【正文】 載公稱直徑 m導(dǎo)程 外徑 底徑循環(huán)圈數(shù) 動負(fù)載 靜負(fù)載32 6 32 25 圈 2 列 6．滾珠絲杠傳動副預(yù)緊力的計算吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院30當(dāng)選擇預(yù)緊滾珠絲杠傳動副螺母形式時需要計算預(yù)緊力 pF，且其大小必須合理。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(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)間隙大小，提高剛度，保證傳動精度，因此可實現(xiàn)精微進(jìn)給。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)床動作正確實現(xiàn)。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。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)。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。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。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。主軸的運動也是機(jī)床的成形運動之一。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。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。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。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。綜合所述，本次改造主軸電氣控制采用 PLC控制方案。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(hù)都困難，改造成本過高。目前常見系列有: PowerMate 0、CNC 0M、0i、CNC 16i/18i 等系列 [4][5]。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)點是機(jī)械機(jī)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(fù)載變速。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。因此，從企業(yè)的實際需求與經(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(hù)等多種強大功能，可實現(xiàn)有限時長的無人值守 [1]。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。通過不斷的完善與修正，達(dá)到更可靠、安全與穩(wěn)定運行的使用目的需要。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。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?？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)床的費用。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)實現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動。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。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。數(shù)控機(jī)床主運動的電動機(jī)，可選用感應(yīng)式電動機(jī)或永磁式同步電動機(jī) [5]。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]。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。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。也可采用齒型帶。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。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。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(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。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。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。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。它影響重復(fù)定位精度。QdZ?max:F最 大 軸 向 負(fù) 載 （ N） ，max3~4F取 為 預(yù) 加 負(fù) 載 的 倍 ， max43501FN?。本章節(jié)主要介紹了 X5032立式銑床進(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。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)給運動驅(qū)動單元與伺服電機(jī)，實現(xiàn)對位置、速度、角速度等的控制。利用各自控制器內(nèi)的插補運算模塊對輸入的數(shù)控加工的程序進(jìn)行譯碼、編譯等信息處理后，進(jìn)而控制實現(xiàn)刀具軌跡插補運算，通過各軸的驅(qū)動單元、伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號比較，從而控制機(jī)床各個坐標(biāo)軸的位移。X、Y與Z軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用HSV18D全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器和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)動系統(tǒng)。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。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 。為使?jié)L珠與滾道間無間隙合，可使用預(yù)緊裝置。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。3)如取消主軸定向狀態(tài)，只需撤消主軸驅(qū)動器的位控工作模式指令，恢復(fù)到速度工作模式即可。l、機(jī)械定向控制機(jī)械定向一般要求主軸具有無級調(diào)速的功能，接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出定向指令(如M19)后，控制主軸電動機(jī)帶動主軸以可以設(shè)定的定向速度和方向旋轉(zhuǎn)：1)到無觸點開關(guān)有效信號后，停止主軸，主軸電動機(jī)與主軸傳動件依慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，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。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(jī)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(jī)，在撥叉移動滑移齒輪的同時帶動各傳動齒輪作低速回轉(zhuǎn)或振動，滑移齒輪就能夠較順利的嚙合。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。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)。具體實施時參考生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見。伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度高、抗過載能力強的特點，且能實現(xiàn)定向和進(jìn)給功能，但價格也較高，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動系統(tǒng)的23倍以上。另外為了控制的方便許多進(jìn)給驅(qū)動器都有絕對式編碼器接口，功能更強的進(jìn)給驅(qū)動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)動器直接實現(xiàn)全閉環(huán)控制。不同的是：進(jìn)給驅(qū)動裝置主要工作在位置控制模式下，而主軸驅(qū)動裝置主要工作在速度控制模式下；同一臺數(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。本章主要闡述了 X5032 立式銑床傳動運動機(jī)構(gòu)的改造設(shè)計思路，以及改造的總體布局；介紹了通過對交流調(diào)速方案的各類與比較；介紹了伺服驅(qū)動單元的功率計算和型號選擇；以主軸電機(jī)、驅(qū)動模塊的改造方案。第三個方案將主軸電氣進(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。容易造成工件精度誤差，因此對加工精度是不利的。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]。決策使用工控機(jī)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(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計。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，是一個低成本，高回報的普通機(jī)床設(shè)備升級方法。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)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低。使機(jī)床數(shù)控改造后，數(shù)控銑床具備程序存儲和編輯等功能；主軸變頻交流電機(jī)達(dá)到 503000RPM/min 的無級調(diào)速；機(jī)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(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，傳動間隙可以控制等。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。數(shù)控機(jī)床改造的評定指標(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)行全面的評估，給出進(jìn)一步調(diào)整與精度控制的思路與方法。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。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，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)具有比較齊全的基本功能和選項功能。而采用半閉環(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)，則調(diào)速范圍寬，抗過載能力又強，并且采用了反饋控制技術(shù)，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。（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。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。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電源，控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。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(jī)、專用變頻電動機(jī)，也支持永磁同步伺服進(jìn)給電動機(jī)和主軸伺服電動機(jī)。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒有傳動機(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)?，同時功率也不大，一般在l0KW以下。 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)是指主軸電動機(jī)至主軸的運動傳動系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)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(chǎn)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(zhì)量，更嚴(yán)重時甚至?xí)p壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法正常工作。高速切削一般采用內(nèi)裝電動機(jī)的主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。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(jī)構(gòu)。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，并且必須和主軸的運行有互鎖關(guān)系，即： (1)主軸以非定向速度旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)； (3)若定位銷伸出到位信號無效則禁止換刀動作繼續(xù)進(jìn)行。某些數(shù)控機(jī)床采用永磁式交流伺服電動機(jī)作為主軸電動機(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。它的缺點是隨著主軸輸出功率的增加，主軸驅(qū)動系統(tǒng)的成本也急劇增加。3．重復(fù)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。使用以上兩種估測方法確定最小值取為 )(m??單 位 [4]。723/cKNm??； pF： 10pF絲 杠 預(yù) 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