鏜床工作臺數(shù)顯分度與角度測量改造

紀(jì)汝杰，曹恒志，楊友勝

(1.中國海洋大學(xué)，山東青島266100; 2.青島市職業(yè)教育公共實訓(xùn)基地，山東青島266000;3.青島沃迪數(shù)控裝備有限公司，山東青島266112 )

現(xiàn)代制造業(yè)是社會各行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著國內(nèi)外市場競爭越來越激烈，產(chǎn)品更新越來越快，尤其數(shù)控化技術(shù)擔(dān)負(fù)著重要責(zé)任，是必然發(fā)展趨勢。而要大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，關(guān)鍵就是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與維護(hù)改造［1－2］。鑒于我國超齡服役設(shè)備的數(shù)量占有比大及經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，采用數(shù)控技術(shù)對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，尤其適合我國機(jī)床國情［3］。

文中討論對中捷PX6111B 型鏜床進(jìn)行工作臺數(shù)顯分度與角度測量改造，以下簡稱鏜床工作臺分度改造。該機(jī)床主要用來加工對中型盤、孔類零件，當(dāng)對工件進(jìn)行分度加工時，通過機(jī)床工作臺上的刻度盤進(jìn)行角度測量與分度，既不準(zhǔn)確又不便于操作，特別是帶有分、秒角度要求的工件，很難達(dá)到要求，給操作工帶來極大的麻煩［4］。通過使用磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)進(jìn)行改造，則很好地滿足產(chǎn)品在分度與角度測量方面的要求，可降低改造成本，大大提高加工精度與效率，特別適用于角度精度要求較高的工件。

1 鏜床的結(jié)構(gòu)要求

改造后要求緊湊并且不能降低原來的剛度，即在不破壞機(jī)床的結(jié)構(gòu)與布局的前提下進(jìn)行改造，改造后并能保證加工精度。

2 設(shè)計方案的提出

我國現(xiàn)有鏜床工作臺角度顯示裝置基本是機(jī)械刻度式，既不方便讀數(shù)也不準(zhǔn)確，難以達(dá)到高精度分度與角度測量要求，所以采用磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)對鏜床工作臺進(jìn)行改造，既使分度精度高、簡單可靠、安裝方便又為客戶大大降低改造成本，目前已在立車工作臺，鏜床工作臺上得到應(yīng)用，并受到用戶好評。結(jié)合實際改造需求，針對鏜床工作臺分度改造提出以下方案:

(1) 采用高分辨率光電編碼器進(jìn)行分度，即在工作臺中心部位的下方鑲?cè)牍怆娛骄幋a器，連接數(shù)顯系統(tǒng)進(jìn)行角度反饋，達(dá)到分度要求，具體的編碼器的線數(shù)可根據(jù)分度精度來定，原則上應(yīng)在120 000 線以上。

(2) 采用最新雙通道磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)，即將直線測量值轉(zhuǎn)變?yōu)榻嵌葴y量值。不管多大直徑轉(zhuǎn)臺，機(jī)械安裝結(jié)束后，數(shù)顯表需進(jìn)行初始化，系統(tǒng)就會自動完成倍率計算，并可進(jìn)行50 段非線性補償，精度可控，整個過程非常簡單，不需其他操作。

經(jīng)過以上技術(shù)論證，采用高分辨率編碼器進(jìn)行鏜床工作臺分度改造，需要在回轉(zhuǎn)臺主軸中心部位的下方進(jìn)行局部改動且走線比較狹窄，編碼器沒有安裝空間，且高分辨率高精度編碼器成本較高，難以實現(xiàn)。在保持機(jī)床結(jié)構(gòu)原來的剛度、精度及降低改造成本的前提下，本著盡量不改動原設(shè)計布局，即主傳動系統(tǒng)不變的原則，在工作臺外部刻度處，只需安裝一套磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)，就能達(dá)到工作臺精密數(shù)顯分度與角度測量的目的［5－6］。新型雙通道磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)具有防水、防油、防灰塵、抗干擾能力強等特點，數(shù)顯系統(tǒng)提供了誤差補償功能(非線性補償) 。對于某些大型機(jī)床工作臺來說，由于機(jī)械精度較低，所以整個回轉(zhuǎn)過程中的誤差就不一定是線性的，這種誤差稱為非線性誤差。非線性補償就是將這個行程分成若干個等分的區(qū)段，將這若干個區(qū)段內(nèi)的誤差看作是線性的，用數(shù)顯系統(tǒng)的特殊功能進(jìn)行誤差補償，從而修正整個行程中的非線性誤差。區(qū)段的距離越小，修正的誤差就越逼近整個行程的非線性誤差量。所以選用雙通道磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)來進(jìn)行分度與角度測量是一個可行的選擇。

3 磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)的選用原則、組成及安裝

3.1 選型原則

根據(jù)機(jī)床的精度要求進(jìn)行選型，一般選用原則為:

(1) 工作臺直徑在1 200 mm 以下時，且分度精度與角度測量精度要求較高時，選用雙通道磁間距2 +2磁帶為宜。該磁柵精度較高，直線分辨率為0.001 mm，價格較貴些; 安裝精度也較高，調(diào)試較復(fù)雜，磁帶與磁頭間隙0.3 ～0.5 mm 為宜。

(2) 工作臺直徑在1 200 mm 以上時，選用雙通道磁間距5 + 5 磁帶為宜。該磁帶直線分辨率為0.005 mm，價格較便宜，安裝調(diào)試方便，應(yīng)用廣泛，磁帶與磁頭間隙0.5 ～1 mm 為宜。

3.2 磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)的組成

(1) 采用最新雙通道磁柵技術(shù)及兩個專用磁頭(帶原點檢測) ，原點切換方式，越過磁帶接縫處，使磁帶形成無縫對接，將直線測量值轉(zhuǎn)換為角度測量值，實現(xiàn)圓周精密分度及角度測量，目前國內(nèi)首創(chuàng)。

(2) 通過專用3 軸多功能數(shù)顯表，實現(xiàn)任意角度數(shù)顯分度與角度測量，精度可控，可實現(xiàn)50 段角度非線性補償，精度為±5″、 ±8″、 ±10″、 ±15″、±20″，最小分辨率1″。

(3) 采用獨立數(shù)顯分度操作臺及磁頭安裝平臺，兩者獨立，電纜不用走機(jī)床拖鏈，應(yīng)用時通過航空插頭快速連接，避免了不使用時來回拖拽連接線影響其使用壽命。不用時拔開即可，操作簡單、快捷可靠。

(4) 夾緊裝置(選項) 。

(5) 伺服裝置(選項) 。

3.3 安裝部位與步驟

安裝部位一般為工作臺下部圓周加工面上，此安裝面與回轉(zhuǎn)主軸同軸度應(yīng)在0.01 mm 以內(nèi)，粗糙度Ra1.6，否則對精度影響較大，如沒有這樣的加工面，需要進(jìn)行加工。

安裝步驟:

(1) 安裝前請先用磁性觀察片查看磁尺的磁道方向，保證增量磁道在磁尺的上方，如圖1 所示。

圖1 雙通道磁柵

(2) 首先用銼刀及砂紙在工作臺粘合面進(jìn)行打磨，除去硬點及污物，達(dá)到安裝要求，用酒精或丙酮將磁尺所需要粘貼的機(jī)床表面擦拭干凈，保證表面沒有油漬和污漬，如圖2 所示。

圖2 鏜床結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 用磁性觀察片看一下切換點的位置，一般在離磁尺端部100 mm 的地方。先算一下要安裝的整個周長的距離，如果磁尺太長，可以先把一頭的端部剪短一點，但最后要保證磁尺切換點離端部的距離大于25 mm。

(4) 開始準(zhǔn)備粘貼磁尺，在粘貼時最好有個基準(zhǔn)面以保證磁尺在粘貼過程中不會出現(xiàn)歪斜的現(xiàn)象。在貼磁尺時應(yīng)該一邊粘貼一邊把雙面膠和橡膠保護(hù)套去除。

(5) 在磁尺兩端的接縫處留10 mm 左右的空隙，將多余的磁尺剪掉。

(6) 粘貼保護(hù)鋼帶的步驟和磁尺一樣，最后將多余的保護(hù)鋼帶剪掉，注意要用尖頭鉗或相似的工具將保護(hù)鋼帶端部彎曲成如圖3 的尺寸所示。

圖3 保護(hù)鋼帶端部形狀

(7) 在磁尺兩端接縫10 mm 空隙處需要安裝一個沉頭M2.5 螺釘，用于把保護(hù)鋼帶壓住，注意螺絲的頂部不能高于磁尺的高度。

(8) 開始安裝讀磁頭，讀磁頭之間的距離必須大于等于兩個切換點之間的距離; 讀磁頭和磁尺之間的上下錯位要小于0.3 mm; 如果是MR200AR 磁頭，那和磁尺的安裝間隙控制在0.3 ～0.5 mm 內(nèi); 如果是MR500CR 磁頭，要保持與磁尺的安裝間隙控制在0.5 ～1 mm 內(nèi)。

3.4 改造后的優(yōu)點及應(yīng)用領(lǐng)域

磁柵數(shù)顯分度系統(tǒng)主要應(yīng)用于立車工作臺、鏜床工作臺、臥車工作臺、插齒機(jī)工作臺及各種有圓周精密分度與角度測量要求工作臺。目前已在5 m 立車、4 m 立車、2.5 m 立車、TX6111B、TPX6411、TX6916等有分度與角度測量要求的機(jī)床上得到了應(yīng)用，并得到良好經(jīng)濟(jì)效果。此次對鏜床工作臺數(shù)顯分度的改造能滿足產(chǎn)品加工要求，使原機(jī)床機(jī)械刻度式分度得到了升華，極大地提高了機(jī)床回轉(zhuǎn)精度與效率［7－8］。

4 鏜床工作臺分度改造的聯(lián)機(jī)調(diào)試

在系統(tǒng)安裝完成后首先進(jìn)行通電前檢查，確保各接口處焊接牢靠和連接正確，接頭無短路、松動現(xiàn)象，然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

4.1 參數(shù)設(shè)定

包括坐標(biāo)動態(tài)特性，數(shù)顯系統(tǒng)參數(shù)的初始化等。

將讀磁頭和數(shù)顯表連接好后開始調(diào)試。將轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，觀察數(shù)顯表的Z 軸顯示值，如果Z 軸的數(shù)值累計加2，則說明安裝是正確的，反之則需要調(diào)整讀磁頭的位置，如圖4 所示。

倍率計算(以MS500R 磁尺為例) :

式中: d 為轉(zhuǎn)臺直徑(mm) ，θ 為倍率。

此系統(tǒng)最大優(yōu)點是倍率的自動計算，無需手動設(shè)置，即在ABS 模式下，連續(xù)旋轉(zhuǎn)工作臺使之?dāng)?shù)顯表副窗口出現(xiàn)OK 字樣為止，此時說明設(shè)置完畢，此后系統(tǒng)可正常工作。

4.2 精度的測量

精度是調(diào)試工作的重中之重，因為無論改造得多美觀，只要精度達(dá)不到，就可以說改造不成功，所以需要反復(fù)測量及驗證。根據(jù)測量數(shù)值進(jìn)行調(diào)試或者更改參數(shù); 檢驗精度時采用規(guī)格為600 mm×600 mm 大理石方尺、杠桿千分表及磁力表座對數(shù)顯分度機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)精度測量［9］。將90°大理石方尺固定在回轉(zhuǎn)工作臺中心位置上，并進(jìn)行壓表，調(diào)整好基準(zhǔn)值，檢驗4 個90°面(也可設(shè)定更多角度段) 。當(dāng)?shù)? 個90°方尺基準(zhǔn)面調(diào)整完畢時(千分表對0) ，這時數(shù)顯表在INC 模式下復(fù)位回0，然后進(jìn)行第2 個90°檢驗，此時重復(fù)上述過程，此時數(shù)顯表實際讀數(shù)與90°的差值即為誤差，第3 個90°、第4 個90°檢驗以此類推。誤差大于要求的誤差時，可根據(jù)測量情況，判斷是線性誤差還是非線性誤差，然后根據(jù)誤差大小，對它們分別進(jìn)行相應(yīng)補償即可。

5 結(jié)束語

通過該鏜床工作臺磁柵數(shù)顯分度改造，大大提高了加工精度與效率，對于有角度要求的工件來說具有檢測功能，而且操作簡單、方便直觀，為用戶節(jié)約了成本。經(jīng)過觀察回訪，改造后機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度均在合格范圍內(nèi)。另外，對于雙柱立車來說，由于應(yīng)用該系統(tǒng)工作臺可以進(jìn)行分度，若在雙柱立車另一個刀架上配上銑削動力頭，可大大增加該機(jī)床的車、銑、鏜、鉆、攻絲功能。目前，已在實踐中得到應(yīng)用，實踐證明該系統(tǒng)的應(yīng)用是可行的，前景是可觀的。

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