1 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
我国国务院发布《关于加快振兴装备制造业额若干意见》重要战略，是为了提高我国制造业在国际市场上竞争力的重要战略举措[1]。陕西省近年制订了《关中先进制造业发展规划》，规划将装备制造业的振兴和调整作为重中之重，其中之一是以大型煤炭综合采掘设备、重型矿山机械等为重点的煤炭化工重型装备制造业，为推进装备制造业发展、升级优化、结构调整、提供了有力的政策支持。西安煤矿机械制造企业为寻求新的发展机遇，迎接更加激烈的市场竞争，投资建设全新的煤机装备生产制造基地。新建生产厂房、新购置国内外先进生产工艺设备，升级改造企业现有生产设备，提高企业整体工艺装备水平，提升煤矿机械装备生产能力，确保设备技术先进性。有效解决企业长期存在的产能问题，提高企业新产品开发实力，促进公司技术和产能的升级，实现“高起点、高要求、建设国内一流煤机装备制造公司”，全面提升企业核心技术掌控能力、生产能力和产品质量，尽快满足国内外煤矿机械市场需求。西安煤机主要产品是采煤机，采煤机的主要部件是摇臂、牵引部、连接架、行走部等。这些壳体加工都需要使用数控镗铣床进行加工。数控镗铣床在公司所使用设备中占有重要地位。在二十世纪九十年公司从美国进口卧式多台数控镗铣床，在企业发展中起到了重要作用，完成了大量的壳体部件加工。其中 PC50 型数控镗铣床经过近二十年的使用，设备老化、故障率高，加工精度降低，因此对 PC50 型数控镗铣床的升级改造成为迫切的要求[2]。数控机床改造具有非常大的必要性，对企业减少购买新设备投资资金也具有重要意义[3]。
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1.2 国内外研究现状
近年来，国内大中型机床制造企业、集团，都开始设立了从事机床维护和改造的机构或分公司。国内研究院所、数控系统生产公司也开展了机床数控化研发、生产相关业务[4]。例如上海自动化设计研究所、中科院沈阳计算机技术研究所、广数、华中数控等公司，他们结合多种先进技术，成功地升级了相当数量的机床。这些企业院所利用高新技术，并充分结合现有企业资产，增加产值数亿元[5]。重庆机床集团将机床再制造作为集团新的利润增长点，并逐步将市场保有量大的中小型车床、滚齿机设备再制造打造为企业新的发展战略。重庆机床集团与重庆大学合作建成“重庆市工业装备再造工程产学研合作基地”，为国内机床制造行业的发展提供了一种思路[6]。清华大学和天津工程研究院对机电产品再制造也进行了深入的研究[7-9]。我国和欧美发达国家在机床再制造行业发展相比较有一定的差距[10]。在欧美国家，机床数控化改造经过多年的发展逐步发展成为一个新兴行业。在美国经过多年的发展，机床再制造企业竞争激烈，也导致大量生产企业被市场所淘汰，现有三百多家专门从事机床升级改造和再制造的企业[11]。上世纪九十年代的芝加哥国际制造技术展览会上，包括辛辛那提在内的著名机床厂商就展出了多台数控改造机床。波士顿大学工程学劳伦教授撰写了《再制造业：潜在的巨人》的研究报告[12-16]，报告中强调了再制造业已经成为美国经济中不可或缺的一只力量。进入二十一世纪，机床改造行业正式成为美国新的经济增长点，被定义为机床再生业。例如：莫里机器公司（Morey Machine Inc.）主要进行大型机床再制造，德通机床公司（Dayton Machine Tools Co.）主要从事多功能机床再制造，（德宝）服务集团（Devlieg-Bullard Service Group）主要进行组合机床的改造[17]。Maintenance Service Corp.公司已有五六十年的机床改造升级历史，在北美各国均开展了相关业务，可对各种类型的普通车床、立式车床、摇臂钻床、龙门刨床、卧式（立式）镗铣床（加工中心）、磨床、滚齿机等设备进行改造、翻新和改造[18,19]。Machine Tool Service,Inc.是美国最早开始对数控加工中心进行升级以及改造专业公司之一。Machine ToolBuilders, Inc.从事机床升级和再制造业务二十多年，主要对齿轮加工机床进行升级改造。Machine Tool Rebuilding,Inc.是一家专业从事冲压机升级改造的企业[20-22].
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2 PC50 型数控镗铣技术改造方案
2.1 PC50 型数控镗铣床介绍
2.1.1 PC50 型数控镗铣床简介
在上世纪九十年代美国吉丁斯路易斯公司设计并生产了 PC50 型数控镗铣床。机床主要由机床本体、数控系统、辅助装置等组成[29]。机床本体是机床的主体，主要包含以下几个部分：立柱（COLUMN）、主轴箱（HEADSTOCK）、镗杆（SPINDLE）、工作台（TABLE）、底座（COLUMN BASE）、床身（BED）、主导轨（SADDLE）、辅导轨（SADDLESUPPORTS）。机床床身、立柱和工作台的自重大、稳定性好、机械性能稳定。见图 2.1。机床实现的主要加工动作是：主轴箱沿立柱导轨上下移动，镗杆水平布置并做轴向运动，工作台做纵向或横向运动。机床辅助装置主要包括护罩、冷却系统及各种继电器、电磁阀、油箱、泵、辅助电机、开关等元器件。机床部件通过接收数控装置输出的控制信号，完成工作台和主轴箱运动、主轴变速、液压站、冷却系统及各种保护等辅助动作控制，实现数控机床在零部件加工中的自动操作。PC50 型数控镗铣床广泛应用于机械加工行业。在西安煤机公司主要用于加工采煤机摇臂、牵引部、行走箱等壳体类零部件。主要加工工序是镗孔及与孔有位置关系的平面的铣削加工。在壳体零部件加工中可实现一次装夹，完成铣、镗、铰、锪、攻螺纹、钻等多个工序[35]。机床采用了高性能的伺服电机驱动主轴及各个传动系统。进给方向传动链短、机械结构简单，可靠性及维护性好。机械结构具有较高的刚度和阻尼，导轨、床身具有很高的耐磨性，床身通过长期自然时效热变形小、保证了机床性能稳定、高精度加工性能。各个轴向采用了滚珠丝杠副保证了传动精度，并且采用全闭环控制保证了机床很高的加工精度。
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2.2 PC50 型数控镗铣床改造前机床现状分析
PC50 型数控镗铣床在接近二十年使用周期中，因生产任务重一直未进行大修改造。近年来使用 PC50 型数控镗铣床加工采煤机摇臂，加工电机孔、行星头部、一轴、二轴等相关孔，圆度、同轴度已经不能满足图纸要求，只能用于粗加工、半精加工、不能满足部件精加工的要求，降低了生产效率。机床升级后需要搬迁至新工厂进行安装使用，所以需要对新车间的环境温度、车间综合、地基情况、使用环境进行调研。在充分完成基础分析工作后，进行数控系统升级方案制定。并机床原有数控系统性运行速度、响应时间等综合因素分析。对系统控制程序主要动作要求进行了解，如点动、对刀、自动加工、连续加工、单周期动作、单步动作等。以及在不同加工工况、刀具特点、动作顺序、动作条件、必要的保护和互锁程序等进行考虑，充分了解机床工况条件。对电气元器件进行失效分析，明确电气系统升级、更换、维修项目。采用一次诊断、二次诊断技术手段，对电气元器件现况进行诊断。一次诊断是组织设备使用人员、设备技术人员对设备现有元器件的状态通过经验及五官感觉进行分析，对各种元器件受到性能应力及环境应力的影响进行分析，判断现有设备元器件、电机、相关模块的失效状态。结合表 2.2 对失效影响因素进行分析。二次诊断是在一次诊断的基础上，由专业技术人员使用测量仪器，例如：万用表、测温计、分贝仪，对元器件进行通导测定、温度测定、绝缘测定、噪音测定。最终判定 PC50 型数控镗铣床中装备的电气元件是否失效。
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3 伺服驱动系统改造设计............. 20
3.1 伺服驱动系统升级主要流程.... 20
3.2 主轴电机选型设计.......... 20
3.3 伺服进给系统升级.......... 21
3.3.1 X 轴伺服进给系统设计 ........... 22
3.3.2 其他轴伺服进给系统的设计............. 30
3.4 伺服驱动模块匹配 ......... 31
3.5 光栅尺的选定及配置...... 31
3.6 伺服驱动系统部件升级前后参数对比 ....... 32
3.7 伺服驱动系统相关机床参数设定 ..... 32
3.8 本章小结...... 35
4 机床控制系统设计.......... 36
4.1 电源及交流器件介绍...... 36
4.2 PLC 逻辑控制系统设计............ 36
4.2.1 PLC 控制地址设定......... 36
4.2.2 电路图设计.......... 39
4.2.3 PLC 程序设计....... 39
4.3 本章小结...... 40
5 机床改造结果验证.......... 41
5.1 PC50 型数控镗铣床机械部件精度测定 ...... 41
5.2 PC50 型数控镗铣床几何精度验证 .... 41
5.3 机床位置精度测量并优化........ 43
5.4 机床工件加工精度验证 ........... 47
5.5 本章小结...... 48
5 机床改造结果验证
5.1 PC50 型数控镗铣床机械部件精度测定
机床几何精度提高方面，在机械部分升级改造中完成了进给传动部分升级，包括滚珠丝杠、轴承等。升级完成后对主要部件几何精度进行检测。其中镗杆直线度进行测定达到0.02mm/1000mm。矩形导轨面进行加工后表面粗糙度小于3.2微米，达到技术要求。对镶条进行配磨，保证机床精度。经过测定导轨直线度小于 0.02mm/1000mm，两根一组直线导轨的平行度误差小于 0.01mm，满足技术要求。在机床的安装过程中，为了保证机床精度。机床床身水平误差经过测定小于0.02mm/1000mm。在对各个轴驱动安装中对丝杠轴承座安装中使用检棒、千分表检测的上母线及侧母线位置，经过调整误差小于 0.01mm/150mm。综上分析机床加工能力满足机床升级改造要求，实现了公司工件的设计要求及加工要求，加工周期同企业内部类似规格机床的加工周期基本相同，机床生产效率达到企业对设备性能的要求。加工期间主轴变速正常、性能稳定，正常使用各种镗铣刀具，满足各种工况条件下的加工要求。从机床控制系统和机床机械竞购两方面进行了升级，对机床几何精度、定位精度进行检测及测定，升级后机床精度得到大幅度提升，达到了机床升级的技术要求。通过零部件试切，加工工件检测合格，进一步验证了升级改造成果。
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结论
在综合分析 PC50 型数控镗铣床机械性能和技术状态的基础上，提出了其具体技术升级改造方案和明确的机床改造目标。对升级改造的关键技术进行了详细研究并实施，最终恢复了机床原有的功能，静态和动态精度，效果良好。主要完成工作如下：（1）采用失效分析相关理论对机床主要部件进行了分析，并对精度进行了分析测定，最后提出了整体改造技术要求和升级方案，为后续工作奠定了基础。（2）针对升级技术要求，认真分析机床切削条件及工况，完成了主轴驱动电机、进给驱动电机，滚珠丝杠副等关键部件的设计计算及选型。（3）制定了数控系统的整体设计选型方案，完成了电气图的设计，开发了基于西门子 PLC 的电控程序设计。（4）最后结合机床参数补偿，使机床精度达到了升级改造的技术目标要求。使用改造后的 PC50 型数控镗铣床进行实际采煤机摇臂壳体零件加工，并对工件主要尺寸及相关形位公差进行检测。结果表明，加工达到图纸设计要求，加工周期合理，生产效率达到同类机床的水平。本课题研究达到了预期目标，设备性能满足采煤机主要壳体工件加工要求。目前，设备运行十分稳定可靠，连续使用接近两个月，设备运转正常，没有出现停机等设备故障。公司仅投入近不到七十万元资金就使机床达到了价值五百万元同类机床的生产能力和加工精度，为企业节省了的资金，保证了企业持续的盈利能力。经过进行的研究工作，也为企业内部其它相关机床数控系统升级改造储备了技术和经验。
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参考文献（略）