【正文】 ....................9 交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性 ..................................................................9 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性 .................................9 交流伺服主軸裝置的特性 ....................................10 主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口 ....................................10 主軸驅(qū)動(dòng)裝置的選型 ....................................13 主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用范圍 ...................................13 功率選擇 ..................................................15 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng) ........................................................................15 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 ..................................16 主軸的傳動(dòng)方式 ............................................16 主軸換擋 ..................................................17 主軸定向功能 ..............................................18 主軸進(jìn)給功能 ..............................................21 本章小結(jié) ...........................................................................................22第四章 X5032 立式銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .......................................23 伺服進(jìn)給系統(tǒng)基礎(chǔ) ......................................23 滾珠絲杠螺母副 ........................................24 X5032立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)的改造思路 ......................25 進(jìn)給部件的配置計(jì)算與選配 ...........................................................26 X、Y 軸滾珠絲杠和伺服電機(jī)的選擇與計(jì)算 ......................26 Y、Z 軸絲杠和伺服電機(jī)選擇與計(jì)算 [4]..........................35 本章小節(jié) ............................................................................................35第五章 X5032 立式銑床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................37 華中世紀(jì)星 21M數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ............................37 數(shù)控電氣系統(tǒng)的組成及連接 ..............................37 主控電路的設(shè)計(jì) ........................................39 數(shù)控系統(tǒng)中的 PLC程序設(shè)計(jì) ..............................41 數(shù)控系統(tǒng)中 PLC 的作用 ......................................41 X5032 銑床數(shù)控系統(tǒng) PLC 控制框架設(shè)計(jì) .........................42 系統(tǒng)調(diào)試與誤差補(bǔ)償 ........................................................................43 HNC21M 系統(tǒng)調(diào)試步驟 .......................................43 改造后數(shù)控系統(tǒng)的初上電 ....................................44 PLC 編制程序的調(diào)試 .........................................44 華中 HNC21M 參數(shù)設(shè)定 ......................................44 本章小結(jié) ............................................................................................48第六章 結(jié)論和展望 .....................................................................................49 結(jié)論 ......................................................................................................49 操控性與機(jī)床精度方面 ......................................49 加工范圍與經(jīng)濟(jì)性方面 ......................................49 工作展望 ..............................................................................................50參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................52致謝 ..................................................................................................................53吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院I摘 要本文從經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠性等方面考慮對(duì) X5032 普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控改造立項(xiàng)研究時(shí)，結(jié)合 X5032 型立式銑床進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、電路改造設(shè)計(jì)、PLC 設(shè)計(jì)與編程、數(shù)控裝置分析、計(jì)算以及選型匹配。華中數(shù)控系統(tǒng)由輸入輸出模塊、主軸變頻驅(qū)動(dòng)模塊、三軸伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)控傳遞模塊、潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)等模塊。數(shù)控機(jī)床己經(jīng)覆蓋金屬切割機(jī)床的大多數(shù)品種，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供了一批先進(jìn)適用的技術(shù)裝備。我們提出的對(duì) X5032 型銑床的數(shù)控改造是一個(gè)典型的銑床數(shù)控化改造實(shí)例，對(duì)于提升機(jī)械加工生產(chǎn)效率，改善操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高零件加工精度與生產(chǎn)效益吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2具有重要的意義，能夠創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)前，針對(duì)陳舊普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造國(guó)內(nèi)、外還未有統(tǒng)一的方法，這樣，怎樣針對(duì)企業(yè)的陳舊機(jī)床的現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)控化改造是研究的主要內(nèi)容。綜合所述，對(duì) X5032 普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造，既可保證實(shí)際生產(chǎn)上需要，又在技術(shù)性上也更具有可操作性，并且經(jīng)濟(jì)性上更是合理可行的。4．在改造過(guò)程進(jìn)行之后，進(jìn)行機(jī)床進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的 PLC 調(diào)整與誤差補(bǔ)償操作。具有性能/價(jià)格比高，操做簡(jiǎn)便等特點(diǎn) [3]：X、Y 和 Z 軸進(jìn)給軸的定位精度 m30/4.?。當(dāng)前，生產(chǎn)數(shù)控裝置的企業(yè)比較多，國(guó)內(nèi)外著名數(shù)控裝置品牌有：SIEMENS、NUM、法道、FANUC、北京凱恩帝、華中數(shù)控公司等。主處理器 CPU 能高實(shí)現(xiàn)加速及制動(dòng)控制。因此，像數(shù)控銑床這樣的要求具備大功率、大轉(zhuǎn)矩機(jī)床，不適合用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行銑床數(shù)控化改造 [4]。而采用交流變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。優(yōu)點(diǎn)如下：（1）機(jī)床運(yùn)行可靠，物理接線少，PLC 有斷電保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、故障檢測(cè)與診斷等功能，能夠提供多種安全保障。主運(yùn)動(dòng)采用無(wú)級(jí)變速，優(yōu)點(diǎn)是銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸小，所占空間小，且質(zhì)量輕，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)行程尺寸小?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸傳動(dòng)提出較高的要求：1. 較寬調(diào)速范圍能夠滿足加工時(shí)選用合適的切削用量，以獲取較高的生產(chǎn)率、較高加工精度與較低的表面粗糙度值。電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)域在基本速度以上，其恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域在基本速度以下。圖31是主軸裝置(變頻器)最基本的接口圖，如圖所示采用三相交流380V電源吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院11供電；速度指令由3腳輸入，指令電壓范圍是直流0~10V；主軸電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)／停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部開(kāi)關(guān)OV控制，當(dāng)5閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，打開(kāi)反轉(zhuǎn)，當(dāng)6閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)則停止轉(zhuǎn)動(dòng)。很多主軸驅(qū)動(dòng)裝置也接收 10~V??模擬電壓以及20~mA??作為速度指令，其中信號(hào)幅值控制轉(zhuǎn)速，信號(hào)極性控制旋轉(zhuǎn)方向[32]。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置和主軸驅(qū)動(dòng)裝置有相互融合的趨勢(shì)，即主軸驅(qū)動(dòng)裝置的位置控制功能和精度開(kāi)始接近進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，另一方面進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)特性，高速特性開(kāi)始接近主軸驅(qū)動(dòng)裝置。這種方案適用于需要無(wú)級(jí)調(diào)速但對(duì)低速和高速都不要求的場(chǎng)合，例如數(shù)控鉆銑床。電主軸電主軸是主軸電動(dòng)機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)器可以是變頻器或主軸伺服，也可以不要驅(qū)動(dòng)器。如圖35，主軸電機(jī)的額定功率是指在恒功率區(qū)(轉(zhuǎn)速n1到n2)內(nèi)加工運(yùn)行時(shí)的輸出功率，低于額定轉(zhuǎn)速n1時(shí)是達(dá)不到額定功率的，轉(zhuǎn)速越低，輸出功率就越小。盡量用同一廠家的或符合本單位使用習(xí)慣的產(chǎn)品，有利于設(shè)備的維修和維護(hù)。具務(wù)高的精度與剛性，傳動(dòng)平穩(wěn)。良好的熱穩(wěn)定性與抗振性。不足之處是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備體積龐大，設(shè)計(jì)制造成本較高。此加工藝不僅切削效率高，且具有加工表面粗糙度值低、切削溫度低和延長(zhǎng)刀具使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) [22]。采用無(wú)級(jí)調(diào)速主軸機(jī)構(gòu)，雖然主軸箱結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，但低速段輸出轉(zhuǎn)矩不理想。3．電磁離合器自動(dòng)換擋電磁離合器是為便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，而采用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)行元件的電磁控制機(jī)構(gòu)。為保證順利換刀，主軸必須具有準(zhǔn)確定位于圓周上預(yù)設(shè)定角度的功能。若接收到取消主軸定向的指令(如M20)則控制定位銷退回，檢測(cè)到定位銷退回到位的回答信號(hào)后，表示主軸定向取消的指令完成。但數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家常把電氣準(zhǔn)停作為選擇功能，訂購(gòu)電氣準(zhǔn)停附件需另加費(fèi)用。數(shù)控系統(tǒng)定向定向功能是由數(shù)控系統(tǒng)完成，定向時(shí)數(shù)控系統(tǒng)按進(jìn)給系統(tǒng)的控制方式控制主軸工作在位置控制模式下。主軸進(jìn)給功能按功能劃分一般有下列幾種實(shí)現(xiàn)方法：l、機(jī)械式通過(guò)安裝在主軸上的分度齒輪實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)分度，一般可以實(shí)現(xiàn)主軸每圈360分度。這種方式省去了附加的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，另外主軸的兩種工作方式可以隨時(shí)切換，從而提高了加工效率，是現(xiàn)代中小型車削中心主要采用的方法。數(shù)控裝置 驅(qū)動(dòng)電路 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 臺(tái)編碼器圖 41 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)2．半閉環(huán)方式 此系統(tǒng)檢測(cè)元件裝在電機(jī)軸或絲杠軸的端部，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)軸或絲杠傳動(dòng)軸的角位移、角速度來(lái)間接確定移動(dòng)部件的位置（如圖 42 所示） 。2．無(wú)自鎖性 垂直（Z 軸）傳動(dòng)使用滾珠絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，一定要在系統(tǒng)中附加自鎖（或制動(dòng)）裝置。這樣做的好處有：1．避免絲杠因自重而產(chǎn)生變形；2．提升絲杠的拉壓剛度。② (1/4~5)m??位。??絲 杠 膨 脹 系 數(shù) ， 。cK：查 (/)Nm?樣 本 剛 度 ， 查 取 ： 39。Z 軸選擇滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副的規(guī)格代號(hào)為： 53104/870FZDP??，交流伺服電機(jī)型號(hào)為： 7GM。最適合于數(shù)控車床、銑床的數(shù)控化改造。 數(shù)控電氣系統(tǒng)的組成及連接數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置組成元素有：數(shù)控裝置、可編程控制器（PLC）及強(qiáng)電控制器、輸入輸出單元、伺服驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)與電機(jī)等。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)源。同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)又將接收到的位置檢測(cè)的信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)而及時(shí)修正，指令終端執(zhí)行元件的速度與位移控制，完成運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)精確定位。1．輸入/輸出單元輸入/輸出裝置的作用是輸入與輸出零件的加工程序、加工的信息的顯示等。2．彩色液晶顯示屏，中文操作界面、故障診斷與超程報(bào)警、具備零件加工軌跡圖形顯示和加工仿真，操作簡(jiǎn)便，易于使用。 本章小節(jié)根據(jù)改造后機(jī)床要達(dá)到的精度和用戶的要求確定合適的數(shù)控系統(tǒng)控制方式，本次改造采用半閉環(huán)控制，其特點(diǎn)是控制精度高，調(diào)試與安裝方便。得： minin11sbcK??in /??maxax11sbcK??ax 1/??②傳動(dòng)系統(tǒng)剛度校核 要求軸向最小傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的影響； 00min1..ssFW???? （419）式中 0： 導(dǎo) 軌 靜 摩 擦 阻 力 （ N） ， ???： 靜 摩 擦 系 數(shù) ， 取 。 (2~4)uk n? ?工 作 臺(tái) 行 程 ()+螺 母 長(zhǎng) 度 查 樣 本 為 175m,L 6hPm得 12075643()u??得 .??????（2）預(yù)拉伸力 dIAEFttL???? （411）式中： t：預(yù)拉伸力（N） ，d 2：滾珠絲杠副