【正文】 機(jī)床實現(xiàn)三軸聯(lián)動；系統(tǒng)可控制起止和故障報警；能夠進(jìn)行微機(jī)通訊等；數(shù)控化改造的機(jī)床具有剛性良好；摩擦小，傳動間隙可以控制等。使用交流變頻調(diào)速器來對主軸電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。克服以往簡易數(shù)控系統(tǒng)功能的缺點，具備手工編程簡單，機(jī)床操作容易、加工適用范圍廣，并可通過 CAM 軟件編程實現(xiàn)各種復(fù)雜曲面的軌跡邏輯控制，實現(xiàn)對復(fù)雜零件曲面的完美加工。關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造 伺服驅(qū)動 數(shù)控系統(tǒng) 調(diào)試與檢測 誤差調(diào)整吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院1第一章 緒 論 國內(nèi)外數(shù)控化改造的現(xiàn)狀現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的一次偉大的革命那就是數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用及快速發(fā)展，東西方工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相繼都把發(fā)展應(yīng)用數(shù)控技術(shù)作為工業(yè)技術(shù)革新的重點戰(zhàn)略。隨著數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)正面臨著解決零件批量小，產(chǎn)品形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多變，加工精度要求卻較高的生產(chǎn)工藝要求，所以越來越多的企業(yè)將目光投向數(shù)控機(jī)床設(shè)備。使用這些機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍質(zhì)量低，成本高，在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響企業(yè)生存與發(fā)展。 項目的來源及研究意義我國是機(jī)械加工機(jī)床設(shè)備的產(chǎn)銷大家。而采用數(shù)控機(jī)床可以解放一些勞動強(qiáng)度大的手工操作。數(shù)控機(jī)床改造的評定指標(biāo)是改造后數(shù)控機(jī)床的可靠性、可維修性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面；對改造后的數(shù)控機(jī)床的設(shè)備狀態(tài)、精度與性能、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行全面的評估，給出進(jìn)一步調(diào)整與精度控制的思路與方法。通過機(jī)床數(shù)控化改造能夠效解決這些問題；并且能通過數(shù)控化改造提高機(jī)床的加工性能與加工范圍，提高機(jī)床的精度和加工效率，實現(xiàn)原有生產(chǎn)設(shè)備的低成本高效率的數(shù)控化改造升級。 本文研究的主要內(nèi)容普通機(jī)床的數(shù)控化改造在現(xiàn)今的企業(yè)生產(chǎn)實踐中，將起到降低成本，提高生產(chǎn)效率的重要作用，然而目前我國企業(yè)生產(chǎn)中主要使用的設(shè)備仍然是普通機(jī)床，僅復(fù)雜而精度要求高的零件才使用數(shù)控機(jī)床。2．機(jī)床改造電氣控制系統(tǒng)的選定 結(jié)合原有機(jī)床條件以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制特點，分析研究本次改造數(shù)控系統(tǒng)與強(qiáng)電電路的接口電路。通過改進(jìn)使數(shù)控改造扣的機(jī)床能夠達(dá)到更具高效性、更具經(jīng)濟(jì)性，功能上也更加強(qiáng)的目的，能夠適應(yīng)企業(yè)數(shù)控化改造后設(shè)備的工作穩(wěn)定性與加工精度的需要。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，克服無級調(diào)速電機(jī)的低速下的缺點，以及滿足某些低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特殊機(jī)械使用性能要求，也可以采用齒輪變速與無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。X、Y 和 Z 軸進(jìn)給軸的重復(fù)定位精度 25。博順模具制造公司針對一臺 X5032 普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造，采用吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院5DSIEMN802數(shù)控系統(tǒng)與 X、Y、Z 軸采用 UESIMODRV61伺服驅(qū)動系統(tǒng)，將原機(jī)床的普通傳動絲杠更換為精密的滾珠絲杠螺母傳動副；并且利用 PLCTOWRU14的遠(yuǎn)程輸入/輸出模擬量控制模塊來實現(xiàn)伺服進(jìn)給的運(yùn)動控制功能。FANUC 的數(shù)控系統(tǒng)具有高質(zhì)量、高性能，主要表現(xiàn)在其數(shù)控系統(tǒng)大量采用模塊化結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)具有比較齊全的基本功能和選項功能。主要特點是：(1)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè) PC，低價格、高性能、結(jié)構(gòu)緊湊。(3)數(shù)控機(jī)床操作簡單，編程容易。使用步進(jìn)電動機(jī)將導(dǎo)致機(jī)床的快速性性能降低。而采用半閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動機(jī)，則調(diào)速范圍寬，抗過載能力又強(qiáng)，并且采用了反饋控制技術(shù)，可動態(tài)修正運(yùn)行過程中的誤差，因此性能勝于開環(huán)控制。經(jīng)過綜合分析，本次數(shù)控化改造采用華中 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制方案。為了確保 X5032 普通銑床中速時的運(yùn)行穩(wěn)定性和加工精度而采用交流變頻調(diào)速。其三是主軸的控制工作由選配的數(shù)控系統(tǒng)來控吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院7制實現(xiàn)；雖然第一個方案成本較低，但因原機(jī)床電氣老化、故障幾率高，所以適合采用。（2）適應(yīng)性好，采用程序控制方式，PLC 控制的靈活性好，可進(jìn)行人性化設(shè)置。1805HSV?全數(shù)字交流伺服主軸驅(qū)動單元采用專用運(yùn)動控制數(shù)字信號處理器 )(DP、可編程邏輯陣列 )(PGA和智能化功率模塊 )(IP等先進(jìn)技術(shù)，具備有 A025等多種應(yīng)用規(guī)格，具有很寬選擇范圍的功率，完成對交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制。X 向、Y 向運(yùn)動都是由工作臺通過伺服電機(jī)加滾珠絲杠傳遞運(yùn)動實現(xiàn)。X5032 立式銑床的數(shù)控化改造采用無級變速的好處在于切削加工中獲取合理的切削速度；能實時變速于切削加工中，能夠?qū)崿F(xiàn)大銑削量時的恒速切削要求，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍已可達(dá)1：100，恒功率調(diào)速范圍達(dá)到1：30。但由于主軸電動機(jī)與驅(qū)動裝置的限制，主軸在低速段均不能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出?？沙惺艿倪^載時間為幾分鐘至半個小時 [5]。 主軸驅(qū)動裝置的接口主軸驅(qū)動裝置的接口與進(jìn)給驅(qū)動裝置有許多類似，進(jìn)給驅(qū)動裝置具備的接口，在主軸驅(qū)動裝置上一般都可以找到，只是不同廠家不同檔次的主軸驅(qū)動裝置所包含的接口類型不同，因此，主軸伺服裝置的接口類型比變頻器的接口要豐富；矢量控制功能的變頻器比簡易型變頻器接口種類多。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電源，控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。為吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院12了實現(xiàn)大功率輸出，主軸驅(qū)動裝通常采用不低于230V的三相交流電源，而進(jìn)給驅(qū)動裝置多采用不高于220V的三相交流電源；變頻器通常電源電壓范圍比較寬，如230~400V，進(jìn)給驅(qū)動裝置電源電壓一般要求是固定的。當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)廠家和型號的不同，主軸驅(qū)動裝置也可以支持脈沖指令、總線、RS23RS42RS485及網(wǎng)絡(luò)等控制接口。反饋接口由于主軸對位置控制的精度并不非常高，因此對與位置控制精度密切相關(guān)的反饋裝置要求也不高，主軸電動機(jī)或主軸多數(shù)采用1000線的編碼器，而進(jìn)給驅(qū)動電機(jī)則至少采用2022線的編碼器，有些進(jìn)給電動機(jī)編碼器可多達(dá)10萬線。目前已經(jīng)有一些這樣的產(chǎn)品進(jìn)入市場，以國產(chǎn)華中數(shù)控HSV20S/D系列伺服驅(qū)動為例：電源采用三相交流380V，同時支持脈沖指令接口、模擬量指令接口、RS232指令接口；即支持普通三相籠型異步電動機(jī)、專用變頻電動機(jī)，也支持永磁同步伺服進(jìn)給電動機(jī)和主軸伺服電動機(jī)。 主軸系統(tǒng)的特點和適用范圍l、普通籠型異步電動機(jī)配齒輪變速箱這是一種最經(jīng)濟(jì)的改造方法，但只能實現(xiàn)有級調(diào)速，因電動機(jī)一直工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)變速齒輪減速后，從主軸輸出端低速下輸出力矩大，超強(qiáng)切削能力高，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院14比較適于粗加工與半精加工。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的此種簡易型變頻器非常多?，F(xiàn)今生產(chǎn)通用變頻器的廠家主要有西門子、日立、富士、三菱等外國公司。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒有傳動機(jī)構(gòu)，因而簡化了主軸的結(jié)構(gòu)，主軸的精度也提高了，但是抗沖擊能力變?nèi)酰瑫r功率也不大，一般在l0KW以下。選型的目的是為符合整機(jī)設(shè)計的需要，從而適應(yīng)生產(chǎn)的需要。要求滿足主軸低速時的功率規(guī)格，一般采用齒輪箱或皮帶變速，此時機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。為了保證電動機(jī)的輸出功率，在選型時一般選擇驅(qū)動器的功率比電動機(jī)要大一擋，例如，選擇5．5KW的驅(qū)動器配4KW的電動機(jī)。 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)是指主軸電動機(jī)至主軸的運(yùn)動傳動系統(tǒng)。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院16 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的要求l、具備大調(diào)速范圍與無級調(diào)速。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。應(yīng)采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提升主軸的組件的剛性。數(shù)控機(jī)床加工中，會因為持續(xù)切削、余量不均、運(yùn)動不平衡等原因產(chǎn)生沖擊力和交變力，致使主軸發(fā)生振動，最終影響加工精度和表面質(zhì)量，更嚴(yán)重時甚至?xí)p壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法正常工作。兩級以上變速的主傳動系統(tǒng)應(yīng)用于大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多種變速方式，常采用由1~2對齒輪降速，目的是降低速度，提升輸出扭矩。維修與維護(hù)也較困難。此傳動方式適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的機(jī)床主軸傳動，傳動中能夠減少傳動時引起的振動與噪聲等對機(jī)床工作精度危害不利因素 [7]。高速切削一般采用內(nèi)裝電動機(jī)的主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。對于普通三相異步主軸電動機(jī)，通常其轉(zhuǎn)速是固定的。因而數(shù)控機(jī)床常采用無級調(diào)速與l~4擋齒輪變速相結(jié)合的調(diào)速方式，也就是所謂分段無級變速方式，同時滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求 [6]。但是在停車時撥動滑移齒輪嚙合，有可能出現(xiàn)“頂齒”的現(xiàn)象。與第二種方法相比的優(yōu)點在于使用電磁離合器能夠簡化換擋機(jī)構(gòu)。 主軸定向功能主軸定向功能又稱為主軸準(zhǔn)停功能，即當(dāng)主軸停止時能控制其以一定的力矩準(zhǔn)確地停止于固定位置。其次，當(dāng)鏜削內(nèi)孔退刀時，為防止刀具因彈性恢復(fù)拉傷已加工的內(nèi)孔表面，必須先讓刀再退刀，而讓刀時刀具必須具有定向功能，加工中心的主軸定向方法有機(jī)械式和電氣式兩種。定向過程一般由可編程控制器來處理，有些也由數(shù)控裝置完成。采用機(jī)械定向的方式，主軸定向定位銷的伸出和退回必須分別有到位檢測信號，并且必須和主軸的運(yùn)行有互鎖關(guān)系，即： (1)主軸以非定向速度旋轉(zhuǎn)時不得伸出定位銷； (2)若定位銷退回到位信號無效則禁止主軸旋轉(zhuǎn)； (3)若定位銷伸出到位信號無效則禁止換刀動作繼續(xù)進(jìn)行。電氣定向控制一般應(yīng)用于中、高檔數(shù)控機(jī)床特別是加工中心，采用電氣定向控制有如下優(yōu)點：1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單不需要定向的機(jī)械部件。但從整體來看，性能價格比大大提高。主軸控制單元連接到經(jīng)放大器后磁性傳感器信號，當(dāng)主軸需要定位準(zhǔn)停時即進(jìn)行控制，其步驟如下：1)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動或停止時，數(shù)控裝置發(fā)出定向指令后，立即控制主軸加速或減速至某一定向速度；2)主軸到達(dá)定向速度并且檢測到定向位置信號時，立即控制主軸停止，并向主軸驅(qū)動器發(fā)出位控工作模式指令，主軸驅(qū)動器控制主軸電動機(jī)在位控模式下靜止鎖死。某些數(shù)控機(jī)床采用永磁式交流伺服電動機(jī)作為主軸電動機(jī)，這種定向方式的主軸可以一直工作在位控模式下，也可以僅在定向時工作在位控模吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院21式，平常工作在速度控制模式，這種工作模式的切換一般由數(shù)控系統(tǒng)完成。 主軸進(jìn)給功能主軸進(jìn)給功能即主軸的C軸功能，一般應(yīng)用在車削中心和車、銑復(fù)合機(jī)床上。雙電動機(jī)切換主軸有兩套傳動機(jī)構(gòu)，平時由主軸電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)普通主軸的回轉(zhuǎn)功能，需要進(jìn)給功能時通過液壓等機(jī)構(gòu)切換到由進(jìn)給伺服電動機(jī)驅(qū)動主軸，由于進(jìn)給伺服電動機(jī)工作在位置控制模式下，因此可以實現(xiàn)任意角度的分度功能和進(jìn)給及插補(bǔ)功能。常采用主軸抱閘機(jī)構(gòu)，使得C軸功能啟用時鎖死主軸，再有就是采用加大進(jìn)給伺服電動機(jī)和主軸之間的機(jī)械降速傳動比來擴(kuò)大輸出扭矩的大小。它的缺點是隨著主軸輸出功率的增加，主軸驅(qū)動系統(tǒng)的成本也急劇增加。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院23第四章 X5032 立式銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造 伺服進(jìn)給系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置、驅(qū)動電路、傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行部件組成。系統(tǒng)的控制鏈不包含機(jī)械傳動鏈部分，所以傳動機(jī)構(gòu)的傳動誤差仍會影響移動部件的位移精度。滾珠可在螺母上的返回機(jī)構(gòu)里返回。3．重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿螺母副摩擦較小、運(yùn)動副溫升也小、傳動無爬行、無間隙。使用滾珠絲杠傳動，滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置（配合使用相關(guān)尺寸的軸承） 。 單 推 單 推工 作 臺圖 46 單推配單推吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院26 進(jìn)給部件的配置計算與選配已知機(jī)床參數(shù)資料：Z 升降臺總重力 NW250?，導(dǎo)軌滑動摩擦系數(shù) ??，??，X、Y 軸、Z 軸三個方向快速進(jìn)給速度 min/5ax?。影響重復(fù)定位精度的（1/2～1/3）左右。使用以上兩種估測方法確定最小值取為 )(m??單 位 [4]。如果預(yù)緊力過小則不能確保無間隙傳動，如果預(yù)緊力過大則將會使驅(qū)動力矩增大，縮短傳動副的使用壽命，也會降低傳動副的工作效率 [4]。:L?滾 珠 絲 杠 的 有 效 工 作 行 程 范 圍 （ ） 。則： ??。723/cKNm??； pF： 10pF絲 杠 預(yù) 緊 力 （ ） ， ； aC： 5aC額 定 動 載 荷 （ ） ,查 取 ： ； 最終計算得：136723()20/????； 11．剛度驗算及精度的選擇① 傳 動 系 統(tǒng) 的 剛 度 分 析 計 算 ：11sbcK?? （418）式中： s： 絲 杠 抗 拉 壓 剛 度 系 數(shù) ；b： 支 承 軸 承 組 系 的 剛 度 參 數(shù) ；cK： 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 參 數(shù) （ N/um） 。 30PV≤ .8dk???（ d為定位精度） ，已給出 30/d??定 位 精 度 值 為 ，得到 p≤ ??；絲杠加工精度取 3 級 得到 ???⑤ 確 定 滾 珠 絲 杠 螺 母 傳 動 副 規(guī) 格 與 代 號最終確定的型號為： FZD， 53,6m絲 杠 公 稱 直 徑 尺 寸 為 :導(dǎo) 程 為 :， 螺紋長度為： 560,78m全 長 。Y 軸選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 9/6，交流伺服電機(jī)型號為： 。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院37第五章 X5032 立式銑床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計本次數(shù)控改造采用華中世紀(jì)星21M數(shù)控系統(tǒng)。HNC21M銑削系統(tǒng)具有以下特點：1．最大聯(lián)動軸數(shù)為6軸。5．具備X、Y、Z各軸反向間隙和單、雙向螺距誤差補(bǔ)償功能。如圖51所示為數(shù)控系統(tǒng)的組成示意圖。數(shù)控裝置按控制方式可分為兩大類：一是數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制，二是時序邏輯控制。伺服電動機(jī)是終端執(zhí)行元件，HNC21M數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號一系列的處理吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院39與放大后通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)，指令終端伺服電機(jī)實現(xiàn)既定的速度要求。圖52是X5032立式銑床數(shù)控系統(tǒng)的傳動部件連接圖，數(shù)控系統(tǒng)通過“XS30” 、“XS31”、 “XS32”、 “XS33”接口發(fā)送脈沖指令給各軸的伺服驅(qū)動器，同時也接收來自