【正文】 珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副；并且利用 PLCTOWRU14的遠(yuǎn)程輸入/輸出模擬量控制模塊來實(shí)現(xiàn)伺服進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)控制功能。 數(shù)控系統(tǒng)及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇1．?dāng)?shù)控系裝置的選配進(jìn)行數(shù)控機(jī)床改造時(shí)，選擇合適的數(shù)控裝置很重要，如果選擇性能過高的數(shù)控裝置，改造成本就會(huì)增加，反之，改造后的機(jī)床性能過低，就不能夠滿足使用的需要，因此就必要結(jié)合改造后機(jī)床的使用范圍要求的技術(shù)要求進(jìn)行數(shù)控裝置的合理選用。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(qiáng)，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)具有比較齊全的基本功能和選項(xiàng)功能。目前常見系列有: PowerMate 0、CNC 0M、0i、CNC 16i/18i 等系列 [4][5]。主要特點(diǎn)是：(1)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè) PC，低價(jià)格、高性能、結(jié)構(gòu)緊湊。進(jìn)給速度高，機(jī)床位置控制分辨率高。(3)數(shù)控機(jī)床操作簡(jiǎn)單，編程容易。結(jié)合國(guó)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。使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將導(dǎo)致機(jī)床的快速性性能降低。同時(shí)又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)過載能力極差，高速時(shí)易丟步。而采用半閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)，則調(diào)速范圍寬，抗過載能力又強(qiáng)，并且采用了反饋控制技術(shù)，可動(dòng)態(tài)修正運(yùn)行過程中的誤差，因此性能勝于開環(huán)控制。而采用閉環(huán)控制的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)，會(huì)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。經(jīng)過綜合分析，本次數(shù)控化改造采用華中 HNC21M 數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制方案。在無級(jí)調(diào)速的機(jī)械、液壓和電氣等多種形式中，通常都采用交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力源的調(diào)速系統(tǒng)。為了確保 X5032 普通銑床中速時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和加工精度而采用交流變頻調(diào)速。該驅(qū)動(dòng)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)。其三是主軸的控制工作由選配的數(shù)控系統(tǒng)來控吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院7制實(shí)現(xiàn)；雖然第一個(gè)方案成本較低，但因原機(jī)床電氣老化、故障幾率高，所以適合采用。第二個(gè)方案是用 PLC 控制進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的改造。（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。綜合所述，本次改造主軸電氣控制采用 PLC控制方案。1805HSV?全數(shù)字交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元采用專用運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字信號(hào)處理器 )(DP、可編程邏輯陣列 )(PGA和智能化功率模塊 )(IP等先進(jìn)技術(shù)，具備有 A025等多種應(yīng)用規(guī)格，具有很寬選擇范圍的功率，完成對(duì)交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。 X5032立式銑床數(shù)控改造的總體方案該數(shù)控銑床采用立式布局，總體布局簡(jiǎn)圖如圖 21 所示。X 向、Y 向運(yùn)動(dòng)都是由工作臺(tái)通過伺服電機(jī)加滾珠絲杠傳遞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。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(duì)機(jī)床的最有效控制，可以方便操作人員的操作機(jī)床 [4]。X5032 立式銑床的數(shù)控化改造采用無級(jí)變速的好處在于切削加工中獲取合理的切削速度；能實(shí)時(shí)變速于切削加工中，能夠?qū)崿F(xiàn)大銑削量時(shí)的恒速切削要求，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院9第三章 X5032 立式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造在X5032立式銑床的數(shù)控化改造過程中，應(yīng)當(dāng)注重決定機(jī)床性能的主軸及其PLC控制系統(tǒng)選擇。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。在無級(jí)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。但由于主軸電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的限制，主軸在低速段均不能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。 交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性數(shù)控改造選用的主軸變頻驅(qū)動(dòng)器要與交流主軸電動(dòng)機(jī)相適應(yīng)，交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性如表31所示?？沙惺艿倪^載時(shí)間為幾分鐘至半個(gè)小時(shí) [5]。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(dòng)態(tài)降速時(shí)間，主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在5ms以下。 主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置有許多類似，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置具備的接口，在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上一般都可以找到，只是不同廠家不同檔次的主軸驅(qū)動(dòng)裝置所包含的接口類型不同，因此，主軸伺服裝置的接口類型比變頻器的接口要豐富；矢量控制功能的變頻器比簡(jiǎn)易型變頻器接口種類多。因此，在接口上主軸驅(qū)動(dòng)裝置又具有自身的特點(diǎn)。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。采用有反饋矢量控制的變頻器以及主軸伺服驅(qū)動(dòng)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。為吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院12了實(shí)現(xiàn)大功率輸出，主軸驅(qū)動(dòng)裝通常采用不低于230V的三相交流電源，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置多采用不高于220V的三相交流電源；變頻器通常電源電壓范圍比較寬，如230~400V，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置電源電壓一般要求是固定的。而主軸電動(dòng)機(jī)主要用于速度控制，因此主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般都具備和采用0~10V模擬電壓作為速度指令，由開關(guān)量控制旋轉(zhuǎn)方向，而不提供脈沖指令輸入接口。當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)廠家和型號(hào)的不同，主軸驅(qū)動(dòng)裝置也可以支持脈沖指令、總線、RS23RS42RS485及網(wǎng)絡(luò)等控制接口。而且主軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置的‘方向’控制接口多是和‘脈沖’信號(hào)一起出現(xiàn)的，多是DC5V數(shù)字信號(hào)；主軸一般都提供單極性模擬電壓信號(hào)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置提供的模擬控制接口多是雙極性的。反饋接口由于主軸對(duì)位置控制的精度并不非常高，因此對(duì)與位置控制精度密切相關(guān)的反饋裝置要求也不高，主軸電動(dòng)機(jī)或主軸多數(shù)采用1000線的編碼器，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)則至少采用2022線的編碼器，有些進(jìn)給電動(dòng)機(jī)編碼器可多達(dá)10萬線。而主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般不具備絕對(duì)式編碼器接口和第二編碼器接口。目前已經(jīng)有一些這樣的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，以國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控HSV20S/D系列伺服驅(qū)動(dòng)為例：電源采用三相交流380V，同時(shí)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(dòng)機(jī)、專用變頻電動(dòng)機(jī)，也支持永磁同步伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和主軸伺服電動(dòng)機(jī)。由此從硬件上已很難定義它是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置還是主軸驅(qū)動(dòng)裝置。 主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用范圍l、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配齒輪變速箱這是一種最經(jīng)濟(jì)的改造方法，但只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，因電動(dòng)機(jī)一直工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)變速齒輪減速后，從主軸輸出端低速下輸出力矩大，超強(qiáng)切削能力高，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院14比較適于粗加工與半精加工。普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配簡(jiǎn)易型變頻器可以實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速，但主軸電動(dòng)機(jī)只有工作在約500轉(zhuǎn)/分鐘以上才能有比較好的力矩輸出，否則，特別是銑床很容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，一般會(huì)采用兩擋齒輪或皮帶變速，但主軸也只能工作在中高速范圍，此外，因受到普通電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，主軸的轉(zhuǎn)速范圍受到較大的限制。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的此種簡(jiǎn)易型變頻器非常多。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(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)今生產(chǎn)通用變頻器的廠家主要有西門子、日立、富士、三菱等外國(guó)公司。伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動(dòng)換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對(duì)主軸位置控制性能要求很高的加工。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而簡(jiǎn)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(shí)功率也不大，一般在l0KW以下。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。選型的目的是為符合整機(jī)設(shè)計(jì)的需要，從而適應(yīng)生產(chǎn)的需要。 功率選擇輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。要求滿足主軸低速時(shí)的功率規(guī)格，一般采用齒輪箱或皮帶變速，此時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。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。為了保證電動(dòng)機(jī)的輸出功率，在選型時(shí)一般選擇驅(qū)動(dòng)器的功率比電動(dòng)機(jī)要大一擋，例如，選擇5．5KW的驅(qū)動(dòng)器配4KW的電動(dòng)機(jī)。圖 35 主軸電機(jī)的功率特性在考慮本單位的使用習(xí)慣和設(shè)備的用途之后再來選擇具體的型號(hào)。 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是指主軸電動(dòng)機(jī)至主軸的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。主軸的運(yùn)動(dòng)也是機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)之一。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院16 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求l、具備大調(diào)速范圍與無級(jí)調(diào)速。尤其對(duì)于加工中心、車銑中心以及一些專用數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)各種工序以及各種加工材料的要求，主軸系統(tǒng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。通常采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)。應(yīng)采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提升主軸的組件的剛性。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動(dòng)，采用內(nèi)徑定心與側(cè)面定心的花鍵更有利于降低噪聲 [4]。數(shù)控機(jī)床加工中，會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)切削、余量不均、運(yùn)動(dòng)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(dòng)，最終影響加工精度和表面質(zhì)量，更嚴(yán)重時(shí)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。因此，主軸組件要有較高的固有頻率，較好的動(dòng)平衡，且要保持合適的配合間隙，并應(yīng)進(jìn)行充分的潤(rùn)滑。兩級(jí)以上變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多種變速方式，常采用由1~2對(duì)齒輪降速，目的是降低速度，提升輸出扭矩。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，并且具有寬范圍調(diào)節(jié)速度的能力。維修與維護(hù)也較困難。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院17一級(jí)變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)目前多采用同步齒形帶傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低、安裝調(diào)試方便。此傳動(dòng)方式適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的機(jī)床主軸傳動(dòng)，傳動(dòng)中能夠減少傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲等對(duì)機(jī)床工作精度危害不利因素 [7]。此工藝的切削速度比常規(guī)的要高幾倍到十多倍，如高速銑削鋁合金件時(shí)的最高切削速度可達(dá) 250~4/min；加工鋼件為 40~2/min；加工鑄鐵為800~2400m/min，進(jìn)給速度也可以相應(yīng)提高很多倍。高速切削一般采用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。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(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配工藝要求非常高。對(duì)于普通三相異步主軸電動(dòng)機(jī)，通常其轉(zhuǎn)速是固定的。對(duì)于采用交流伺服電機(jī)的主軸電動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速。因而數(shù)控機(jī)床常采用無級(jí)調(diào)速與l~4擋齒輪變速相結(jié)合的調(diào)速方式，也就是所謂分段無級(jí)變速方式，同時(shí)滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求 [6]。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)加工的過程中不能通過數(shù)控系統(tǒng)或PLC自動(dòng)改變主軸速度。但是在停車時(shí)撥動(dòng)滑移齒輪嚙合，有可能出現(xiàn)“頂齒”的現(xiàn)象。每個(gè)齒輪到位后必須有到位檢測(cè)元件檢測(cè)，以確保主軸換擋成功 [12]。與第二種方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于使用電磁離合器能夠簡(jiǎn)化換擋機(jī)構(gòu)。主軸的自動(dòng)換擋由M41~M44代碼或S指令根據(jù)速度范圍啟動(dòng)更換相應(yīng)的擋位，自動(dòng)換擋控制的具體實(shí)現(xiàn)一般由PLC來完成。 主軸定向功能主軸定向功能又稱為主軸準(zhǔn)停功能，即當(dāng)主軸停止時(shí)能控制其以一定的力矩準(zhǔn)確地停止于固定位置。在自動(dòng)換刀的鏜銑加工中心上，切削時(shí)的切削轉(zhuǎn)矩不能完全靠主軸錐孔的摩擦力傳遞，因此通常在主軸前端設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)凸鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與此凸鍵對(duì)準(zhǔn)。其次，當(dāng)鏜削內(nèi)孔退刀時(shí)，為防止刀具因彈性恢復(fù)拉傷已加工的內(nèi)孔表面，必須先讓刀再退刀，而讓刀時(shí)刀具必須具有定向功能，加工中心的主軸定向方法有機(jī)械式和電氣式兩種。此方法定向可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，定向較慢。定向過程一般由可編程控制器來處理，有些也由數(shù)控裝置完成。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，為防止定位銷提前頂死主軸而使定向失敗，定位銷伸出的同時(shí)也可以不停止主軸，而是待定位銷到位后立即停止主軸。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(cè)信號(hào)，并且必須和主軸的運(yùn)行有互鎖關(guān)系，即： (1)主軸以非定向速度旋轉(zhuǎn)時(shí)不得伸出定位銷； (2)若定位銷退回到位信號(hào)無效則禁止主軸旋轉(zhuǎn)； (3)若定位銷伸出到位信號(hào)無效則禁止換刀動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。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(gè)位置控制環(huán)。電氣定向控制一般應(yīng)用于中、高檔數(shù)控機(jī)床特別是加工中心，采用電氣定向控制有如下優(yōu)點(diǎn)：1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要定向的機(jī)械部件。采用電氣定吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院20向，可以在主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)完成，大大縮短了定向時(shí)間；3)可靠性較高由于控制主軸定向的全是電子部件而無需復(fù)雜的機(jī)械、開關(guān)、液壓缸等裝置，也沒有機(jī)械定向所形成的機(jī)械沖擊、磨損，因而定向控制裝置的壽命與可靠性大大增加；4)控制簡(jiǎn)單易行通常只需要主軸定向指令信號(hào)、定向完成回答信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)主軸定向控制；5)性能價(jià)格比提高由于簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電控制邏輯，成本大大降低。但從整體來看，性能價(jià)格比大大提高。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(dòng)器共同完成，這與機(jī)械定向的控制原理過程相似。主軸控制單元連接到經(jīng)放大器后磁性傳感器信號(hào)，當(dāng)主軸需要定位準(zhǔn)停時(shí)即進(jìn)行控制，其步驟如下：1)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)或停止時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出定向指令后，立即控制主軸加速或減速至某一定向速度；2)主軸到達(dá)定向速度并且檢測(cè)到定向位置信號(hào)時(shí)，立即控制主軸停止，并向主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位控工作模式指令，主軸驅(qū)動(dòng)器控制主軸電動(dòng)機(jī)在位控模式下靜止鎖死。這種定向方式參考位置和定向位置都是由磁性傳感器決定，受磁性傳感器的精度及磁性體回轉(zhuǎn)半徑影響，定向質(zhì)量一般不是很高。某些數(shù)控機(jī)床采用永磁式交流伺服電動(dòng)機(jī)作為主軸電動(dòng)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(shí)工作在位控模吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院