【正文】 伺服電動機是終端執(zhí)行元件，HNC21M數控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號一系列的處理吉林工業(yè)職業(yè)技術學院39與放大后通過伺服驅動系統(tǒng)，指令終端伺服電機實現(xiàn)既定的速度要求。如圖51所示為數控系統(tǒng)的組成示意圖。HNC21M銑削系統(tǒng)具有以下特點：1．最大聯(lián)動軸數為6軸。Y 軸選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 9/6，交流伺服電機型號為： 。723/cKNm??； pF： 10pF絲 杠 預 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 ；b： 支 承 軸 承 組 系 的 剛 度 參 數 ；cK： 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 參 數 （ N/um） 。:L?滾 珠 絲 杠 的 有 效 工 作 行 程 范 圍 （ ） 。使用以上兩種估測方法確定最小值取為 )(m??單 位 [4]。 單 推 單 推工 作 臺圖 46 單推配單推吉林工業(yè)職業(yè)技術學院26 進給部件的配置計算與選配已知機床參數資料：Z 升降臺總重力 NW250?，導軌滑動摩擦系數 ??，??，X、Y 軸、Z 軸三個方向快速進給速度 min/5ax?。3．重復定位精度高 由于滾珠絲桿螺母副摩擦較小、運動副溫升也小、傳動無爬行、無間隙。系統(tǒng)的控制鏈不包含機械傳動鏈部分，所以傳動機構的傳動誤差仍會影響移動部件的位移精度。它的缺點是隨著主軸輸出功率的增加，主軸驅動系統(tǒng)的成本也急劇增加。雙電動機切換主軸有兩套傳動機構，平時由主軸電動機驅動實現(xiàn)普通主軸的回轉功能，需要進給功能時通過液壓等機構切換到由進給伺服電動機驅動主軸，由于進給伺服電動機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給及插補功能。某些數控機床采用永磁式交流伺服電動機作為主軸電動機，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)技術學院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控系統(tǒng)完成。但從整體來看，性能價格比大大提高。采用機械定向的方式，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行有互鎖關系，即： (1)主軸以非定向速度旋轉時不得伸出定位銷； (2)若定位銷退回到位信號無效則禁止主軸旋轉； (3)若定位銷伸出到位信號無效則禁止換刀動作繼續(xù)進行。其次，當鏜削內孔退刀時，為防止刀具因彈性恢復拉傷已加工的內孔表面，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械式和電氣式兩種。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構。因而數控機床常采用無級調速與l~4擋齒輪變速相結合的調速方式，也就是所謂分段無級變速方式，同時滿足低速轉矩和最高主軸轉速的要求 [6]。高速切削一般采用內裝電動機的主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。維修與維護也較困難。數控機床加工中，會因為持續(xù)切削、余量不均、運動不平衡等原因產生沖擊力和交變力，致使主軸發(fā)生振動，最終影響加工精度和表面質量，更嚴重時甚至會損壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法正常工作。數控機床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關。 數控機床的主軸系統(tǒng)數控機床主傳動系統(tǒng)是指主軸電動機至主軸的運動傳動系統(tǒng)。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，此時機械結構復雜，成本高。電主軸由于電機和主軸合二為一，沒有傳動機構，因而簡化了主軸的結構，主軸的精度也提高了，但是抗沖擊能力變弱，同時功率也不大，一般在l0KW以下。目前，國內生產的此種簡易型變頻器非常多。目前已經有一些這樣的產品進入市場，以國產華中數控HSV20S/D系列伺服驅動為例：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、專用變頻電動機，也支持永磁同步伺服進給電動機和主軸伺服電動機。當然根據生產廠家和型號的不同，主軸驅動裝置也可以支持脈沖指令、總線、RS23RS42RS485及網絡等控制接口。變頻器根據輸入的速度指令和運行狀態(tài)指令輸出相應頻率和幅值的交流電源，控制電動機旋轉。可承受的過載時間為幾分鐘至半個小時 [5]。恒轉矩調速范圍已可達1：100，恒功率調速范圍達到1：30。X 向、Y 向運動都是由工作臺通過伺服電機加滾珠絲杠傳遞運動實現(xiàn)。（2）適應性好，采用程序控制方式，PLC 控制的靈活性好，可進行人性化設置。為了確保 X5032 普通銑床中速時的運行穩(wěn)定性和加工精度而采用交流變頻調速。而采用半閉環(huán)控制的伺服驅動系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動機，則調速范圍寬，抗過載能力又強，并且采用了反饋控制技術，可動態(tài)修正運行過程中的誤差，因此性能勝于開環(huán)控制。(3)數控機床操作簡單，編程容易。FANUC 的數控系統(tǒng)具有高質量、高性能，主要表現(xiàn)在其數控系統(tǒng)大量采用模塊化結構，抗干擾能力強，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)具有比較齊全的基本功能和選項功能。X、Y 和 Z 軸進給軸的重復定位精度 25。通過改進使數控改造扣的機床能夠達到更具高效性、更具經濟性，功能上也更加強的目的，能夠適應企業(yè)數控化改造后設備的工作穩(wěn)定性與加工精度的需要。 本文研究的主要內容普通機床的數控化改造在現(xiàn)今的企業(yè)生產實踐中，將起到降低成本，提高生產效率的重要作用，然而目前我國企業(yè)生產中主要使用的設備仍然是普通機床，僅復雜而精度要求高的零件才使用數控機床。數控機床改造的評定指標是改造后數控機床的可靠性、可維修性、先進性、經濟性等方面；對改造后的數控機床的設備狀態(tài)、精度與性能、穩(wěn)定性等方面進行全面的評估，給出進一步調整與精度控制的思路與方法。 項目的來源及研究意義我國是機械加工機床設備的產銷大家。隨著數控機床應用范圍的逐漸擴大，現(xiàn)代機械制造業(yè)正面臨著解決零件批量小，產品形狀復雜，結構多變，加工精度要求卻較高的生產工藝要求，所以越來越多的企業(yè)將目光投向數控機床設備。克服以往簡易數控系統(tǒng)功能的缺點，具備手工編程簡單，機床操作容易、加工適用范圍廣，并可通過 CAM 軟件編程實現(xiàn)各種復雜曲面的軌跡邏輯控制，實現(xiàn)對復雜零件曲面的完美加工。使機床數控改造后，數控銑床具備程序存儲和編輯等功能；主軸變頻交流電機達到 503000RPM/min 的無級調速；機床實現(xiàn)三軸聯(lián)動；系統(tǒng)可控制起止和故障報警；能夠進行微機通訊等；數控化改造的機床具有剛性良好；摩擦小，傳動間隙可以控制等。配置的華中世紀星 HNC21M 數控系統(tǒng)是一個基于開放式體系結構，內置嵌入式工業(yè) PC 數控系統(tǒng)。數控機床的設備狀況、機床分布情況，以及制造企業(yè)數控機床的擁有量，標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低。自改革開放以來，我國引進了大量的國外技術與裝備，這些設備了普遍存在技術更新的必要。所以通過普通機床改造而成的經濟型數控機床，是一個低成本，高回報的普通機床設備升級方法。預計本次數控化改造僅需資金 3~4 萬元，而購買一臺類似的國產數控立銑機床卻需花費15~20 萬元左右，同時又因為購買新設備的供貨周期長。決策使用工控機實現(xiàn)對電路的控制，并將對鍵盤和顯示器接口、操縱按鈕及操縱面板進行了規(guī)劃設計。 X5032立式銑床數控化改造的調查研究與方案設計 國內立式銑床數控改造的成功案例調查用華中數控系統(tǒng)改造西安標準工業(yè)股份有限公司 XK754 臥式加工中心，更換原機床的所有電氣控制系統(tǒng)，包括數控系統(tǒng)，PLC 控制單元，X、Y 和 Z 軸進給伺服系統(tǒng)，主軸控制單元及主軸電機，電氣控制柜，操作按鈕等。用以滿足加工大型零件的工藝要求，全面提升機床的使用性能，滿足高效和低成本要求，為擴大公司的產品范圍的加工奠定了必要的基礎 [4]。(2) 機床使用性好。容易造成工件精度誤差，因此對加工精度是不利的。 主傳動軸系統(tǒng)改造方案1．交流調速的選擇數控機床的主運動通常會采用無級變速，優(yōu)點是具備提供一定合理切削速度的調速范圍，并可實時改變轉速于運轉中。第三個方案將主軸電氣進行數控化改造，改造工作量大，改造生產周期長，經濟性不佳。本機采用 7M系列交流伺服主軸電機。本章主要闡述了 X5032 立式銑床傳動運動機構的改造設計思路，以及改造的總體布局；介紹了通過對交流調速方案的各類與比較；介紹了伺服驅動單元的功率計算和型號選擇；以主軸電機、驅動模塊的改造方案。3具有精確位置控制能力為滿足剛性攻絲、切削螺紋以及某些特殊加工工藝的要求，主傳動軸應具備準停功能。不同的是：進給驅動裝置主要工作在位置控制模式下，而主軸驅動裝置主要工作在速度控制模式下；同一臺數控機床上主軸輸出功率比進給軸輸出功率要大得多。電動機運行指令接口因為進給電動機主要用于位置控制，因此進給驅動裝置一般都具備和采用脈沖信號作為指令輸入，控制電動機的旋轉速度和方向，不提供單獨的開關量接口控制電動機的旋轉方向。另外為了控制的方便許多進給驅動器都有絕對式編碼器接口，功能更強的進給驅動器還有第二編吉林工業(yè)職業(yè)技術學院13碼器接口以通過驅動器直接實現(xiàn)全閉環(huán)控制。如果加工產品單一，且對主軸轉速要求不高，用于其機床數控化改造效果也不錯；但其缺點是噪音大，主軸轉速范圍窄，不適合有色金屬加工場合和需要經常改變速度的加工場合。伺服主軸驅動系統(tǒng)伺服主軸驅動系統(tǒng)具有響應快、速度高、抗過載能力強的特點，且能實現(xiàn)定向和進給功能，但價格也較高，通常是同功率變頻器主軸驅動系統(tǒng)的23倍以上。機床改造的整體整機設計會從功能上、性能上，以及成本上對主軸驅動系統(tǒng)提出要求，根據這些確定主軸單元結構，用以滿足經濟、實用的要求。具體實施時參考生產廠家的指導意見。為了保證數控機床加工時能提供合理的切削用量和切削速度，保證獲取最高的生產率及高的加工精度和表面質量，就必須具有大的調速范圍。在結構允許的條件下，可適量增加齒輪寬度，增大齒輪的重疊系數。部分小型數控機床也有采用這種傳動方式，目的是獲得超強切削時需要的扭矩。高速切削主軸高速切削是上世紀后期發(fā)展起來的一種新工藝。必須通過主軸換擋才能獲得不同的主軸轉速以滿足加工的需要。在手動換擋時只需將齒輪暫時脫開，按點動按鈕使主電動機瞬時沖動接通，然后再重新嘗試換擋即可；在自動換擋時，可以象手動換擋一樣處理，也可以利用主軸電動機，在撥叉移動滑移齒輪的同時帶動各傳動齒輪作低速回轉或振動，滑移齒輪就能夠較順利的嚙合。首先，主軸定向是自動換刀所必需的功能。l、機械定向控制機械定向一般要求主軸具有無級調速的功能，接收到數控系統(tǒng)發(fā)出定向指令(如M19)后，控制主軸電動機帶動主軸以可以設定的定向速度和方向旋轉：1)到無觸點開關有效信號后，停止主軸，主軸電動機與主軸傳動件依慣性繼續(xù)旋轉，同時控制定位銷伸出壓向主軸定位盤；2)到定位銷到位信號后，通知系統(tǒng)定向指令完成。它只需要旋轉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)，即可實現(xiàn)主軸定向，機械結構比較簡單；2)定向迅速可靠定向時間包括在換刀時間內，而換刀時間是加工中心的重要指標。3)如取消主軸定向狀態(tài)，只需撤消主軸驅動器的位控工作模式指令，恢復到速度工作模式即可。對于車削中心主軸除了完成傳統(tǒng)的回轉功能外，主軸的進給功能可以實現(xiàn)主軸的定向、分度和圓周進給，并在數控裝置的控制下實現(xiàn)C軸與其它進給軸的插補，以配合動力刀具進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。這種方式結構和控制都比較復雜，但在要求大功率主軸的機床上，還是一種比較經濟的方案。數控裝置發(fā)出運動速度和位移信號指令后，伺服進給系統(tǒng)接收信號指令并驅動機床的工作臺（或主軸）等終端執(zhí)行部件按著預先要求進行工作進給（或快速）運動。為使?jié)L珠與滾道間無間隙合，可使用預緊裝置。使用華中數控的 GM7交流伺服電機驅動滾珠絲杠傳動（如圖 45 所示） 。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)技術學院29① 重 復 定 位 精 度 。max13pF? （49）其中 790N，則 pF≈ 7910N7．行程補償值、預拉伸力計算（1）行程補償值針對兩端固定支承軸承的傳動滾珠絲杠副應進行行程補償值（C） ，以及求解預拉伸力 [4]。②支承軸承組系剛度 80bK?對 于 兩 端 固 定 支 承 ， 取，則： 286317/bKNm???③ 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 計 算 ：139。最終選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 194/80P??。X、Y與Z軸伺服驅動系統(tǒng)采用HSV18D全數字交流伺服驅動器和GM7交流伺服電機，位置檢測元件使用脈沖編碼器，組成半閉環(huán)控制環(huán)的數字伺服驅動系統(tǒng)。8．可存貯大量的加工程序，不需DNC。利用各自控制器內的插補運算模塊對輸入的數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。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)的構建，完成本機床動力源的輸出問題。圖 51 數控系統(tǒng)的組成2．數控裝置數控系統(tǒng)是數控化改造的核心，本次改造采用HNC21M控制機床主、進給運動驅動單元與伺服電機，實現(xiàn)對位置、速度、角速度等的控制。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)指令與復合循環(huán)指令，支持刀具補償、宏程序等功能，能夠滿足數控加工的常規(guī)加工要求。本章節(jié)主要介紹了 X5032立式銑床