯示裝置外購件的到位，僅（jǐn）用了1個月的時間，經各方技（jì）術力（lì）量的協調，在 2 天之（zhī）內完（wán）成安裝調試（shì）工作，將停產損失降低到（dào）最小。在試車投產方麵更取得良（liáng）好效（xiào）果，精度和其他質量問題得以解決（jué）。一般機床（chuáng）安裝球柵尺及顯示裝置後可提高（gāo）工效20%以上，而（ér）T68臥式鏜床的進給係（xì）統數字化改造采用的球（qiú）柵（shān）尺及顯示裝置都比（bǐ）較先進（英國進口），係統穩定性非（fēi）常高，精細化製造突出，工效提高了30%以上，質量缺陷率（lǜ）降（jiàng）低至3%（這主（zhǔ）要還是刀具精度問題造成的），同時在產品精（jīng）度、廢品率、設備利用（yòng）率（lǜ）、勞動強度等方麵（miàn）帶來了更高的隱形價值。T68臥式鏜床進給係（xì）統數字化改造（zào）後現場效果如圖 4。
圖（tú） 4 T68 臥式鏜（táng）床進給係統數字化改造後現場（chǎng）效果（guǒ）圖
6、相關配套完（wán）善措施
由於各（gè）種機床結構、工作環境不同，球柵尺（chǐ）的安裝沒有統一的標準，還需（xū）要每個（gè）企業（yè）根據不同的狀況，完善相關配套措施。
6.1 電纜（lǎn）線的保護
電纜線帶不鏽（xiù）鋼鎧甲耐磨損，可是與讀數頭連接處薄弱，因現場環境複雜、淩亂，易（yì）造成電纜線被經常腳踩、碾壓，且機床各個方向運動頻繁，易造成對電纜接頭的牽拉、拖拽、或電纜（lǎn）線被壓斷，使得數據信號不穩定或數據信號中（zhōng）斷（duàn），嚴（yán）重影響生產進度和產品質量。經研究（jiū）決定，采用加裝拖鏈的形式保護電纜線，使得該問題得以解決。
6.2 電（diàn）訊信號的抗幹擾
球柵尺在使用過程中發現顯示器信號（hào）有時不（bú）穩定，出現機床不動顯示數（shù）自己跳動的不正常現象，有時甚至出現亂碼現象。經與球柵尺供應商聯係，確定為球柵尺的（de）電訊信號被嚴重幹擾所致，需要正確選擇接地點，完善接地係統，抑製幹擾。球柵尺顯（xiǎn）示器屬高速（sù）低電平控製裝置，應采用直接接地方式。我公司隨後安排電工正（zhèng）確接好地線，使該問題得以解決（jué）。
7、結束語
T68臥式鏜床進給（gěi）係統數字化改（gǎi）造過程中，首先，通過（guò）對設備、廠房、環境等的（de）評價，確定T68臥式鏜床進給係統數字化改造的原則，並通過滾珠絲杠、光柵尺及球柵尺等改造方案的利弊分析（xī），確定安裝球柵尺及數顯裝置為最（zuì）優改造方案；其次，通過對該機床的規格參數及實際使用（yòng）情況的分析，確定球柵尺及數顯裝置的規格參數，完成電氣設（shè）計及外購，通過現場測（cè）繪確定具體的改造方案，並設計出機械圖紙用（yòng）於生產加工；再次，通過各方技術力（lì）量的一致努力，經（jīng）過試車投產，取得良好效果，改（gǎi）造成功；最後（hòu），根據實際使用時反映的一些狀況，對該改造項目在“電纜線的保護、電訊信（xìn）號的抗幹擾（rǎo）”等方麵進行完善。該改造項目為其他企業麵（miàn）對不同機床進行“球（qiú）柵尺及數顯裝置改造”時提供一個新的參考方案。
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