【正文】 ...................................................53吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院I摘 要本文從經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠性等方面考慮對 X5032 普通立式銑床進行數(shù)控改造立項研究時，結(jié)合 X5032 型立式銑床進行主運動、進給運動傳動系統(tǒng)、電路改造設(shè)計、PLC 設(shè)計與編程、數(shù)控裝置分析、計算以及選型匹配。主傳動系統(tǒng)設(shè)計拆除機床主軸，重新設(shè)計主軸。華中數(shù)控系統(tǒng)由輸入輸出模塊、主軸變頻驅(qū)動模塊、三軸伺服進給運動驅(qū)動控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)控傳遞模塊、潤滑與冷卻系統(tǒng)等模塊。通過不斷的完善與修正，達到更可靠、安全與穩(wěn)定運行的使用目的需要。數(shù)控機床己經(jīng)覆蓋金屬切割機床的大多數(shù)品種，為國民經(jīng)濟提供了一批先進適用的技術(shù)裝備。當(dāng)前我國大多數(shù)企業(yè)所使用的加工設(shè)備多為普通機床，并且多數(shù)為超年限工作，更有甚者是上個世紀五、六十年代的產(chǎn)品。我們提出的對 X5032 型銑床的數(shù)控改造是一個典型的銑床數(shù)控化改造實例，對于提升機械加工生產(chǎn)效率，改善操作工人勞動強度，提高零件加工精度與生產(chǎn)效益吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2具有重要的意義，能夠創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和社會效益。在產(chǎn)品周期進行變換的生產(chǎn)企業(yè)，選擇一種適應(yīng)零件加工周期性變化的經(jīng)濟型數(shù)控機床，用來確保生產(chǎn)零件的精度，零件尺寸的一致性，提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前，針對陳舊普通機床進行數(shù)控化改造國內(nèi)、外還未有統(tǒng)一的方法，這樣，怎樣針對企業(yè)的陳舊機床的現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)進行數(shù)控化改造是研究的主要內(nèi)容。因此該機床的功能已不能滿足市場對新產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率要求。綜合所述，對 X5032 普通立式銑床進行數(shù)控化改造，既可保證實際生產(chǎn)上需要，又在技術(shù)性上也更具有可操作性，并且經(jīng)濟性上更是合理可行的。通過必要的一系列計算，確立選擇配件的合理尺寸與規(guī)格。4．在改造過程進行之后，進行機床進行加工實驗，并對實驗結(jié)果進行綜合分析，并對整個系統(tǒng)進行進一步的 PLC 調(diào)整與誤差補償操作。缺點是低速下電機發(fā)熱量大，機械能轉(zhuǎn)換率低。具有性能/價格比高，操做簡便等特點 [3]：X、Y 和 Z 軸進給軸的定位精度 m30/4.?。可一次完成原本多道工序內(nèi)容，減小加工輔助時間，提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，并節(jié)約了購買新數(shù)控機床的費用。當(dāng)前，生產(chǎn)數(shù)控裝置的企業(yè)比較多，國內(nèi)外著名數(shù)控裝置品牌有：SIEMENS、NUM、法道、FANUC、北京凱恩帝、華中數(shù)控公司等。華中 HNC21M 型數(shù)控裝置采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)計算機，經(jīng)濟性好，在統(tǒng)一的硬件基礎(chǔ)上，靈活配置多種功能軟件，能夠滿足各種機床的需要。主處理器 CPU 能高實現(xiàn)加速及制動控制。2．伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院6一臺數(shù)控機床如果配置開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，則常用步進電動機實現(xiàn)進給驅(qū)動；如果配置半閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，則常用直流或交流伺服電動機實現(xiàn)進給驅(qū)動；如果配置全閉環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，則常用直流或交流伺服電動機實現(xiàn)進給驅(qū)動。因此，像數(shù)控銑床這樣的要求具備大功率、大轉(zhuǎn)矩機床，不適合用步進電動機來進行銑床數(shù)控化改造 [4]。由于所數(shù)控化改造立銑工件的加工精度要求不高，因而沒有必要采用閉環(huán)系統(tǒng)。而采用交流變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)對主電機的運動控制。2．主軸電氣改造方案改造機床的主軸電氣控制方案有三種：其一是繼續(xù)使用原控制系統(tǒng)；其二是用PLC 控制進行電氣控制系統(tǒng)的改造。優(yōu)點如下：（1）機床運行可靠，物理接線少，PLC 有斷電保護、實時監(jiān)測報警、故障檢測與診斷等功能，能夠提供多種安全保障。在對主軸箱和刀夾頭進行 改造與氣動驅(qū)動控制，選用三菱 280FXNMRL?來進行相關(guān)控制。主運動采用無級變速，優(yōu)點是銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸小，所占空間小，且質(zhì)量輕，進給運動行程尺寸小。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院8圖 21 銑床改造布局圖 本章小結(jié)為了縮短 X5032 立式銑床數(shù)控化改造的生產(chǎn)周期，降低改造成本，而將手工變速改為全數(shù)控?zé)o級變速，這樣做的優(yōu)勢在于縮短了數(shù)控化改造時間，降低了改造的工作量，從而降低了改造成本。現(xiàn)代數(shù)控機床對主軸傳動提出較高的要求：1. 較寬調(diào)速范圍能夠滿足加工時選用合適的切削用量，以獲取較高的生產(chǎn)率、較高加工精度與較低的表面粗糙度值。2. 較寬恒功率范圍主軸應(yīng)該在全速范圍內(nèi)均能提供切削所需的切削功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供主軸電動機的最大功率。電動機的恒功率區(qū)域在基本速度以上，其恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域在基本速度以下。數(shù)控機床主運動的電動機，可選用感應(yīng)式電動機或永磁式同步電動機 [5]。圖31是主軸裝置(變頻器)最基本的接口圖，如圖所示采用三相交流380V電源吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院11供電；速度指令由3腳輸入，指令電壓范圍是直流0~10V；主軸電動機的啟動／停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部開關(guān)OV控制，當(dāng)5閉合時電動機正轉(zhuǎn)，打開反轉(zhuǎn)，當(dāng)6閉合時電動機開始轉(zhuǎn)動，打開則停止轉(zhuǎn)動。相對于進給驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置的接口具有如下特點： 三 相電 源輸 入L13UVW12345MOV起 /停正 反10K主 軸 變 頻 器圖 31 主軸變頻器圖 32 帶速度反饋的主軸驅(qū)動器接口圖輸入電源接口一般采用交流電源供電，輸入電源的范圍包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，單相220V、100V等，或在較大的范圍內(nèi)可調(diào)。很多主軸驅(qū)動裝置也接收 10~V??模擬電壓以及20~mA??作為速度指令，其中信號幅值控制轉(zhuǎn)速，信號極性控制旋轉(zhuǎn)方向[32]。對于一些主軸伺服單元，雖然具備位置控制功能，當(dāng)其主要還是工作在速度控制模式下，位置控制模式是一種特殊的工作狀態(tài)，因此，會提供位置控制模式切換控制接口，方便使用者需要時方便的切換主軸工作模式，以完成定向，分度等特殊的工藝或控制要求而進給驅(qū)動裝置則通常始終工作在位置控制模式下 [8]。進給驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置有相互融合的趨勢，即主軸驅(qū)動裝置的位置控制功能和精度開始接近進給驅(qū)動裝置，另一方面進給驅(qū)動裝置動態(tài)特性，高速特性開始接近主軸驅(qū)動裝置。圖 33 HSV20S/D 主軸伺服 主軸驅(qū)動裝置的選型主軸驅(qū)動裝置的選型與進給驅(qū)動裝置等其他設(shè)備一樣需要遵循經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠和易于操作維護的原則，以整機設(shè)計對主軸系統(tǒng)的要求和不同類型的主軸系統(tǒng)的特點為依據(jù)。這種方案適用于需要無級調(diào)速但對低速和高速都不要求的場合，例如數(shù)控鉆銑床。專用變頻電動機配通用變頻器一般采用有反饋式矢量控制，低速甚至零速時都可以有較大的力矩輸出，有些還具有定向甚至分度進給的功能，目前這類產(chǎn)品較有市場。電主軸電主軸是主軸電動機的一種結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動器可以是變頻器或主軸伺服，也可以不要驅(qū)動器。上述之可供選型的幾種主軸單元。如圖35，主軸電機的額定功率是指在恒功率區(qū)(轉(zhuǎn)速n1到n2)內(nèi)加工運行時的輸出功率，低于額定轉(zhuǎn)速n1時是達不到額定功率的，轉(zhuǎn)速越低，輸出功率就越小。國外主軸驅(qū)動器的額定電壓通常是400V，而我國三相交流是380V，這就影響最大輸出功率。盡量用同一廠家的或符合本單位使用習(xí)慣的產(chǎn)品，有利于設(shè)備的維修和維護。它的運行精度與穩(wěn)定性對零件的加工精度有很大影響。具務(wù)高的精度與剛性，傳動平穩(wěn)。也可采用齒型帶。良好的熱穩(wěn)定性與抗振性。 主軸的傳動方式為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)的傳動方式大致可以分為三類。不足之處是機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，設(shè)備體積龐大，設(shè)計制造成本較高。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動機一樣，受制于電動機調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩特性的約束。此加工藝不僅切削效率高，且具有加工表面粗糙度值低、切削溫度低和延長刀具使用壽命長等優(yōu)點 [22]。 主軸換擋主軸換擋是指通過改變主軸電動機至主軸的傳動比來獲得更寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍以及更高的轉(zhuǎn)矩輸出的過程。采用無級調(diào)速主軸機構(gòu)，雖然主軸箱結(jié)構(gòu)得到簡化，但低速段輸出轉(zhuǎn)矩不理想。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院182．液壓撥叉換擋采用一只或幾只液壓缸帶動齒輪移動的變速機構(gòu)，液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進行。3．電磁離合器自動換擋電磁離合器是為便于實現(xiàn)自動化操作，而采用電磁效應(yīng)接通或切斷運行元件的電磁控制機構(gòu)。對換擋時出現(xiàn)的頂齒現(xiàn)象，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均采用由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機低速轉(zhuǎn)動或振動的方法，實現(xiàn)齒輪的順利嚙合。為保證順利換刀，主軸必須具有準確定位于圓周上預(yù)設(shè)定角度的功能。電氣式定向一般是采用具有定向功能或位置控制功能的主軸驅(qū)動裝置來完成，定向其始位置由無觸點感應(yīng)開關(guān)吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院19或主軸編碼器獲得，有些也可以通過主軸電動機編碼器和主軸驅(qū)動裝置得到，視主軸傳動結(jié)構(gòu)和主軸驅(qū)動器的功能而定。若接收到取消主軸定向的指令(如M20)則控制定位銷退回，檢測到定位銷退回到位的回答信號后，表示主軸定向取消的指令完成。為能進行主軸位置檢測，需要采用磁性傳感器或位置光電編碼器等檢測元件。但數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家常把電氣準停作為選擇功能，訂購電氣準停附件需另加費用。在主軸上安裝磁性體，使之與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距磁性體外固定一個磁性傳感器元件。數(shù)控系統(tǒng)定向定向功能是由數(shù)控系統(tǒng)完成，定向時數(shù)控系統(tǒng)按進給系統(tǒng)的控制方式控制主軸工作在位置控制模式下。參考點可以由無觸點開關(guān)獲得，也可以由編碼器Z脈沖獲得；4)若采用主軸電動機本身編碼器將信號反饋給數(shù)控裝置，則可以提高控制的穩(wěn)定性，只是主軸傳動鏈的精度會對定向質(zhì)量精度產(chǎn)生不良影響；5)采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸定向時更方便地設(shè)定定向角度，這是因為角度指定由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的原因。主軸進給功能按功能劃分一般有下列幾種實現(xiàn)方法：l、機械式通過安裝在主軸上的分度齒輪實現(xiàn)，只能實現(xiàn)分度，一般可以實現(xiàn)主軸每圈360分度。因伺服電機的輸出功率通常都要比主軸電動機的輸出功率小，因此，為了提升機床的剛性，從而保證加工產(chǎn)品的精度質(zhì)量。這種方式省去了附加的傳動機構(gòu)和液壓系統(tǒng)因此結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，另外主軸的兩種工作方式可以隨時切換，從而提高了加工效率，是現(xiàn)代中小型車削中心主要采用的方法。本部分內(nèi)容對HNC21M華中數(shù)控裝置的特點、選擇X5032立式銑床數(shù)控主傳動系統(tǒng)改造的方案設(shè)計與相關(guān)驅(qū)動器、伺服電機的選擇等。數(shù)控裝置 驅(qū)動電路 步 進 電 機 工 作 臺編碼器圖 41 開環(huán)系統(tǒng)2．半閉環(huán)方式 此系統(tǒng)檢測元件裝在電機軸或絲杠軸的端部，通過檢測電機軸或絲杠傳動軸的角位移、角速度來間接確定移動部件的位置（如圖 42 所示） 。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院24數(shù)控裝置 驅(qū)動電路 步 進 電 機 工 作 臺編碼器 直 線 位 移 檢 測 裝 置反 饋圖 43 閉環(huán)系統(tǒng) 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)如圖 44 所示，滾道內(nèi)放入滾珠使螺栓與螺母之間產(chǎn)生滾動摩擦。2．無自鎖性 垂直（Z 軸）傳動使用滾珠絲桿螺母副傳動時，一定要在系統(tǒng)中附加自鎖（或制動）裝置。 X5032立式銑床進給系統(tǒng)的改造思路依據(jù)企業(yè)實際需求，保留了床身、工作臺、主軸箱等的基礎(chǔ)上對主軸及三個軸吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院25向運動進行數(shù)控化改造，改造時拆除原機床的進給箱及梯形螺紋絲杠，將伺服電機安裝在原機床工作臺右、前、下方軸的尾端，應(yīng)用無級調(diào)速。這樣做的好處有：1．避免絲杠因自重而產(chǎn)生變形；2．提升絲杠的拉壓剛度。它影響重復(fù)定位精度。② (1/4~5)m??位。預(yù)緊力通常不應(yīng)超過最大軸向負載的 1/3~1/4。??絲 杠 膨 脹 系 數(shù) ， 。QdZ?max:F最 大 軸 向 負 載 （ N） ，max3~4F取 為 預(yù) 加 負 載 的 倍 ， max43501FN?。cK：查 (/)Nm?樣 本 剛 度 ， 查 取 ： 39。A則： ?????故： min9K?滿足剛度要求③ 傳 動 系 統(tǒng) 剛 度 引 發(fā) 的 定位誤差0minax11()30()? ??????④確定精度 30pV： 在 毫 米 范 圍 內(nèi) 的 行 程 變 動 量 。Z 軸選擇滾珠絲杠螺母傳動副的規(guī)格代號為： 53104/870FZDP??，交流伺服電機型號為： 7GM。本章節(jié)主要介紹了 X5032立式銑床進給系統(tǒng)的改造過程中的傳動構(gòu)件的選擇、伺服電機的選擇與選擇中的注意事項。最適合于數(shù)控車床、銑床的數(shù)控化改造。4．具備進行常規(guī)的直線與圓弧插補功能，支持固定循環(huán)指令與復(fù)合循環(huán)指令，支持刀具補償、宏程序等功能，能夠滿足數(shù)控加工的常規(guī)加工要求。 數(shù)控電氣系統(tǒng)的組成及連接數(shù)控機床的數(shù)控裝置組成元素有：數(shù)控裝置、可編程控制器（PLC）及強電控制器、輸入輸出單元、伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動與電機等。圖 51 數(shù)控系統(tǒng)的組成2．?dāng)?shù)控裝置數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控化改造的核心，本次改造采用HNC21M控制機床主、進給運動驅(qū)動單元與伺服電機，實現(xiàn)對位置、速度、角速度等的控制。伺服驅(qū)動系統(tǒng)是伺服電動機的驅(qū)動源。本次改造直接采用主軸變頻器與主軸變頻電機相匹配的方式實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)的構(gòu)建，完成本機床動力源的輸出問題。同時數(shù)控系統(tǒng)又將接收到的位置檢測的信號與數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號進行比較，進而及時修正，指令終端執(zhí)行元件的速度與位移控制，完成運動部件的實時精確定位。利用各自控制器內(nèi)的插補運算模塊對輸入的數(shù)控加工的程序進行譯碼、編譯等信息處理后，進而控制實現(xiàn)刀具軌跡插補運算，通過各軸的驅(qū)動單元、伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號比較，從而控制機床各個坐標軸的位移。1．輸入/輸出單元輸入/輸出裝置的作用是輸入與輸出零件的加工程序、加工的信息的顯示等。8．可存貯大量的加工程序，不需DNC。2．彩色液晶顯示屏，中文操作界面、故障診斷與超程報警、具備零件加工軌跡圖形顯示和加工仿真，操作簡便，易于使用。X、Y與Z軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用HSV18