【正文】 進給系統(tǒng)的改造過程中的傳動構(gòu)件的選擇、伺服電機的選擇與選擇中的注意事項。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 載 （ N） ，max3~4F取 為 預(yù) 加 負 載 的 倍 ， max43501FN?。預(yù)緊力通常不應(yīng)超過最大軸向負載的 1/3~1/4。它影響重復(fù)定位精度。 X5032立式銑床進給系統(tǒng)的改造思路依據(jù)企業(yè)實際需求，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向運動進行數(shù)控化改造，改造時拆除原機床的進給箱及梯形螺紋絲杠，將伺服電機安裝在原機床工作臺右、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 電 機 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、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、伺服電機的選擇等。因伺服電機的輸出功率通常都要比主軸電動機的輸出功率小，因此，為了提升機床的剛性，從而保證加工產(chǎn)品的精度質(zhì)量。參考點可以由無觸點開關(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，這是因為角度指定由數(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)控制主軸電動機低速轉(zhuǎn)動或振動的方法，實現(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構(gòu)，液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進行。 主軸換擋主軸換擋是指通過改變主軸電動機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)速范圍與電動機一樣，受制于電動機調(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)動裝置的選型與進給驅(qū)動裝置等其他設(shè)備一樣需要遵循經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠和易于操作維護的原則，以整機設(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]。相對于進給驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置的接口具有如下特點： 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)控機床主運動的電動機，可選用感應(yīng)式電動機或永磁式同步電動機 [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行 改造與氣動驅(qū)動控制，選用三菱 280FXNMRL?來進行相關(guān)控制。2．主軸電氣改造方案改造機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)控機床如果配置開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，則常用步進電動機實現(xiàn)進給驅(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實現(xiàn)進給驅(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實現(xiàn)進給驅(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，經(jīng)濟性好，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)控機床的費用。缺點是低速下電機發(fā)熱量大，機械能轉(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)濟型數(shù)控機床，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)備多為普通機床，并且多數(shù)為超年限工作，更有甚者是上個世紀五、六十年代的產(chǎn)品。通過不斷的完善與修正，達到更可靠、安全與穩(wěn)定運行的使用目的需要。主傳動系統(tǒng)設(shè)計拆除機床主軸，重新設(shè)計主軸。去除原機床縱、橫向與垂向的齒輪進給傳動系統(tǒng)、進給手柄等，將伺服電機與滾珠絲杠連接。從而系統(tǒng)地進行了軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試，并對實驗結(jié)果進行全面分析與總結(jié)；并提出了改進的措施。因此，從企業(yè)的實際需求與經(jīng)濟性來看，對普通機床的數(shù)控化改造就顯得尤為重要，主要表現(xiàn)在：1．?dāng)?shù)控機床可加工形狀復(fù)雜的曲線表面零件；2．?dāng)?shù)控機床比傳統(tǒng)機床生產(chǎn)效率可提高 37 倍；3．可有效實訓(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、自動補償、自動保護等多種強大功能，可實現(xiàn)有限時長的無人值守 [1]。但是國內(nèi)的數(shù)控機床的品種和規(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、進給傳動、強電控制與 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 機床數(shù)控化改造總體方案設(shè)計 在原有機床的基礎(chǔ)上進行數(shù)控化改造的總體設(shè)計，然后對原機床的機床布局、結(jié)構(gòu)剛性特征進行分析，確定改造將選用的電機、絲杠等核心零部件的規(guī)格，以及進行伺服進給系統(tǒng)的運動和動力設(shè)計。目前，數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)一般采用交流電機或直流電機的無級調(diào)速系統(tǒng)，優(yōu)點是機械機構(gòu)大幅度減化，易于實現(xiàn)自動調(diào)速、連續(xù)變速和在工作中帶負載變速。因為提高了伺服電機功率、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，考慮到本單位的實訓(xùn)實際與經(jīng)濟性原則，最終擬定采用華中數(shù)控 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)進行原機床的數(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實現(xiàn)伺服驅(qū)動，會造成各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)的技術(shù)難度大，調(diào)試和維護都困難，改造成本過高。該驅(qū)動器使用AC380V 輸入電源，并且具有運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等特點。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床右側(cè)，有利于操作者實現(xiàn)對機床的最有效控制，可以方便操作人員的操作機床 [4]。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸適用于普及型數(shù)控機床，交流伺服主軸則適用于中、高檔數(shù)控機床。具體特性如下：1. ~3倍；2. 運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給驅(qū)動裝置還是主軸驅(qū)動裝置。這是目前經(jīng)濟型數(shù)控機床比較常用的主軸驅(qū)動系統(tǒng)。安裝電主軸的機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，從而提高了主軸電機的低速特性。主軸的運動也是機床的成形運動之一。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，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，有些則通過伺服進給軸接口把主軸當(dāng)作回轉(zhuǎn)進給軸控制；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)若主軸電動機一直工作在位置控制模式下或當(dāng)作一個回轉(zhuǎn)進給軸控制，在定向前，主軸通常需要象進給軸一樣有回參考點的操作，該操作一般在開機時完成即可；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行。當(dāng)C軸工作時，主軸電動機就不能啟動，同樣主軸電動機工作時，進給伺服電動機不能啟動。根據(jù)加工時機床動作的控制需求，進行數(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，確保改造后的機床能夠獲取最佳的使用性能，也能確保機床動作正確實現(xiàn)。 數(shù)控裝置 驅(qū)動電路 步 進 電 機 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．運動平穩(wěn)性好 滾珠絲杠傳動副是點接觸滾動傳動，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)緊機構(gòu)調(diào)節(jié)間隙大小，提高剛度，保證傳動精度，因此可實現(xiàn)精微進給。機床工作狀況表 41 X、Y 軸滾珠絲杠和伺服電機的選擇與計算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