【正文】 D全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器和GM7交流伺服電機(jī)，位置檢測(cè)元件使用脈沖編碼器，組成半閉環(huán)控制環(huán)的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 本章小節(jié)根據(jù)改造后機(jī)床要達(dá)到的精度和用戶(hù)的要求確定合適的數(shù)控系統(tǒng)控制方式，本次改造采用半閉環(huán)控制，其特點(diǎn)是控制精度高，調(diào)試與安裝方便。最終選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 194/80P??。得： minin11sbcK??in /??maxax11sbcK??ax 1/??②傳動(dòng)系統(tǒng)剛度校核 要求軸向最小傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的影響； 00min1..ssFW???? （419）式中 0： 導(dǎo) 軌 靜 摩 擦 阻 力 （ N） ， ???： 靜 摩 擦 系 數(shù) ， 取 。②支承軸承組系剛度 80bK?對(duì) 于 兩 端 固 定 支 承 ， 取，則： 286317/bKNm???③ 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 計(jì) 算 ：139。 (2~4)uk n? ?工 作 臺(tái) 行 程 ()+螺 母 長(zhǎng) 度 查 樣 本 為 175m,L 6hPm得 12075643()u??得 .??????（2）預(yù)拉伸力 dIAEFttL???? （411）式中： t：預(yù)拉伸力（N） ，d 2：滾珠絲杠副螺紋底徑（mm） E： 楊 氏 彈性模量 ? 已知條件：d 2=25mm， 52./代 入吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院31 ???8．確定支承軸承的代號(hào)與規(guī)格軸 承 所 承 受 的 最 大 軸 向 載 荷 maxaxBtF?? （ 412）其中： tF滾珠絲杠副的預(yù)緊拉伸力 ()max：最大軸向負(fù)載力 (N)已知 7910?， 365t?代入式 412 中得： max156BN?F選用米思米向心帶座推力軸承 704查產(chǎn)品參數(shù)得： max16aBN??C=2F9．選配伺服電機(jī)選擇伺服電機(jī)時(shí)，主要考慮三個(gè)選配要求：即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩即要大于最大切削負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量要與負(fù)載慣量相匹配；快速移動(dòng)時(shí)的伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩控制。max13pF? （49）其中 790N，則 pF≈ 7910N7．行程補(bǔ)償值、預(yù)拉伸力計(jì)算（1）行程補(bǔ)償值針對(duì)兩端固定支承軸承的傳動(dòng)滾珠絲杠副應(yīng)進(jìn)行行程補(bǔ)償值（C） ，以及求解預(yù)拉伸力 [4]。已知重復(fù)定位精度20um,定位精度30um，故：① 5m?? ② 6m?最終的取值為 ?（2）最小底徑計(jì)算 [4][5]取兩端固定的支承形式來(lái)計(jì)算絲杠要求預(yù)拉伸，公式如下： 0min1mFLdE??? （48）已知行程為 2，工作臺(tái)對(duì)絲杠的正壓力 2150WN?，靜摩擦系數(shù)0=.?則： ?????5．滾珠絲杠的型號(hào)的確定（1）預(yù)緊方式：內(nèi)循環(huán)法蘭式雙螺母墊片預(yù)緊結(jié)構(gòu)。所以規(guī)定滾珠絲杠副許可的最大軸向 變 形 量 ：吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院29① 重 復(fù) 定 位 精 度 。改造后機(jī)床定位精度達(dá)到 3/0m?， 全 行 程 ，重復(fù)定位精度m，其它參數(shù)見(jiàn)下表 41。使用華中數(shù)控的 GM7交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)（如圖 45 所示） 。因此可達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。為使?jié)L珠與滾道間無(wú)間隙合，可使用預(yù)緊裝置。但相比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制精度有很大的提升。數(shù)控裝置發(fā)出運(yùn)動(dòng)速度和位移信號(hào)指令后，伺服進(jìn)給系統(tǒng)接收信號(hào)指令并驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)（或主軸）等終端執(zhí)行部件按著預(yù)先要求進(jìn)行工作進(jìn)給（或快速）運(yùn)動(dòng)。 本章小結(jié)數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)，可以運(yùn)行穩(wěn)定性與操作性，使機(jī)改造后的床獲得技術(shù)提升。這種方式結(jié)構(gòu)和控制都比較復(fù)雜，但在要求大功率主軸的機(jī)床上，還是一種比較經(jīng)濟(jì)的方案。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院22為了防止主傳動(dòng)和C軸傳動(dòng)之間產(chǎn)生干涉，兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的切換機(jī)構(gòu)裝有檢測(cè)開(kāi)關(guān)，利用開(kāi)關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，識(shí)別主軸的工作狀態(tài)。對(duì)于車(chē)削中心主軸除了完成傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)功能外，主軸的進(jìn)給功能可以實(shí)現(xiàn)主軸的定向、分度和圓周進(jìn)給，并在數(shù)控裝置的控制下實(shí)現(xiàn)C軸與其它進(jìn)給軸的插補(bǔ)，以配合動(dòng)力刀具進(jìn)行圓柱或端面上任意部位的鉆削、銑削、攻螺紋及曲面銑加工。采用此種控制方式應(yīng)注意：1)數(shù)控系統(tǒng)必須具有主軸閉環(huán)控制功能或位置環(huán)控制功能。3)如取消主軸定向狀態(tài)，只需撤消主軸驅(qū)動(dòng)器的位控工作模式指令，恢復(fù)到速度工作模式即可。目前電氣定向通常有磁傳感器定向、編碼器定向和數(shù)控系統(tǒng)定向三種。它只需要旋轉(zhuǎn)部件和固定部件上安裝傳感器(如光電編碼器、磁性傳感器等)，即可實(shí)現(xiàn)主軸定向，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；2)定向迅速可靠定向時(shí)間包括在換刀時(shí)間內(nèi)，而換刀時(shí)間是加工中心的重要指標(biāo)。機(jī)械準(zhǔn)停還有其他方式，如端面螺旋凸輪等，它們的定向過(guò)程和互鎖要求都大致相同。l、機(jī)械定向控制機(jī)械定向一般要求主軸具有無(wú)級(jí)調(diào)速的功能，接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出定向指令(如M19)后，控制主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸以可以設(shè)定的定向速度和方向旋轉(zhuǎn)：1)到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)有效信號(hào)后，停止主軸，主軸電動(dòng)機(jī)與主軸傳動(dòng)件依慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制定位銷(xiāo)伸出壓向主軸定位盤(pán)；2)到定位銷(xiāo)到位信號(hào)后，通知系統(tǒng)定向指令完成。機(jī)械式采用機(jī)械凸輪等機(jī)構(gòu)和無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行初步定位，然后由定位銷(xiāo)插入主軸上的銷(xiāo)孔或銷(xiāo)槽完成精定位，換刀或精鏜孔完成后定位銷(xiāo)退出，主軸才可旋轉(zhuǎn)。首先，主軸定向是自動(dòng)換刀所必需的功能。電磁離合器的缺點(diǎn)是體積大，磁通易使機(jī)械零件磁化，因此在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的并不多。在手動(dòng)換擋時(shí)只需將齒輪暫時(shí)脫開(kāi)，按點(diǎn)動(dòng)按鈕使主電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)沖動(dòng)接通，然后再重新嘗試換擋即可；在自動(dòng)換擋時(shí)，可以象手動(dòng)換擋一樣處理，也可以利用主軸電動(dòng)機(jī)，在撥叉移動(dòng)滑移齒輪的同時(shí)帶動(dòng)各傳動(dòng)齒輪作低速回轉(zhuǎn)或振動(dòng)，滑移齒輪就能夠較順利的嚙合。主軸換擋方式通常有以下三種：1．手動(dòng)換擋通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，撥動(dòng)傳動(dòng)齒輪來(lái)改變傳動(dòng)比。必須通過(guò)主軸換擋才能獲得不同的主軸轉(zhuǎn)速以滿(mǎn)足加工的需要。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，剛度高，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并且有利于控制振動(dòng)和噪聲．不足之處是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。高速切削主軸高速切削是上世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的一種新工藝。這種傳動(dòng)方式常用的變速操作方法有液壓撥叉和電磁離合器兩種 [6]。部分小型數(shù)控機(jī)床也有采用這種傳動(dòng)方式，目的是獲得超強(qiáng)切削時(shí)需要的扭矩。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱也會(huì)使其中的零部件發(fā)生熱變形，降低傳動(dòng)效率，影響各部件之間的相互位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，也會(huì)造成加工精度誤差。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，可適量增加齒輪寬度，增大齒輪的重疊系數(shù)。為了提高傳動(dòng)件的制造精度與剛性度，采用齒輪傳動(dòng)時(shí)齒輪齒面應(yīng)采用高頻感應(yīng)加熱淬火工藝以增加耐磨性。為了保證數(shù)控機(jī)床加工時(shí)能提供合理的切削用量和切削速度，保證獲取最高的生產(chǎn)率及高的加工精度和表面質(zhì)量，就必須具有大的調(diào)速范圍。主軸電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源通過(guò)此傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生主軸上安裝的刀具的切削力矩和切削速度。具體實(shí)施時(shí)參考生產(chǎn)廠(chǎng)家的指導(dǎo)意見(jiàn)。在主軸與主軸電機(jī)直接連接的數(shù)控機(jī)床中，有兩種方法來(lái)提高主軸低速時(shí)的功率要求，其一是選擇額定速度低的主軸電機(jī)或額定功率高一檔的主軸電機(jī)。機(jī)床改造的整體整機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)從功能上、性能上，以及成本上對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出要求，根據(jù)這些確定主軸單元結(jié)構(gòu)，用以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。因結(jié)構(gòu)上有優(yōu)勢(shì)，電主軸主要向高速方向發(fā)展，一通常在10000r／min吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院15以上。伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)定向和進(jìn)給功能，但價(jià)格也較高，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的23倍以上。普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配通用變頻器目前進(jìn)口的通用變頻器，除了具有 fV/曲線(xiàn)調(diào)節(jié)，一般還具有無(wú)反饋矢量控制功能，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的低速特性有所改善，配合兩級(jí)齒輪變速，基本上可以滿(mǎn)足銑床低速(100~200轉(zhuǎn)／分鐘)小加工余量的加工，但同樣受最高電動(dòng)機(jī)速度的限制。如果加工產(chǎn)品單一，且對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求不高，用于其機(jī)床數(shù)控化改造效果也不錯(cuò)；但其缺點(diǎn)是噪音大，主軸轉(zhuǎn)速范圍窄，不適合有色金屬加工場(chǎng)合和需要經(jīng)常改變速度的加工場(chǎng)合。可以組成主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可以組成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；支持雙編碼器接口，可應(yīng)用于全閉環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。另外為了控制的方便許多進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器都有絕對(duì)式編碼器接口，功能更強(qiáng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器還有第二編吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院13碼器接口以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器直接實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制接口主軸驅(qū)動(dòng)裝置都提供控制電動(dòng)機(jī)正／反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)量接口，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置一般不提供，采用脈沖信號(hào)作為指令的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，只有當(dāng)脈沖指令類(lèi)型為‘脈沖+方向’時(shí)，可以把方向信號(hào)理解為改變電動(dòng)機(jī)方向的控制接口。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令接口因?yàn)檫M(jìn)給電動(dòng)機(jī)主要用于位置控制，因此進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置一般都具備和采用脈沖信號(hào)作為指令輸入，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向，不提供單獨(dú)的開(kāi)關(guān)量接口控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。此裝置也適用于無(wú)反饋的矢量控制的變頻器的接口圖。不同的是：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置主要工作在位置控制模式下，而主軸驅(qū)動(dòng)裝置主要工作在速度控制模式下；同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上主軸輸出功率比進(jìn)給軸輸出功率要大得多。表 31 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性性能指標(biāo) 符號(hào) 單位 數(shù)值(例)吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院10額定功率 NPkW 30min 額定功率 (30min)kW 基本轉(zhuǎn)速 br/min 1500最高轉(zhuǎn)速 maxNr/min 4000轉(zhuǎn)速范圍 r/min 8~4000額定轉(zhuǎn)矩 NT28電動(dòng)機(jī)慣量 電動(dòng)機(jī)重量 Wt kg 60 交流伺服主軸裝置的特性數(shù)控改造中對(duì)交流伺服主軸系統(tǒng)要求較高，除要求切屑功率高、加減速功率強(qiáng)外，還要求具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率特性。3具有精確位置控制能力為滿(mǎn)足剛性攻絲、切削螺紋以及某些特殊加工工藝的要求，主傳動(dòng)軸應(yīng)具備準(zhǔn)停功能。主軸變速分為有級(jí)、無(wú)級(jí)和分段無(wú)級(jí)變速三種形式，多采用無(wú)級(jí)或分段無(wú)級(jí)調(diào)速。本章主要闡述了 X5032 立式銑床傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)思路，以及改造的總體布局；介紹了通過(guò)對(duì)交流調(diào)速方案的各類(lèi)與比較；介紹了伺服驅(qū)動(dòng)單元的功率計(jì)算和型號(hào)選擇；以主軸電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊的改造方案。垂向運(yùn)動(dòng)由 Z 向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲框螺母副實(shí)現(xiàn)。本機(jī)采用 7M系列交流伺服主軸電機(jī)。（3） PLC功能強(qiáng)大，編程操控簡(jiǎn)單，使用管理方便 [4]。第三個(gè)方案將主軸電氣進(jìn)行數(shù)控化改造，改造工作量大，改造生產(chǎn)周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性不佳。HSV18S 全數(shù)字交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元是武漢華中數(shù)控股份有限公司繼 HSV20S 系列交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元后推出的高性能交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器。 主傳動(dòng)軸系統(tǒng)改造方案1．交流調(diào)速的選擇數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)通常會(huì)采用無(wú)級(jí)變速，優(yōu)點(diǎn)是具備提供一定合理切削速度的調(diào)速范圍，并可實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速于運(yùn)轉(zhuǎn)中。而其反饋環(huán)節(jié)相比閉環(huán)控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。容易造成工件精度誤差，因此對(duì)加工精度是不利的。(4)位移測(cè)量、驅(qū)動(dòng)等裝置結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行安全可靠 [7]。(2) 機(jī)床使用性好?；竟δ芡耆軡M(mǎn)足一般機(jī)床的使用要求。用以滿(mǎn)足加工大型零件的工藝要求，全面提升機(jī)床的使用性能，滿(mǎn)足高效和低成本要求，為擴(kuò)大公司的產(chǎn)品范圍的加工奠定了必要的基礎(chǔ) [4]。機(jī)床經(jīng)過(guò)改造，可用以加工平面、溝槽、孔以及各類(lèi)曲面等。 X5032立式銑床數(shù)控化改造的調(diào)查研究與方案設(shè)計(jì) 國(guó)內(nèi)立式銑床數(shù)控改造的成功案例調(diào)查用華中數(shù)控系統(tǒng)改造西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司 XK754 臥式加工中心，更換原機(jī)床的所有電氣控制系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)，PLC 控制單元，X、Y 和 Z 軸進(jìn)給伺服系統(tǒng)，主軸控制單元及主軸電機(jī)，電氣控制柜，操作按鈕等。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院4第二章 X5032 立式銑床總體設(shè)計(jì)金屬切削機(jī)床的主傳動(dòng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)中的主要切削運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它必須具備極高的轉(zhuǎn)速與適當(dāng)?shù)淖兯俜秶⑾拇罅康墓?，使用各種材質(zhì)的刀具來(lái)加工各種材質(zhì)的材料、獲得相關(guān)尺寸精度的零件，并能滿(mǎn)足對(duì)運(yùn)動(dòng)的啟止、換向、變速和制動(dòng)等功能的要求。決策使用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制，并將對(duì)鍵盤(pán)和顯示器接口、操縱按鈕及操縱面板進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。本次改造是在企業(yè)的 X5032 型普通銑床上進(jìn)行。預(yù)計(jì)本次數(shù)控化改造僅需資金 3~4 萬(wàn)元，而購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)類(lèi)似的國(guó)產(chǎn)數(shù)控立銑機(jī)床卻需花費(fèi)15~20 萬(wàn)元左右，同時(shí)又因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)新設(shè)備的供貨周期長(zhǎng)。 改造方案的可行性分析X5032 立式銑床是 90 年代中期制造的普通機(jī)械加工機(jī)床，使用了 10 年左右，機(jī)床的基礎(chǔ)件具有良好的剛性，保持有適當(dāng)?shù)膸缀闻c運(yùn)動(dòng)精度，可通過(guò)修復(fù)和更換，使用性能基本可達(dá)到現(xiàn)代同類(lèi)機(jī)床相當(dāng)?shù)乃?，所以?duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造的基本硬件基礎(chǔ)條件是比較理想的。所以通過(guò)普通機(jī)床改造而成的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，是一個(gè)低成本，高回報(bào)的普通機(jī)床設(shè)備升級(jí)方法。但國(guó)內(nèi)的機(jī)床設(shè)備產(chǎn)品總體技術(shù)水平還很低，在國(guó)際上不具備競(jìng)爭(zhēng)力，占有率也不高。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了大量的國(guó)外技術(shù)與裝備，這些設(shè)備了普遍存在技術(shù)更新的必要。這樣做一方面造成生產(chǎn)成本的增加，另一方面又造成原有普通機(jī)床設(shè)備的浪費(fèi)。數(shù)控機(jī)床的設(shè)備狀況、機(jī)床分布情況，以及制造企業(yè)數(shù)控機(jī)床的擁有量，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低。此項(xiàng)改造通過(guò)試運(yùn)行、試切以及機(jī)床誤差調(diào)整，總結(jié)出該機(jī)床系統(tǒng)存在的問(wèn)題，以及相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施方案與實(shí)施。配置的華中世紀(jì)星 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)基于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè) PC 數(shù)控系統(tǒng)。 X5032 數(shù)控銑床改造主要包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副設(shè)計(jì)的計(jì)算，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型與參數(shù)計(jì)算。使機(jī)床數(shù)控改造后，數(shù)控銑床具備程序存儲(chǔ)和編輯等功能；主軸變頻交流電機(jī)達(dá)到 503000RPM/min 的無(wú)級(jí)調(diào)速；