【正文】 伺服電動(dòng)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(hào)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(dòng)系統(tǒng)，指令終端伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)既定的速度要求。如圖51所示為數(shù)控系統(tǒng)的組成示意圖。HNC21M銑削系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1．最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)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(jī)型號(hào)為： 。723/cKNm??； pF： 10pF絲 杠 預(yù) 緊 力 （ ） ， ； aC： 5aC額 定 動(dòng) 載 荷 （ ） ,查 取 ： ； 最終計(jì)算得：136723()20/????； 11．剛度驗(yàn)算及精度的選擇① 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 剛 度 分 析 計(jì) 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） 。: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(tái)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(jì)算與選配已知機(jī)床參數(shù)資料：Z 升降臺(tái)總重力 NW250?，導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦系數(shù) ??，??，X、Y 軸、Z 軸三個(gè)方向快速進(jìn)給速度 min/5ax?。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(dòng)副溫升也小、傳動(dòng)無爬行、無間隙。系統(tǒng)的控制鏈不包含機(jī)械傳動(dòng)鏈部分，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差仍會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度。它的缺點(diǎn)是隨著主軸輸出功率的增加，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本也急劇增加。雙電動(dòng)機(jī)切換主軸有兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，平時(shí)由主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)普通主軸的回轉(zhuǎn)功能，需要進(jìn)給功能時(shí)通過液壓等機(jī)構(gòu)切換到由進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，由于進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)工作在位置控制模式下，因此可以實(shí)現(xiàn)任意角度的分度功能和進(jìn)給及插補(bǔ)功能。某些數(shù)控機(jī)床采用永磁式交流伺服電動(dòng)機(jī)作為主軸電動(dòng)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(shí)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。但從整體來看，性能價(jià)格比大大提高。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(hào)，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(shí)不得伸出定位銷； (2)若定位銷退回到位信號(hào)無效則禁止主軸旋轉(zhuǎn)； (3)若定位銷伸出到位信號(hào)無效則禁止換刀動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。其次，當(dāng)鏜削內(nèi)孔退刀時(shí)，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(shí)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。與第二種方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于使用電磁離合器能夠簡化換擋機(jī)構(gòu)。因而數(shù)控機(jī)床常采用無級(jí)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(jí)變速方式，同時(shí)滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求 [6]。高速切削一般采用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。維修與維護(hù)也較困難。數(shù)控機(jī)床加工中，會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)切削、余量不均、運(yùn)動(dòng)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(dòng)，最終影響加工精度和表面質(zhì)量，更嚴(yán)重時(shí)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。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)。 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是指主軸電動(dòng)機(jī)至主軸的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。要求滿足主軸低速時(shí)的功率規(guī)格，一般采用齒輪箱或皮帶變速，此時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒有傳動(dòng)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(shí)功率也不大，一般在l0KW以下。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的此種簡易型變頻器非常多。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(dòng)為例：電源采用三相交流380V，同時(shí)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(dòng)機(jī)、專用變頻電動(dòng)機(jī)，也支持永磁同步伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和主軸伺服電動(dòng)機(jī)。當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)廠家和型號(hào)的不同，主軸驅(qū)動(dòng)裝置也可以支持脈沖指令、總線、RS23RS42RS485及網(wǎng)絡(luò)等控制接口。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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)?？沙惺艿倪^載時(shí)間為幾分鐘至半個(gè)小時(shí) [5]。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。X 向、Y 向運(yùn)動(dòng)都是由工作臺(tái)通過伺服電機(jī)加滾珠絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。（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。為了確保 X5032 普通銑床中速時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和加工精度而采用交流變頻調(diào)速。而采用半閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)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(dòng)態(tài)修正運(yùn)行過程中的誤差，因此性能勝于開環(huán)控制。(3)數(shù)控機(jī)床操作簡單，編程容易。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(xiàng)功能。X、Y 和 Z 軸進(jìn)給軸的重復(fù)定位精度 25。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。 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(shí)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。數(shù)控機(jī)床改造的評(píng)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(duì)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(píng)估，給出進(jìn)一步調(diào)整與精度控制的思路與方法。 項(xiàng)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。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?？朔酝喴讛?shù)控系統(tǒng)功能的缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲面的軌跡邏輯控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件曲面的完美加工。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 的無級(jí)調(diào)速；機(jī)床實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)；系統(tǒng)可控制起止和故障報(bào)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(dòng)間隙可以控制等。配置的華中世紀(jì)星 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)基于開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè) PC 數(shù)控系統(tǒng)。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)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低。自改革開放以來，我國引進(jìn)了大量的國外技術(shù)與裝備，這些設(shè)備了普遍存在技術(shù)更新的必要。所以通過普通機(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。預(yù)計(jì)本次數(shù)控化改造僅需資金 3~4 萬元，而購買一臺(tái)類似的國產(chǎn)數(shù)控立銑機(jī)床卻需花費(fèi)15~20 萬元左右，同時(shí)又因?yàn)橘徺I新設(shè)備的供貨周期長。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)。 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。用以滿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]。(2) 機(jī)床使用性好。容易造成工件精度誤差，因此對(duì)加工精度是不利的。 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。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，經(jīng)濟(jì)性不佳。本機(jī)采用 7M系列交流伺服主軸電機(jī)。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；介紹了通過對(duì)交流調(diào)速方案的各類與比較；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。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(dòng)軸應(yīng)具備準(zhǔn)停功能。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。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)的開關(guān)量接口控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。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碼器接口以通過驅(qū)動(dòng)器直接實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。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合和需要經(jīng)常改變速度的加工場合。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。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)，用以滿足經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。具體實(shí)施時(shí)參考生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見。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。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)。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。高速切削主軸高速切削是上世紀(jì)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(zhuǎn)速以滿足加工的需要。在手動(dòng)換擋時(shí)只需將齒輪暫時(shí)脫開，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。首先，主軸定向是自動(dòng)換刀所必需的功能。l、機(jī)械定向控制機(jī)械定向一般要求主軸具有無級(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)到無觸點(diǎn)開關(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)控制定位銷伸出壓向主軸定位盤；2)到定位銷到位信號(hào)后，通知系統(tǒng)定向指令完成。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)。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。對(duì)于車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。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。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)。為使?jié)L珠與滾道間無間隙合，可使用預(yù)緊裝置。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） 。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 。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]。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。最終選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 194/80P??。X、Y與Z軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用HSV18D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)。8．可存貯大量的加工程序，不需DNC。利用各自控制器內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)算模塊對(duì)輸入的數(shù)控加工的程序進(jìn)行譯碼、編譯等信息處理后，進(jìn)而控制實(shí)現(xiàn)刀具軌跡插補(bǔ)運(yùn)算，通過各軸的驅(qū)動(dòng)單元、伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)比較，從而控制機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的位移。本次改造直接采用主軸變頻器與主軸變頻電機(jī)相匹配的方式實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)建，完成本機(jī)床動(dòng)力源的輸出問題。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(jī)床主、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元與伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度、角速度等的控制。4．具備進(jìn)行常規(guī)的直線與圓弧插補(bǔ)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(bǔ)償、宏程序等功能，能夠滿足數(shù)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