重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造

张映红

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造

张映红

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

通过对重型数控龙门铣床的现状分析，提出五轴联动数控化改造方案，运用新技术、新工艺、新产品对其实施改造，提升旧铣床的性能、精度和可靠性，解决当前汽车制造对模具复杂空间曲面加工高精度和高效率的问题，满足现代汽车模具加工的要求，创造更大的经济效益和社会效益。

铣床；数控技术；五轴联动；模具加工

我院校外实习基地在20世纪90年代从意大利引进一台重型数控龙门铣床，工作台面长5米，宽3.7米，高1.3米，对当时加工大、中型汽车模具发挥了应有的效能。随着社会的进步，科学技术的发展，模具制造技术和工艺也不断发展变化，模具制造不但曲面越来越复杂,而且质量要求也越来越高，这台20世纪90年代引进的重型数控龙门铣床也逐渐表现出难以满足现代汽车模具加工精度高、效率高和成本低的要求。如何解决重型数控龙门铣床加工复杂空间曲面模具时所遇到的瓶颈问题，就成为我们要研究和解决的问题。

（一）重型数控龙门铣床的现状分析

1.重型数控龙门铣床的数控技术已淘汰

重型数控龙门铣床是20世纪90年代从意大利引进的，由于科学技术的迅速发展，数控系统技术已经落后和老化，主要表现在重型数控龙门铣床的数控系统主要控制 X、Y、Z轴直线联动来实现加工模具，而对加工目前汽车覆盖件模具的复杂空间曲面时，就显得这种铣床力不从心，加工模具的空间曲面形状和精度均达不到产品的设计要求。第二，铣床加工模具时，还需要多次装夹，辅助时间较长，生产效率低。第三，数控系统的软件版本功能较低，没有RTCP等功能，满足不了现代汽车制造对模具加工的需求。而数控系统的硬件如CPC、电路板、接口等已老化，内存也小。综合分析数控龙门铣床的数控系统技术落后和老化。

2.重型数控龙门铣床出现劣化现象

重型数控龙门铣床从1994年开始使用至今，几乎每天24小时都在使用，铣床的开动率高达92.8%。同时，铣床的服役时间已有17年，已超过重型数控龙门铣床的有效使用年限7年，铣床的机械部分、电控部分等已出现劣化现象，如床身导轨磨损加大，铣床出现爬行现象，降低了铣床运动精度。各传动齿轮磨损较大，运动时出现响声等，铣床的故障率也逐步升高。

3.数控铣床的发展方向

数控技术的发展带动了机械加工技术的飞速发展，使传统的制造工艺发生了显著的变化。五轴联动数控铣床是集机械、电气、液压、数控技术为一体的高科技、高精密的专门用于加工复杂曲面的铣床，特别适用于国防、军工、航空航天、发电设备、能源交通、模具制造等行业的关键精密零件的加工，数控铣床在现代工业生产中发挥着极其重要的作用。

在加工汽车覆盖件模具复杂空间曲面时，采用五轴联动数控铣床能更好的保证模具的加工质量，能让模具的装夹变得容易，避免了多次装夹，使模具加工变得更加容易，也使模具修改变得容易，能实现汽车模具加工的高精度、高效率、低成本的目的。

（二）制订重型数控龙门铣床改造方案

经过分析重型数控龙门铣床的现状，针对造成加工现代汽车模具精度不高，生产效率低等主要问题，成立专项小组，对重型数控龙门铣床进行全面的检测，掌握铣床原有性能指标，如原铣床的主运动参数，进给系统状态，动态切削性能等。遵循设备管理原则使修理、改造与更新相结合，充分吸收意大利重型数控龙门铣床的设计思想和系统结构，运用新技术、新工艺、新产品，对重型数控龙门铣床进行五轴联动数控化改造，以提升旧重型数控龙门铣床的功能、精度和可靠性，满足现代汽车模具加工的要求。

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造总的要求为：技术上追求先进性，质量上强调可靠性，投入上坚持经济性。经研究论证铣床改造主要有以下几方面：

1.保留重型数控龙门铣床的基础件，如床身、立柱、横梁、工作台等大型铸件（或焊接件），并恢复原有的功能和精度。

2.更换不能满足现代模具加工要求的三轴联动数控系统，选配适合现代模具复杂空间曲面加工的五轴联动数控系统。

3.根据重型数控龙门铣床的结构，配置一个数控双摆角铣头，重新设计主轴传动系统。以实现重型数控龙门铣床五轴联动，完成复杂空间曲面的模具加工，扩充铣床的功能和档次。

4.在铣床的进给系统中，将步进电机和步进驱动更换为伺服电机和伺服驱动；将丝杆更换为滚珠丝杆，以提高铣床精度和效率。

5.重新设计铣床电控线路、增加电控柜的空调装置等和更换老化的电气元件等。

6.铣床的辅助部分如液压、气动、润滑、冷却系统基本保持不变，只进行维护保养。

图1 AC双摆角铣头示意图

（三）重型数控龙门铣床改造方案实施

1.采用先进的技术和新产品，实现五轴联动

（1）选配适合现代汽车模具加工的数控系统

根据重型数控龙门铣床加工现代汽车模具的工艺要求，重新选配当前比较先进的意大利 FIDIA C10五轴联动数控系统，更换旧的三轴联动数控系统。FIDIA C10数控系统功能强大、性能可靠、操作方便，同时，还具有直线,圆弧,螺旋线和抛物线插补、动态RTCP补偿，旋转轴同步编程、线性误差和反向误差的补偿、螺距误差补偿、刀具长度校正、2D 刀具半径补偿、镜像加工等功能。可实现图形模拟、图形编程、作业顺序编程、CAD文件的显示、故障自诊断等功能，该系统还适用于高功率、高速度的数字交流伺服驱动，能使数控龙门铣床具有高精度、高效率加工复杂曲面模具的功能。

（2）运用现代设计方法，优化双摆角铣头的结构

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在所涉及的领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。在运用现代设计方法进行工程项目设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。

所谓五轴联动数控铣床是指在一台铣床上有五个坐标轴（X、Y、Z三个直线坐标和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行复杂空间曲面的加工。

要实现重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造，关键问题之一是要在重型数控龙门铣床增加两个旋转运动，而重型数控龙门铣床改造时的工作台不变，同时，铣床主要用于加工汽车覆盖件模具，因此,采用主轴头旋转方式立式结构,将A、C旋转轴设在主轴上，铣头绕Z轴旋转为C轴，铣头绕X轴旋转为 A轴。进给机构采用蜗杆/蜗轮副传动结构，选用SIEMENS伺服电机。并且通过现代设计方法，以有限元分析为基础，结合重型数控龙门铣床的结构和性能，对AC旋转轴结构进行优化，并重新设计主轴传动系统，最终形成AC双摆角铣头如图1所示，A轴正反旋转各为210度，C轴正反旋转各为400度，完成X、Y、Z三轴直线运动和A、C轴旋转运动的五轴联动，使铣刀始终垂直于模具曲面，实现复杂空间曲面的模具加工。

（3）采用先进的液压平衡法，以平衡主轴箱系统的重量

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造，增加了一个数控AC轴双摆角铣头功能，重新设计了主轴传动系统。当铣床主轴（Z向）运动时，为了平衡主轴箱系统的重量，采用目前技术水平最先进的大型储能筒式液压平衡机构，使主轴箱进给运动时平稳性和伺服随动性得到大幅提高。

2.采用新技术、新工艺延长机床的使用寿命

（1）运用新产品，改善进给系统，提高机床的定位精度

重型数控龙门铣床的进给系统用于接受数控系统发出的脉冲指令，放大和转换后驱动铣床运动执行件，以实现预期的运动。因此进给系统的性能在一定程度上决定了铣床的性能，直接影响到加工模具的精度。为了保证铣床的加工精度，将该铣床X轴、Y轴、Z轴的直线进给运动的丝杆，更换为高速性能好、摩擦力矩小、传动效率高、接触刚度高、变形小的、高精度的滚珠丝杆副，并采取消隙、螺距误差补偿等措施，使进给系统具有响应速度快、稳定性好、传动精度高、构件刚度性强、低摩擦的功能。同时，对铣床X轴、Y轴、Z轴方向的伺服驱动装置均采用转子惯量小、动态响应好，质量小、转速高、输出功率大的交流伺服电机和驱动，从而满足重型数控龙门铣床五轴联动的定位精度要求。

（2）采用修磨技术和工艺，提高机床的运动精度

对重型数控龙门铣床的机械传动部件如主轴、床身导轨、工作台采用修磨技术和工艺进行修复。同时，床身导轨采用耐磨贴塑处理，降低导轨间的摩擦力，消除导轨可能产生的爬行现象，提高了铣床的运动精度，延长铣床的使用寿命。

3.重新设计铣床电控系统

对重型数控龙门铣床电控系统进行重新规划布线，用新的数控系统和强电装置代替旧的系统等；更换老化的电气元件和电缆及附件等，恢复铣床电控系统的各项功能，确保铣床正常运转、操作灵敏可靠，延长铣床的电控使用寿命。同时，根据电控系统产生的热负荷等数据进行热量计算，增加电控柜空调装置，解决温控问题。

（四）重型数控龙门铣床改造效果

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造后的检验，是参照欧美国家设备对高档汽车模具加工精度的要求。对铣床进行几何精度（工作台面运动的平行度检测、铣头横向移动对工作台面的平行度检测、铣头垂直升降移动对工作台在X、Y方向上的垂直度检测、铣头主轴旋转中心对工作台的垂直度检测、铣头主轴端径向跳动和端面跳动精度检测等项目的检测）、定位精度、重复定位精度、NAS试件和“S”试件加工检测，汽车前门外板模具实物加工检测。经检验铣床各项指标数据表明，所改造的重型数控龙门铣床主要参数、功能、精度、可靠性，基本达到同类五轴联动数控铣床的出厂标准。

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造后的效果主要表现为以下四个方面：

第一，使旧重型数控龙门铣床获得新生，实现铣床数控五轴联动，解决当前汽车制造对模具复杂空间曲面的加工要求高精度、高效率的问题，大大提高了生产技术装备水平，提高了市场竞争力，获得了巨大的经济效益。在2010年生产中产生的直接经济效益约为 500万元，实现新增利税约 125万元。

第二，按目前同等五轴联动重型数控龙门铣床的价格比较，可节约设备采购费700多万元。

第三，运用科学新技术对重型数控龙门铣床进行五轴联动数控化改造，具有投资少、见效快的特点, 实现节能省材，促进环保，为企业机床技术改造更新提供了一种借鉴。

第四，在充分吸收意大利重型数控龙门铣床的设计思想和系统结构的基础上的进行期改造，掌握重型数控龙门铣床五轴联动的结构，把握数控龙门铣床五轴联动的发展趋势，积累数控机床改造维护经验，打造了一支旧机床数控改造的团队，提高工程技术人员和专业教师的专业能力，也为机电设备管理与维修专业教学提供了案例。

（五）结束语

重型数控龙门铣床五轴联动数控化改造的技术难点主要表现为：

1.五轴联动的数控系统控制

重型数控龙门铣床是机电一体化的典型产品，铣床中的X、Y、Z轴直线和A、C轴旋转的进给运动均为独立的传动机构，各运动轴线都有各自的进给伺服系统（交流伺服驱动电机和伺服驱动等），均通过铣床的数控系统统一控制下,完成数控龙门铣床五轴联动的运动。因此，数控系统性能优劣决定数控铣床的加工效率、成形精度和运行的稳定性、实现重型数控龙门铣床五轴联动加工的控制。

2.AC双摆角铣头优化, 实现五轴联动

运用现代设计方法，以有限元分析为基础，结合重型数控龙门铣床的结构和性能，对AC双摆角铣头进行优化，重新设计主轴传动系统，以实现重型数控龙门铣床五轴联动的加工。

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TG547

A

1008-1151(2011)06-0103-02

2011-03-15

张映红（1960－），女（瑶族），广东兴宁人，柳州职业技术学院机电工程系副教授，从事机电设备维修与管理专业课程教学和科研。