【正文】 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。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。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)源。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。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。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。 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。8．可存貯大量的加工程序，不需DNC。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。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。最適合于數(shù)控車床、銑床的數(shù)控化改造。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(cè)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)。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(dòng)構(gòu)件的選擇、伺服電機(jī)的選擇與選擇中的注意事項(xiàng)。 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。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。最終選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 194/80P??。A則： ?????故： min9K?滿足剛度要求③ 傳 動(dòng) 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(dòng) 量 。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 。cK：查 (/)Nm?樣 本 剛 度 ， 查 取 ： 39。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。QdZ?max:F最 大 軸 向 負(fù) 載 （ N） ，max3~4F取 為 預(yù) 加 負(fù) 載 的 倍 ， max43501FN?。 (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：滾珠絲杠副螺紋底徑（mm） E： 楊 氏 彈性模量 ? 已知條件：d 2=25mm， 52./代 入吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院31 ???8．確定支承軸承的代號(hào)與規(guī)格軸 承 所 承 受 的 最 大 軸 向 載 荷 maxaxBtF?? （ 412）其中： tF滾珠絲杠副的預(yù)緊拉伸力 ()max：最大軸向負(fù)載力 (N)已知 7910?， 365t?代入式 412 中得： max156BN?F選用米思米向心帶座推力軸承 704查產(chǎn)品參數(shù)得： max16aBN??C=2F9．選配伺服電機(jī)選擇伺服電機(jī)時(shí)，主要考慮三個(gè)選配要求：即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩即要大于最大切削負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量要與負(fù)載慣量相匹配；快速移動(dòng)時(shí)的伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩控制。??絲 杠 膨 脹 系 數(shù) ， 。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]。預(yù)緊力通常不應(yīng)超過最大軸向負(fù)載的 1/3~1/4。已知重復(fù)定位精度20um,定位精度30um，故：① 5m?? ② 6m?最終的取值為 ?（2）最小底徑計(jì)算 [4][5]取兩端固定的支承形式來計(jì)算絲杠要求預(yù)拉伸，公式如下： 0min1mFLdE??? （48）已知行程為 2，工作臺(tái)對(duì)絲杠的正壓力 2150WN?，靜摩擦系數(shù)0=.?則： ?????5．滾珠絲杠的型號(hào)的確定（1）預(yù)緊方式：內(nèi)循環(huán)法蘭式雙螺母墊片預(yù)緊結(jié)構(gòu)。② (1/4~5)m??位。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 。它影響重復(fù)定位精度。改造后機(jī)床定位精度達(dá)到 3/0m?， 全 行 程 ，重復(fù)定位精度m，其它參數(shù)見下表 41。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。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） 。 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(tái)、主軸箱等的基礎(chǔ)上對(duì)主軸及三個(gè)軸吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院25向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控化改造，改造時(shí)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(tái)右、前、下方軸的尾端，應(yīng)用無級(jí)調(diào)速。因此可達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。2．無自鎖性 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。為使?jié)L珠與滾道間無間隙合，可使用預(yù)緊裝置。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院24數(shù)控裝置 驅(qū)動(dòng)電路 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 臺(tái)編碼器 直 線 位 移 檢 測(cè) 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(dòng)摩擦。但相比開環(huán)系統(tǒng)控制精度有很大的提升。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，通過檢測(cè)電機(jī)軸或絲杠傳動(dòng)軸的角位移、角速度來間接確定移動(dòng)部件的位置（如圖 42 所示） 。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)。本部分內(nèi)容對(duì)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(dòng)系統(tǒng)改造的方案設(shè)計(jì)與相關(guān)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)的選擇等。 本章小結(jié)數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)，可以運(yùn)行穩(wěn)定性與操作性，使機(jī)改造后的床獲得技術(shù)提升。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。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。因伺服電機(jī)的輸出功率通常都要比主軸電動(dòng)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22為了防止主傳動(dòng)和C軸傳動(dòng)之間產(chǎn)生干涉，兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的切換機(jī)構(gòu)裝有檢測(cè)開關(guān)，利用開關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，識(shí)別主軸的工作狀態(tài)。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。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。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(dòng)機(jī)本身編碼器將信號(hào)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(dòng)鏈的精度會(huì)對(duì)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(shí)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。采用此種控制方式應(yīng)注意：1)數(shù)控系統(tǒng)必須具有主軸閉環(huán)控制功能或位置環(huán)控制功能。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。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。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(gè)磁性傳感器元件。目前電氣定向通常有磁傳感器定向、編碼器定向和數(shù)控系統(tǒng)定向三種。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，訂購電氣準(zhǔn)停附件需另加費(fèi)用。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(jiǎn)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)。為能進(jìn)行主軸位置檢測(cè)，需要采用磁性傳感器或位置光電編碼器等檢測(cè)元件。機(jī)械準(zhǔn)停還有其他方式，如端面螺旋凸輪等，它們的定向過程和互鎖要求都大致相同。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。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。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(dòng)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(dòng)機(jī)編碼器和主軸驅(qū)動(dòng)裝置得到，視主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和主軸驅(qū)動(dòng)器的功能而定。機(jī)械式采用機(jī)械凸輪等機(jī)構(gòu)和無觸點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)進(jìn)行初步定位，然后由定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽完成精定位，換刀或精鏜孔完成后定位銷退出，主軸才可旋轉(zhuǎn)。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。首先，主軸定向是自動(dòng)換刀所必需的功能。對(duì)換擋時(shí)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(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)齒輪的順利嚙合。電磁離合器的缺點(diǎn)是體積大，磁通易使機(jī)械零件磁化，因此在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的并不多。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)。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。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(dòng)齒輪移動(dòng)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。主軸換擋方式通常有以下三種：1．手動(dòng)換擋通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，撥動(dòng)傳動(dòng)齒輪來改變傳動(dòng)比。采用無級(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。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。 主軸換擋主軸換擋是指通過改變主軸電動(dòng)機(jī)至主軸的傳動(dòng)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。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，剛度高，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并且有利于控制振動(dòng)和噪聲．不足之處是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。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]。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。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動(dòng)機(jī)一樣，受制于電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩特性的約束。這種傳動(dòng)方式常用的變速操作方法有液壓撥叉和電磁離合器兩種 [6]。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。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。 主軸的傳動(dòng)方式為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式大致可以分為三類。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱也會(huì)使其中的零部件發(fā)生熱變形，降低傳動(dòng)效率，影響各部件之間的相互位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，也會(huì)造成加工精度誤差。良好的熱穩(wěn)定性與抗振性。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)。也可采用齒型帶。為了提高傳動(dòng)件的制造精度與剛性度，采用齒輪傳動(dòng)時(shí)齒輪齒面應(yīng)采用高頻感應(yīng)加熱淬火工藝以增加耐磨性。具務(wù)高的精度與剛性，傳動(dòng)平穩(wěn)。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。它的運(yùn)行精度與穩(wěn)定性對(duì)零件的加工精度有很大影響。主軸電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源通過此傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生主軸上安裝的刀具的切削力矩和切削速度。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)。具體實(shí)施時(shí)參考生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見。國外主軸驅(qū)動(dòng)器的額定電壓通常是400V，而我國三相交流