数控机床维修改造中需要注意的问题

绝大多数传统的机床或10年以上的旧机床，加工出来的产品存在质量差、品种少、成本高、供货期长等缺点。还有一些设备引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能起动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新，种种原因使这些设备不能发挥应有的作用。
对这类设备只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，进行维修改造，就能以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。尤其对于大型机床和特种机床，节省的费用更为可观。这是一个极大的改造市场。
1 数控机床改造中最基本的要求
1.1被定为改造对象的数控机床，其机械精度一定要达到相应水平，改造才具有价值和实际意义。否则数控系统及伺服部分水平再高也没有作用。首先应了解和掌握用户对设备已经使用的情况、目前设备出现的问题、需要改造的是哪些方面、要求达到什么目标等。力求全面掌握设备的参数，以确定选型及等级，如I/O点数、存储容量、根据实际需要确定改造档次。改造后的数控机床要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小；传动无间隙；功率大；便于操作和维修。数控机床改造时应尽量达到上述要求，才能获得预期的改造目的。
1.2资料收集、编辑和保存应贯彻改造全过程。机床的原始资料是了解机床出厂状况的最基本资料，其中电气原理图、电气维修手册、控制程序，都是需要仔细研究的。特别需要注意的是原始资料提供的信息不完全是正确的。国外机床厂有的提供的是系列型号的通用图纸，有的时候机床出厂前的电气硬件改动没有在电气资料上体现，这就要求我们一定要对照机床实物，把关键环节的每个细节一一落实，避免犯错误。一些大型、重型数控设备，生产厂家是按用户的需求设计制造，因此在系统和结构上都有一些特殊之处，如生产厂家设计制造出更适合具体机床需要的操作面板方便于用户，包括对其中字母键、数字键与功能键的安排与CNC及plc的窗孔显示能力大小有关的一系列个性化考虑。
还有的制造商根据用户需求，在诊断页中增添许多有助于今后维修和故障排除的页面等，改造这类设备首先要加强技术资料收集。其次要遵守先有图样，按图施工原则，修改处应及时记录，整个工程线路十分繁杂，如果全部调试结束以后，再开始整理时就很容易疏漏。应给用户留下完整的、准确的改造资料。至少包括使用手册、编程手册、PLC梯形图、硬件接线图等。
1.3改造专业队伍中，至少要有一名对整个数控机床包括控制机、PLC系统、伺服系统、机械系统比较熟悉的专家作出总体规划。从造型、订货、材料准备、布线、plc编程、机械改装、调试、验收等重要环节作出妥善安排；协调各方面的工作，这样往往可以缩短改造周期，并保证改造质量。
1.4为配合电气改造而进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。原则上进口设备改造一般仍采用进口数控系统；国产设备改造仍采用国产数控系统。
1.5数控改造中涉及机械改装、电气布线、PLC编程等主要方面时，要与用户很好地配合。对数控改造者而言，最关心的是原机床的接口软件(包括PLC、PAL、PMC等)和电气连接图。该软件和硬件连线关系到数控系统和特定机床的匹配。而伺服系统和机床的连接相对比较直观和明了。
2 维修和改造中出现的要点及技巧
2.1 大、中型数控机床的主轴一般都具有齿轮变速传动方式。这是为了保证低速时可传递较大的转矩，同时又能扩大恒功率区域的变速范围。齿轮变速存在一个“挂档”的问题。在挂档时为预防顶齿现象常采取电机瞬动来完成，因此要注意：大惯量部件的延时需用时间继电器检测。挂档限位开关应回答计算机挂档成功与否，由于挂档的瞬间点动需向接口输出短时运动命令，因此在PLC中很难实现，因为PAL系统无法处理电机的运动问题。所以在面板上要保留手动挂档按钮开关，对这种问题需要特别注意。在大型、专用机床的数控改造中，为实现一些特殊功能要求，可以采用参数宏调用。目的是在零件加工程序和PLC程序之间传递信息。另外在某些情况下，用户可自定义一些G码与M码，实际是调用一个专用子程序完成特定功能。此外，夹紧、放松问题在大型专用设备中比较突出，为了在大惯量条件下准确定位，坐标轴在到达目的位置时应立即夹紧，运动时立即放松。为了避免夹紧时抖动，有时需要对坐标轴分成低夹及高夹两个程度。这些功能的要求就增加了接口软件编写的难度。
2.2对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中，为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。
2.3一般来讲，进口数控机床电气柜以及柜内的元器件即便使用了相当年限，其性能及参数还能保持相当稳定，所以在改造高档进口数控机床一般电气柜不作大拆大改。有的二手机床的电气柜状态比较差，或者用户认为电气柜元器件故障率太高就可以采取全套更换的方式，至于采用国际名牌还是国产合资品牌，则取决于用户的投入。在用户资金许可的前提下，可尽量选用质量和外观都很好的国际名牌。电缆作为传输信号其作用不可小窥，在我们的改造项目中，凡是与数控驱动测量系统直接相关的电缆，我们只选择原装电缆，但是大型主轴电机的电力电缆由于价格过于高昂，故不考虑原装电缆。
2.4丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90％以上；精度高，寿命长；起动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机起动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。
2.5振荡轴的软件维修。机械部分磨损后，将使到位带不能满足要求而会引起某坐标轴的振荡。一般对新型数控系统而言比较简便，只需修改一下到位带参数即可。但对旧设备尤其较早的数控系统就比较难办，要找出原NC系统中的有关参数，将其到位带和夹紧带适当扩大，即可临时性解决轴的振荡问题。但要彻底解决还必须使机械部分的磨损得以修复才行。
2.6系统改造完以后，进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。调试工作涉及机械、液压、电气、光学、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其他人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。
3 维修和改造中出现的问题及对策
3.1乱接中线至PE。国标GB/T 52261中明确规定，“在电气设备内部，中线和保护接地电路之间不应相连。也不应把PE兼用端子在机械电柜内部使用”。但在现场维修和改造翻新工作中，不止一例经过维修和改造后的数控机床，由于增加器件，需要AC220 V电源，就直接将三相380 V中的一相与机床PE接地端构成AC220 V。显然，当P处因机械故障断开时，此时设备就成为一个对地有AC220 V电压带电体。也有在增加三相用电的器件后，将找出的中线接到了PE端子上。这样就对操作者或任何接近机床的人员构成直接电击的危险。
一般情况下，机床生产厂按国标规定，只有在用户同意时，方可使用中线。使用中线应在技术文件(安装图和电路图)上表示清楚，并应对中线提供标有N的单用绝缘端子。因此，机床改造时，切不可图省事乱接中线到PE。
3.2非单一电源。有些数控设备经维修、改造后增加了一些机构，因走线方便，或与其他设备有动作联系，则新增部分的机构不是从该设备的电源切断开关下方引线，而另外引线。从而违反了“把机械电气设备连接到单一电源上”的规定。紧急情况时，切断设备上的电源开关，却不可能切断设备的全部电流，造成对人员危害的潜在隐患。
3.3数控机床等设备的电气柜通风，必须采取“正压”方式。但在有些机床改造中，却没有实现。有一台国产数控机床采用负压通风，于是刀架上的切削液沿蛇皮管流入电柜；并使电缆地沟中的潮气、切削时的粉尘等皆沿着各通道、缝隙进入电柜之中。该机床仅使用一年时间，电气柜内线路板及各电气件上就有一层污垢和明显的水汽(凝露)痕迹。该机床故障频繁，严重影响生产的正常进行。在GB/T 5226.1中的13.3明确规定控制装置的外壳一般应具备不低于IP 54的防护等级。
3.4电气设备欠保护。在国标GB/T 5226.1中，对于连续工作的≥0.5 kW的电动机规定要有热保护装置。电动机的热积累是电动机烧毁的重要原因。机床设备改造过程中，使用了与电动机不匹配的“时间-电流”保护器件，即保护器件与被保护器件绕组的时间常数差异较大时，往往起不到有效的保护作用。
3.5控制线路埋下隐患。对于涉及人员和设备安全的这类信号，如急停信号、超程信号、报警信号等，应为“用断电的方式停车”和“切断被控制器件的所有通电导线”(GB/T 5226.1中9.4.2.1)。但有的企业设计改型的数控机床，行程开关使用常开触点，当机床不超程，正常工作时线路为“断开”(低电平)，当运动部件超程将行程开关压上时，线路闭合(高电平)。在机床调试过程中，维修人员为测量线路，将所接插头拔下后没能及时插上，结果在试车时线路始终处于常开状态，控制器确认机床“正常”，以致将丝杠轴承座撞坏。
控制电路中继电器线圈一侧接地，早已认为是避免故障、误动作的有效安全措施。但在一些经过改造的机床设备中，继电器线圈两侧均设有控制触点或一端接电源、另一端接触点的现象很普遍。由于线路在机床设备上穿上走下，若某处因机械磨损、绝缘失效、对地短路，继电器误动作，后果不堪设想。值得一提的是一些电气改造的设计人员，常常将控制输出端设计成集电极开路形式直接驱动继电器线圈，虽一时方便，但同时也埋下事故隐患。
3.6安全操作的保护功能不完备。对于有飞溅危险的设备，没有设计成联锁功能防护门；以及当需要确认操作人员双手已离开危险动作区后，才能动作的部分，没有设置双手控制预防装置；当缺相会造成电器烧毁的部分没有设置三联动断路器，而分别使用三路保险等。滚珠丝杠副是精密元件，有的机床改造后由于保护功能欠缺，工作时灰尘特别是切屑及硬砂粒会进入滚道。有的在纵向丝杠上没有加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端没有密封好，结果导致硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。
3.7标准化意识淡薄，施工中蛮干。有的施工人员标准化意识淡薄，施工中蛮干，致使设备出事故。有一台设备，电工布线为图方便，将电源进线接到了熔断器的下口，而将负载端接到了熔断器的上口。当其他人员维修时，拔下熔断器后误认为熔断器的下口已断电，测量时虚惊一场，险些触电被击。至于在一些经过改造的数控机床上，技改工作者和施工人员将器件标识直接写在或贴在器件上的现象更是屡见不鲜，一些易损件在维修更换后，标记便无踪无影，给下一步维修工作造成极大困难，颇费周折。
3.8有些数控机床的改造，尤其是一些局部小改动，却不在相关的技术文件中作出相应的修订或说明，造成文件与实际状况不符。一些设备经几次修理改动后某些部分变成了无线号、无器件标识、无电路或机械图样的“三无”产品。而一般企业的设备管理部门往往对制造厂提供的技术文件管理比较严格，却对维修改动后的记录不予重视。这种状况持续时间越久，则问题就越严重。数控设备对“具体人”或具体维修单位的依赖性就越明显。从而降低了企业的市场竞争力，制约了企业的发展。因此，对拥有数控设备的企业，在设备改造过程中更要特别重视改造一方所提供的资料，是否确实符合GB的要求。这一点不经过确认，事实证明是企业设备管理中的一大缺口。
对数控系统制造商而言，在设计CNC软件时，必须留出较大的变量，供PLC和机床参数使用，向开放式数控系统发展。对数控改造者而言，则要求他们对CNC工作原理，对机床电气和机床结构及加工程序编制要有深刻的了解，对PLC编程有较好地掌握，对各个参数的含义及选择要熟悉。只有这样才可能正确有效的将CNC、伺服系统、机床电气系统和机械部分集成于一体，最终交给用户一台经过改造或等于再制造的具有个性特色的大型、专用数控机床，使企业从中获得更大的经济效益，使资产获得有效的增值。
总之，数控机床改造具有很好的发展前途，但它对数控系统制造商和数控机床改造者均提出较高的要求。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。机床改造作为新的经济增长行业，是个“永恒”的课题，必将生机盎然。