SKODAW250H 普通镗床的数控化改造

安 毅 张明良 许 建

(哈尔滨电动机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

捷克SKODA W250H 普通镗床是20 世纪80 年代进口的大型落地镗床。作为一台大型设备，承担着企业重要的生产任务。随着企业不断的发展，对生产产品的质量和精度的要求越来越高，工件加工尺寸的不断增大，也要求设备不断提高生产效率。在这种生产环境和条件下，对现有大型普通设备的数控化改造就成为企业所采用的一种有效的措施。基于这样的原因，对SKODA W250H 普通镗床的数控化改造成为哈电进一步快速发展的必然选择。

1 SKODAφ250 普通镗床的改造内容

1.1 机床机械部分的改造

数控机床的机械部分在刚度、精度、摩擦、磨损等方面较普通机床有着更高的要求，因此不能简单地认为将数控装置与普通机床联接在一起就达到了机床数控改造的目的，而是应该从机床自身的价值，分析改造要达到的目标和所需要投入。对被改造机床的结构性能，精度等技术现状作全面分析，包括机床原结构设计是否符合改造要求，各坐标轴的机械传动结构及导轨的形式是否适用，各项精度是否满足要求，机床在加工中是否存在缺陷和历史上有无出现过重大故障，从而确定最终改造方案。

(1)镗箱系统的改造

镗箱系统作为落地镗床最主要的机械部分，是本次改造中为提升质量和效率的重要部分。

首先对主传动系统进行改造。在改造时，应尽量保留主传动系统镗箱内的齿轮和换挡变速机构。因为该机构目前还能满足数控化改造的要求，同时又可以减少工作量和成本。在驱动方面将原主轴直流电动机改为交流电动机。

对镗杆进行更新改造。该镗杆由于多年使用，精度严重缺失;同时其刀具装夹方式无法满足数控机床自动化的要求。所以更换旧的镗杆，新的镗杆应有自动拉刀系统。该机构既可方便维修，又可满足同类数控设备刀具的互换性能，增加刀具标准化，使刀具的工作具有稳定性好、高精度、高速度的特性。

将镗杆和滑枕的进给改为独立的进给轴。由于原设计这个进给轴由一台进给电动机控制，采用摩擦片离合器进行切换，工作中经常发生故障，使加工产品的质量出现问题，特别是装有附件头进行工作时，经常出现故障。

(2)进给传动系统的改造

在对进给传动系统进行改造时，把各轴原来的进给传动装置全部取消，每个进给轴都采用独立的伺服电动机单独驱动。对于Y 轴、Z 轴、W 轴的进给采用无间隙滚珠丝杠代替原来的梯形丝杠。因为滚珠丝杠的滚动摩擦使磨损损失减少，精度保持性、传动平稳性、传动效率都有所提高。同时由于无间隙传动，可以满足数控系统的要求。

对于X 轴，由于传动距离太长，无法采用滚珠丝杠传动，故采用高精度、硬齿面齿条齿轮传动。末端齿轮采用双齿轮柔性消隙机构。刚性消隙机构虽然结构简单，刚性较好;但考虑到镗床立柱及镗箱的重量，在高速运行时，其惯性较大，刚性消隙机构适应能力差，无法满足机床各种运动状态;而且使齿条、齿轮磨损增加，使用寿命大大较少，这种结构受当时技术条件制约，在大型机床实际运行中已发现其不足，故采用柔性消间隙的方法，采用双齿轮消隙传动箱安装在滑座端面。各进给轴伺服电动机前端也配套安装标准齿轮减速箱。

(3)修复机床各导轨的精度

该设备的各部导轨均为铸铁导轨，具有较好的先决条件。各导轨面采用刮削精加工的方法，要求刮研显点18～25 点/mm2，保证尽可能的减少摩擦及对位置控制精度的要求。

(4)机床液压系统的改进

增设一套液压夹紧装置，以满足对主轴刀具夹紧及其它夹紧系统的要求。该液压系统应有保压功能，并要求有散热系统。

改造静压系统:将原恒压静压系统改为恒流静压系统。SKODA W250H 镗床的原静压系统采用毛细管节流方式，静压浮起量较小，一般只有0.02～0.03 mm，无法满足各静压导轨几何精度的要求。所以各静压导轨经常出现爬行现象，且抗倾翻的能力较差。这次改为恒流量静压导轨，恒流静压采用多头泵，导轨一腔一泵，油膜厚度一般为0.04～0.05 mm，既增大浮起量又保证了浮起量的稳定，使各导轨面在工作时处于非接触状态，对负载的变化有较强的承受能力。改造后提高其稳定的承载能力，达到了高精度机床的技术要求;同时由于恒流静压具有较强的抗倾翻能力，使机床无论重载切削或精加工均有较高的精度。

1.2 精密测量检测系统的改进

机床的各个进给轴(除Z、W 轴以外)均采用全闭环的控制方式。用新安装的HEIDENHAIN 光栅尺进行位置反馈实现全闭环控制，以提高机床数控精度。Z、W 轴由于条件限制，采用HEIDENHAIN 编码器实现半环控制。

2 数控电气系统的改造

为保证整个机床改造后精度与功能的实际要求，对机床电气系统进行全面的数控改造。数控系统选用当今应用最广泛的西门子 SINUMERIK 840D(NCU573.5)。进给轴X、Y、Z、W 均采用SIMODRIVE 611D 驱动1FT6 交流伺服电动机，其中X、Y 轴配置HEIDENHAIN LB382C 带距离码的光栅尺作全闭环控制，返参考点距离不超过100 mm;Z、W 轴采用绝对值编码器作半闭环控制，无需返参考点。主轴采用1PH7226 -90 kW 主轴电动机，配有位置编码器，实现主轴定向、螺纹切削等功能，并配合机械改造提高主轴最高转速至900 r/min。PLC 采用分布式I/O 系统结构，线路简洁、维修方便。

840D 数控系统调试中要特别注意以下过程:送电前准备;HMI 软件安装的首次送电;参数部分的首次送电;PLC 部分的首次送电;控制功能的初次调试;用激光测量进行误差补偿;安装标准循环。

2.1 送电前准备

送电前必须保证机床电柜内及外部的连线正确，使得机床不会因为线路问题出现故障。

(1)电柜内部连线

对照原理图，看电柜线路有无接错的地方，特别是高压电与低压电不允许接错;并按照图纸要求调整空开的电流设定。对于系统部分，同样对照原理图检查线路问题。需注意，电动机的相序是否正确，各系统的电动机反馈线和闭环反馈线是否连接正确，600 V 的直流母线排必须固定好并盖好防护盖，同时其他排线也要求连接良好，紧固连线的接线端子。

(2)电柜外部连线

对照原理图，检查线路。需注意，三相交流回路中(包括电柜电源线)各相之间有无短路;电动机不允许对地且三相电阻必须相等;24 V 不允许直接对地;输入部分是否全部正常(如限位是否导通);电磁阀、离合器等输出部分的电阻是否正常;各元件的接地部分是否连接良好。

2.2 HMI 软件安装的首次送电

对于全新的PCU 单元仅安装有Windows XP 系统，HMI 软件并未安装，需在首次送电时进行安装。HMI 软件的安装，需要根据NC 卡的版本选择对应的HMI 软件版本。将PCU 单元的磁盘开关打到OPERATING 位置，之后对HMI 上电。当出现登陆界面后，直接输入密码SUNRISE，使HMI 进入Windows 环境下。安装完成后重启HMI，正常进入HMI 操作界面。

2.3 参数部分的首次送电

进入到操作界面后，即可对参数进行修改。首先设置基础参数，使系统可以正常运行。

(1)输入口令

依次按MENU SELECT 键(以下称菜单键，在屏幕右下方)，启动，设定口令(默认制造商口令为SUNRISE)。设定后，机床权限转为制造商权限，可以对参数进行操作。

(2)模块配置

依次按菜单，启动，机床数据，设定数据，进入模块配置画面。模块配置画面定义如下:位置号，模块在电柜中的实际排列位置(如，主轴紧挨NCU 模块，其位置号为1)。驱动号:模块在系统中的排列位置(如，主轴的驱动号为5)。是否有效:模块是否有输出。电动机模式:电动机类型(主轴为异步，其他都为同步)。在模块配置画面下，依次按粘贴模块键(注意按电柜的实际模块选择单双轴)，按照电动机类型修改电动机模式，按粘贴功率模块键(模块型号在电柜中模块右下角的位置可以找到)，再修改模块驱动号并设定模块是否有输出。驱动号顺序一般为:5(主轴)，1(X轴)，2(Y 轴)，3(Z 轴)，4(W 轴)。保存后，NCK 复位。

(3)选择电动机

以上参数设定完成并复位后，正常情况下会有报警“轴X 驱动1 需要设定参数”，即说明可以对电动机进行选择。依次按菜单，启动，机床数据，设定数据，电动机选择，按电动机标牌的型号对电动机进行选择，选择后出现的选项直接确定就可。电动机全部选完后，NCK 复位，出现是否保存驱动配置时，选全部保存。

2.4 PLC 部分的首次送电

根据NC 卡的版本选择合适的PLC 程序版本，常用的PLC 版本为6.5 及7.4。先将系统的组态下载下来，与图纸进行对照。将笔记本与840D 系统连接上后，打开STEP7，建立新项目。选择PLC，Upload Station to PG;在弹出的对话框中按下VIEW，再按OK，有需要覆盖的地方Yes To All。下载后，打开SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系统组态与图纸上的地址是否一致，不一致的话进行修改。组态修改完成后，可以将程序进行传输。将需要传输的程序复制到SIMATIC 300(1)PLC ＊＊＊(型号与具体PLC 有关)S7 Program(1)Blocks 中，然后按上方的Download 键将程序传输至PLC 中。打开程序中的模块，根据图纸进行实际修改。

2.5 控制功能的初次调试

以上步骤完成后，试验好三相电动机的转动方向及机械调整油压后，可以开车。开车时，注意多观察菜单，诊断，服务显示里面的选项。电气需要首先验证各轴限位，Z/W 轴行程，主轴换挡及滑枕补偿是否正常。全部正常后，可交给机械调整精度。

2.6 用激光测量进行误差补偿

首先设置38000，之后依次按菜单，服务，数据选项，将NC 生效数据选择上，确认。在NC 生效数据中找到测量系统误差补偿，找到需要补偿的轴，将该文件复制到工件文件夹下(可能需要先从数据选项中选择工件，并在程序工件中新建立个文件夹)。

依次按菜单，程序，工件，打开需要补偿轴的文件，根据看激光的差值进行依次输入(具体规则为:负向补偿时，我们用激光记录的数值，将其记录的最后一个数值正负交换后输入到文件的头一个数值;倒数第二个数值正负交换后输入到文件的第二个数值;以此类推)，全部输入完成后，在MIN 中输入行程(负数)，在MAX 中输入0;正向补偿时，则输入原数值，在STEP中输入每次激光的间距。之后按关闭编辑器。

设置32700 相关位(开环［0］，闭环［1］)为0，选择补偿表文件，在AUTO 模式运行，再设置32700 相关位为1，NCK 复位，对应坐标轴重新回原点。

2.7 安装标准循环

首先将对应的文件释放:依次按菜单，服务，扩展键(向右的箭头)，连续启动，读入调试文档，循环文档。之后先选择CYCLEMALL，按启动，再选择DEFINSE，按启动。再将对应的定义文件安装上:依次按菜单，服务，显示选项，将定义选择上，然后点确定。按数据管理，打开定义，将其中的4 个文件有装载选项的进行装载，有激活选项的进行激活，NCK 复位。

3 本次改造中机械解决的难点

3.1 主电动机的更换

原主电动机为定制的直流电动机，与主轴箱设计为一体式结构，而且原电动机所处位置正好是平衡锤吊点，具有承重作用;在改为1PH7交流主轴电动机后，首先要解决电动机接口的设计，利用原来的框架增加支撑使电动机安装固定后保证足够的刚性，以避免振动;再根据主轴箱外形设计外罩，有效利用内部空间设计罩壳的内筋结构，使之能够承受平衡锤重量。

3.2 Z 轴、W 轴传动分离

将镗杆和滑枕的进给改为各自独立的进给轴，取消摩擦片离合器结构，利用原镗杆进给机构支承墙板进行补充加工后安装Z 轴、W 轴传动箱，传动箱的设计根据支承墙板结构，在有效利用原结构空间的前提下保证支承墙板的刚性。由于Z 轴、W 轴的进给箱均固定在主轴箱上，因此在滑枕进给时镗杆也必须同时进给，才能保证镗杆与滑枕的相对位置不变，这就要求两个轴的进给同步，通过数控系统同步功能实现。

3.3 主轴拉刀机构的设计

由于SKODA 250 镗床系列镗杆副结构不同于一般镗床结构，其滑枕后部为封闭式结构，如果按常规设计将拉刀油缸安排在镗杆后部则油管安排相当困难。因此本设计将拉刀油缸设置在镗杆前部，通过后部接头将压力油通过空心镗杆和中间套输送到前部油缸，此结构对镗杆和中间套的加工精度要求较高。

4 达到的效果

经过数控化改造，使原来一台普通镗床成为一台全新的数控落地铣镗床，机床的精度和功能均提升到现代数控机床的标准和要求，从而大大提高了机床的加工效率和加工精度。

5 结语

随着数字控制技术的不断发展，其功能不断的强大，扩大了机床加工功能，机床的机械结构变得越来越简单实用，并对机床各项精度进行补偿，从而提高了机床的加工精度。通过对普通机床数控化改造，提高了机床的生产效率和自动化程度，减轻了操作者的劳动强度，提高了机床的加工精度和表面质量，扩大了机床的加工能力和工艺范围。既使这些普通设备获得了再生，又使企业降低设备成本，从而给企业带来了可观的经济效益和社会利益。