【正文】 進(jìn)給系統(tǒng)的改造過程中的傳動構(gòu)件的選擇、伺服電機(jī)的選擇與選擇中的注意事項(xiàng)。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 。QdZ?max:F最 大 軸 向 負(fù) 載 （ N） ，max3~4F取 為 預(yù) 加 負(fù) 載 的 倍 ， max43501FN?。預(yù)緊力通常不應(yīng)超過最大軸向負(fù)載的 1/3~1/4。它影響重復(fù)定位精度。 X5032立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)的改造思路依據(jù)企業(yè)實(shí)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(yùn)動進(jìn)行數(shù)控化改造，改造時拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱及梯形螺紋絲杠，將伺服電機(jī)安裝在原機(jī)床工作臺右、前、下方軸的尾端，應(yīng)用無級調(diào)速。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(jìn) 電 機(jī) 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。本部分內(nèi)容對HNC21M華中數(shù)控裝置的特點(diǎn)、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(jī)的選擇等。因伺服電機(jī)的輸出功率通常都要比主軸電動機(jī)的輸出功率小，因此，為了提升機(jī)床的剛性，從而保證加工產(chǎn)品的精度質(zhì)量。參考點(diǎn)可以由無觸點(diǎn)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(jī)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?yàn)榻嵌戎付ㄓ蓴?shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的原因。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。為能進(jìn)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。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(diǎn)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(jī)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。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(jī)低速轉(zhuǎn)動或振動的方法，實(shí)現(xiàn)齒輪的順利嚙合。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(jī)構(gòu)，液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進(jìn)行。 主軸換擋主軸換擋是指通過改變主軸電動機(jī)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。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動機(jī)一樣，受制于電動機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩特性的約束。 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。也可采用齒型帶。它的運(yùn)行精度與穩(wěn)定性對零件的加工精度有很大影響。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。上述之可供選型的幾種主軸單元。專用變頻電動機(jī)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(jìn)給的功能，目前這類產(chǎn)品較有市場。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(jìn)給驅(qū)動裝置等其他設(shè)備一樣需要遵循經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠和易于操作維護(hù)的原則，以整機(jī)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(diǎn)為依據(jù)。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(jìn)給驅(qū)動裝置則通常始終工作在位置控制模式下 [8]。相對于進(jìn)給驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置的接口具有如下特點(diǎn)： 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)。數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動的電動機(jī)，可選用感應(yīng)式電動機(jī)或永磁式同步電動機(jī) [5]。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(jī)的最大功率。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。在對主軸箱和刀夾頭進(jìn)行 改造與氣動驅(qū)動控制，選用三菱 280FXNMRL?來進(jìn)行相關(guān)控制。2．主軸電氣改造方案改造機(jī)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(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改造。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)。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(jī)床如果配置開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，則常用步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動。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(jī)，經(jīng)濟(jì)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(jī)床的需要?？梢淮瓮瓿稍径嗟拦ば騼?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(jī)床的費(fèi)用。缺點(diǎn)是低速下電機(jī)發(fā)熱量大，機(jī)械能轉(zhuǎn)換率低。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。因此該機(jī)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。在產(chǎn)品周期進(jìn)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(jì)型數(shù)控機(jī)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)前我國大多數(shù)企業(yè)所使用的加工設(shè)備多為普通機(jī)床，并且多數(shù)為超年限工作，更有甚者是上個世紀(jì)五、六十年代的產(chǎn)品。通過不斷的完善與修正，達(dá)到更可靠、安全與穩(wěn)定運(yùn)行的使用目的需要。主傳動系統(tǒng)設(shè)計拆除機(jī)床主軸，重新設(shè)計主軸。去除原機(jī)床縱、橫向與垂向的齒輪進(jìn)給傳動系統(tǒng)、進(jìn)給手柄等，將伺服電機(jī)與滾珠絲杠連接。從而系統(tǒng)地進(jìn)行了軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面分析與總結(jié)；并提出了改進(jìn)的措施。因此，從企業(yè)的實(shí)際需求與經(jīng)濟(jì)性來看，對普通機(jī)床的數(shù)控化改造就顯得尤為重要，主要表現(xiàn)在：1．?dāng)?shù)控機(jī)床可加工形狀復(fù)雜的曲線表面零件；2．?dāng)?shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床生產(chǎn)效率可提高 37 倍；3．可有效實(shí)訓(xùn)工序的集中，減少零件加工的生產(chǎn)輔助時間；4．加工零件的精度高，產(chǎn)品尺寸與形狀精度一致性好；5．具備自動報警監(jiān)控、自動補(bǔ)償、自動保護(hù)等多種強(qiáng)大功能，可實(shí)現(xiàn)有限時長的無人值守 [1]。但是國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床的品種和規(guī)格很多。由于 X5032 普通立銑的適應(yīng)性差，生產(chǎn)效率低，應(yīng)用成本高。針對數(shù)控化改造涉及到主傳動、進(jìn)給傳動、強(qiáng)電控制與 PLC 系統(tǒng)、數(shù)控裝置及元件等內(nèi)容，開展以下幾個方面的工作：1．X5032 機(jī)床數(shù)控化改造總體方案設(shè)計 在原有機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造的總體設(shè)計，然后對原機(jī)床的機(jī)床布局、結(jié)構(gòu)剛性特征進(jìn)行分析，確定改造將選用的電機(jī)、絲杠等核心零部件的規(guī)格，以及進(jìn)行伺服進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動和動力設(shè)計。目前，數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)一般采用交流電機(jī)或直流電機(jī)的無級調(diào)速系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械機(jī)構(gòu)大幅度減化，易于實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速、連續(xù)變速和在工作中帶負(fù)載變速。因?yàn)樘岣吡怂欧姍C(jī)功率、增加輸出軸的規(guī)格尺寸，改造后的切削用量可以相應(yīng)增大。目前常見系列有: PowerMate 0、CNC 0M、0i、CNC 16i/18i 等系列 [4][5]。結(jié)合國內(nèi)立銑改造的成功案例，考慮到本單位的實(shí)訓(xùn)實(shí)際與經(jīng)濟(jì)性原則，最終擬定采用華中數(shù)控 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行原機(jī)床的數(shù)控化改造。而采用閉環(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)實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動，會造成各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大，調(diào)試和維護(hù)都困難，改造成本過高。該驅(qū)動器使用AC380V 輸入電源，并且具有運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等特點(diǎn)。綜合所述，本次改造主軸電氣控制采用 PLC控制方案。操縱箱懸掛安裝在機(jī)床右側(cè)，有利于操作者實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的最有效控制，可以方便操作人員的操作機(jī)床 [4]。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸適用于普及型數(shù)控機(jī)床，交流伺服主軸則適用于中、高檔數(shù)控機(jī)床。具體特性如下：1. ~3倍；2. 運(yùn)行精度和分辨率要求均較高； 3. 需配置較快速的處理器以增強(qiáng)處理信息能力；4. 為保證快速抗干擾能力和動態(tài)降速時間，主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在5ms以下。采用有反饋矢量控制的變頻器以及主軸伺服驅(qū)動器接口圖基本相同，圖32是有反饋矢量控制的變頻器的典型接口圖。而且主軸驅(qū)動裝置的方向控制接口是和速度模擬指令接口一起出現(xiàn)的，多是DC24V開關(guān)量接口；進(jìn)給驅(qū)動裝置的‘方向’控制接口多是和‘脈沖’信號一起出現(xiàn)的，多是DC5V數(shù)字信號；主軸一般都提供單極性模擬電壓信號，進(jìn)給驅(qū)動裝置提供的模擬控制接口多是雙極性的。由此從硬件上已很難定義它是進(jìn)給驅(qū)動裝置還是主軸驅(qū)動裝置。這是目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸驅(qū)動系統(tǒng)。安裝電主軸的機(jī)床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。其二是采用特種的繞組切換式主軸電機(jī)，從而提高了主軸電機(jī)的低速特性。主軸的運(yùn)動也是機(jī)床的成形運(yùn)動之一。通常采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)。因此，主軸組件要有較高的固有頻率，較好的動平衡，且要保持合適的配合間隙，并應(yīng)進(jìn)行充分的潤滑。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院17一級變速的主傳動系統(tǒng)目前多采用同步齒形帶傳動，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低、安裝調(diào)試方便。因此，主軸的溫度控制和冷卻是使用電主軸的關(guān)鍵問題，對設(shè)計、生產(chǎn)和裝配工藝要求非常高。這種方式結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)，但是在加工前必須把主軸的擋位設(shè)置正確，自動加工的過程中不能通過數(shù)控系統(tǒng)或PLC自動改變主軸速度。主軸的自動換擋由M41~M44代碼或S指令根據(jù)速度范圍啟動更換相應(yīng)的擋位，自動換擋控制的具體實(shí)現(xiàn)一般由PLC來完成。此方法定向可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，定向較慢。電氣定向控制主軸電氣定向控制，實(shí)際上是在主軸速度控制基礎(chǔ)上加一個位置控制環(huán)。磁傳感器定向 [9]磁傳感器主軸定向控制由數(shù)控系統(tǒng)和主軸驅(qū)動器共同完成，這與機(jī)械定向的控制原理過程相似。有些系統(tǒng)直接配置有主軸閉環(huán)控制接口，有些則通過伺服進(jìn)給軸接口把主軸當(dāng)作回轉(zhuǎn)進(jìn)給軸控制；2)應(yīng)采用伺服主軸系統(tǒng)，由于數(shù)控系統(tǒng)需要控制主軸工作在位置控制模式，若采用變頻器主軸驅(qū)動系統(tǒng)，定向的精度和穩(wěn)定性都不是很高；3)若主軸電動機(jī)一直工作在位置控制模式下或當(dāng)作一個回轉(zhuǎn)進(jìn)給軸控制，在定向前，主軸通常需要象進(jìn)給軸一樣有回參考點(diǎn)的操作，該操作一般在開機(jī)時完成即可；若主軸采用兩種模式切換，則一般在每次定向前切換到位置控制模式后進(jìn)行。當(dāng)C軸工作時，主軸電動機(jī)就不能啟動，同樣主軸電動機(jī)工作時，進(jìn)給伺服電動機(jī)不能啟動。根據(jù)加工時機(jī)床動作的控制需求，進(jìn)行數(shù)控改造的主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，以及相關(guān)硬件的選擇，確保改造后的機(jī)床能夠獲取最佳的使用性能，也能確保機(jī)床動作正確實(shí)現(xiàn)。 數(shù)控裝置 驅(qū)動電路 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 臺編碼器圖 42 半閉環(huán)系統(tǒng)3．閉環(huán)方式 閉環(huán)系統(tǒng)通過直接偵測移動部件的位移、方向，來高精度地反饋控制信號（如圖 43 所示） 。4．運(yùn)動平穩(wěn)性好 滾珠絲杠傳動副是點(diǎn)接觸滾動傳動，工作摩擦阻力小、傳動靈敏度高、較低速時無爬行現(xiàn)象產(chǎn)生，可通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)間隙大小，提高剛度，保證傳動精度，因此可實(shí)現(xiàn)精微進(jìn)給。機(jī)床工作狀況表 41 X、Y 軸滾珠絲杠和伺服電機(jī)的選擇與計算1．計算絲杠的導(dǎo)程 maxhVPin?? （41）其中： :絲杠導(dǎo)程 max(),V：工作臺移動的最大速度 (/min) max：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 /in)r，取值為 max30r?； i：傳動比，取值為i＝1/3；由表41得 max6/iV? 代入式41得：130hP? 圓整取 6h?吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院272．確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量載荷(1)各種切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速 310iihVnP?? （42）式中： i：絲杠轉(zhuǎn)速（r/min） i＝1，2，…，n i：進(jìn)給速度（m/min） i＝1，2，…，n由表41得 V＝ ＝ 3V＝ 4＝12代入式42得： 1＝2 2＝1 ＝ n＝1200(2)各種切削方式下絲杠軸向載荷 12()iXi ZiFPWP???? （43）式中： i:絲杠軸向載荷（N） i＝1，2，…，n Xi：縱向切削力（N） i＝1，2，…，nYiP：垂向切削力（N） i＝1，2，…，n由表41得 X=3000 2XP=2022 3X=1200 4XP=0 1Y=3000 Y=2022 Y=1200 Y=0已知升降臺重量 W＝2500N，刀架重量 2W＝1500N，代入43中得： 1F＝7910N 2＝3390N 3F＝2600N 4＝1800N當(dāng)量轉(zhuǎn)速 12022nmtttn