【正文】 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。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(dòng)系統(tǒng)，定向的精度和穩(wěn)定性都不是很高；3)若主軸電動(dòng)機(jī)一直工作在位置控制模式下或當(dāng)作一個(gè)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(diǎn)的操作，該操作一般在開機(jī)時(shí)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。 主軸進(jìn)給功能主軸進(jìn)給功能即主軸的C軸功能，一般應(yīng)用在車削中心和車、銑復(fù)合機(jī)床上。對(duì)于車、銑復(fù)合機(jī)床，則必須要求車主軸在銑狀態(tài)下完成銑床C軸所有的進(jìn)給插補(bǔ)功能。雙電動(dòng)機(jī)切換主軸有兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，平時(shí)由主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)普通主軸的回轉(zhuǎn)功能，需要進(jìn)給功能時(shí)通過液壓等機(jī)構(gòu)切換到由進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，由于進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)工作在位置控制模式下，因此可以實(shí)現(xiàn)任意角度的分度功能和進(jìn)給及插補(bǔ)功能。當(dāng)C軸工作時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)就不能啟動(dòng)，同樣主軸電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。常采用主軸抱閘機(jī)構(gòu)，使得C軸功能啟用時(shí)鎖死主軸，再有就是采用加大進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和主軸之間的機(jī)械降速傳動(dòng)比來擴(kuò)大輸出扭矩的大小。有C軸功能的主軸電動(dòng)機(jī)由主軸電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行定位、分度和進(jìn)給功能。它的缺點(diǎn)是隨著主軸輸出功率的增加，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本也急劇增加。根據(jù)加工時(shí)機(jī)床動(dòng)作的控制需求，進(jìn)行數(shù)控改造的主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(dòng)作正確實(shí)現(xiàn)。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院23第四章 X5032 立式銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造 伺服進(jìn)給系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行部件組成。伺服進(jìn)給系統(tǒng)主要有以下三種控制方式：1．開環(huán)方式 此系統(tǒng)中不帶檢測(cè)裝置，沒有反饋電路，控制指令單方向傳送，數(shù)控系統(tǒng)不能修正終端執(zhí)行件的實(shí)際偏差，控制精度不高（如圖 41 所示） 。系統(tǒng)的控制鏈不包含機(jī)械傳動(dòng)鏈部分，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差仍會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度。 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 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(cè)移動(dòng)部件的位移、方向，來高精度地反饋控制信號(hào)（如圖 43 所示） 。滾珠可在螺母上的返回機(jī)構(gòu)里返回。圖 44 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)與傳統(tǒng)螺旋傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)副相比，特點(diǎn)如下：1．傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá) 90%~97%，耗費(fèi)能量比滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)小，因此能以較小的扭矩得到較大的推力。3．重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿螺母副摩擦較小、運(yùn)動(dòng)副溫升也小、傳動(dòng)無爬行、無間隙。4．運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好 滾珠絲杠傳動(dòng)副是點(diǎn)接觸滾動(dòng)傳動(dòng)，工作摩擦阻力小、傳動(dòng)靈敏度高、較低速時(shí)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(dòng)精度，因此可實(shí)現(xiàn)精微進(jìn)給。使用滾珠絲杠傳動(dòng)，滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置（配合使用相關(guān)尺寸的軸承） 。圖 45 HNC21 采用模擬接口伺服驅(qū)動(dòng)器的連接圖如圖 46 所示，絲杠傳動(dòng)副采用的支承方式為“單推配單推”式。 單 推 單 推工 作 臺(tái)圖 46 單推配單推吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院26 進(jìn)給部件的配置計(jì)算與選配已知機(jī)床參數(shù)資料：Z 升降臺(tái)總重力 NW250?，導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦系數(shù) ??，??，X、Y 軸、Z 軸三個(gè)方向快速進(jìn)給速度 min/5ax?。機(jī)床工作狀況表 41 X、Y 軸滾珠絲杠和伺服電機(jī)的選擇與計(jì)算1．計(jì)算絲杠的導(dǎo)程 maxhVPin?? （41）其中： :絲杠導(dǎo)程 max(),V：工作臺(tái)移動(dòng)的最大速度 (/min) max：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 /in)r，取值為 max30r?； i：傳動(dòng)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(jìn)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(tái)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 12022nmtttnn??… （44）式中： ：當(dāng)量轉(zhuǎn)速（r/min）12,ntt， …，：工作時(shí)間百分比由表41得 1＝10 2t＝40 3t＝40 4t＝10代入式44中得：0401. ??????吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2833312022nmmmmtnttFFn???… （45）當(dāng)量載荷m：當(dāng)量載荷（N） ，則： 3 ????????=1890N3．預(yù)期額定動(dòng)載荷（1）按預(yù)期工作時(shí)間估算 3601mwamhacFfCnL? （46）已知 2h小時(shí)代入式46中得：3 . 38274am N????（2）預(yù)緊滾珠絲杠副的軸向負(fù)載 maxF測(cè)算：maxaeCfF （47）式中： ef—預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，取值 4ef?已知最大負(fù)荷 max7910FN，通過式47得：436amC??則取最大值為： 82amC?4．最小底徑的確定（1）預(yù)算允許的最大變形量 [4]機(jī)床的伺服系統(tǒng)精度大多在空載下檢驗(yàn)。影響重復(fù)定位精度的（1/2～1/3）左右。)5/1~3(??影響定位精度的主要因素是滾珠絲框副的精度、再次是滾珠絲杠副本身的變形和摩擦力矩的變化等方面。使用以上兩種估測(cè)方法確定最小值取為 )(m??單 位 [4]。（2）型號(hào)選擇：由計(jì)算數(shù)據(jù) hP、 amC、 ind的值在米思米（中國(guó)）精密機(jī)械貿(mào)易有限公司的精密滾珠絲杠副產(chǎn)品選擇表中選取 ，其參數(shù)如下：額定負(fù)載公稱直徑 m導(dǎo)程 外徑 底徑循環(huán)圈數(shù) 動(dòng)負(fù)載 靜負(fù)載32 6 32 25 圈 2 列 6．滾珠絲杠傳動(dòng)副預(yù)緊力的計(jì)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(dòng)副螺母形式時(shí)需要計(jì)算預(yù)緊力 pF，且其大小必須合理。如果預(yù)緊力過小則不能確保無間隙傳動(dòng)，如果預(yù)緊力過大則將會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩增大，縮短傳動(dòng)副的使用壽命，也會(huì)降低傳動(dòng)副的工作效率 [4]。 utL???A （410）式中： ：行程補(bǔ)償值（ m?）:t絲 杠 螺 母 副 溫 變 23攝 氏 度 ， 取 為 3度 。:L?滾 珠 絲 杠 的 有 效 工 作 行 程 范 圍 （ ） 。（1）負(fù)載的慣量核算①傳動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ()sJdl kgm? ??????A式中： d 0—滾珠絲杠公稱直徑（mm） ， l—滾珠絲杠長(zhǎng)度（mm）②移動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 wJ212126()()().8hwPJWkg????????A式中 P h：滾珠絲杠副的導(dǎo)程（mm） ，W：升降臺(tái)及工作臺(tái)質(zhì)量（kg）③負(fù)載折合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 rJ21()rSWJi?? )0..5140.).8()kgm??A（2）滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩的計(jì)算①外加載荷的摩擦力矩 ()FTNm?吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院323102hFPT????? (413)式中： h：滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ()m：未預(yù)緊滾珠絲杠傳動(dòng)副的傳動(dòng)效率，此處取 F：添加在滾珠絲杠副上的最大軸向負(fù)載力已知添加在絲杠副最大外加軸向負(fù)載 40FN?， 6hPm?代入式 413 中得：?????A②滾珠絲杠副預(yù)加載荷 FP產(chǎn)生的預(yù)緊力矩 TP（）230phP?? (414)已知 16,.93PhFNm??代入式 414 中得：???A③當(dāng)電機(jī)從靜止升速至 nmax時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩 (.)????A④伺服電機(jī)連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 (.)FTN()()/3MFPTi m????式中： ：傳動(dòng)比，電機(jī)與絲杠為一級(jí)減速 1/3i⑤快速空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 (.)????10．傳動(dòng)剛度計(jì)算（1）絲杠抗拉壓剛度①絲杠最小抗拉壓剛度 ?????吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院33式中 minsK： ?最 小 抗 拉 壓 剛 度 （ N/m)， 2d： 絲 杠 底 徑 （ m） ， 1L： 兩 固 定 支 承 點(diǎn) 間 距 (， ② 絲 杠 最 大 抗 拉 壓 剛 度221max06..4()5. ??????式中 maxs： 最 大 抗 拉 壓 剛 度 （ /u)；2d： (/)N?絲 杠 底 徑 ；1L： 兩 固 定 支 承 點(diǎn) 間 距 （ ） ；0： 螺 母 起 始 點(diǎn) 距 最 近 支 承 點(diǎn) 間 距 （ m）（2）支承軸系剛度①單對(duì)軸承的剛度 *QKdZF?? （416）式中 80： (/)N?單 對(duì) 軸 承 的 剛 度 系 數(shù) ； Qd：向心 推 力 軸 承 滾 珠 直 徑 （ m） ；Z：本案所選向心推力軸承得 1,6。則： ??。 3()?（ 417） 式中 c ?： 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 （ N/m） ；吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院34 39。723/cKNm??； pF： 10pF絲 杠 預(yù) 緊 力 （ ） ， ； aC： 5aC額 定 動(dòng) 載 荷 （ ） ,查 取 ： ； 最終計(jì)算得：136723()20/????； 11．剛度驗(yàn)算及精度的選擇① 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 剛 度 分 析 計(jì) 算 ：11sbcK?? （418）式中： s： 絲 杠 抗 拉 壓 剛 度 系 數(shù) ；b： 支 承 軸 承 組 系 的 剛 度 參 數(shù) ；cK： 滾 珠 與 滾 道 的 接 觸 剛 度 參 數(shù) （ N/um） 。 12： 正 壓 力 ， 滑 座 和 工 作 臺(tái) 給 絲 杠 的 正 壓 力 W=+3N, 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院35s m?： 機(jī) 床 的 反 射 死 角 誤 差 ， 已 知 反 向 差 值 或 重 復(fù) 定 位 精 度 20。 30PV≤ .8dk???（ d為定位精度） ，已給出 30/d??定 位 精 度 值 為 ，得到 p≤ ??；絲杠加工精度取 3 級(jí) 得到 ???⑤ 確 定 滾 珠 絲 杠 螺 母 傳 動(dòng) 副 規(guī) 格 與 代 號(hào)最終確定的型號(hào)為： FZD， 53,6m絲 杠 公 稱 直 徑 尺 寸 為 :導(dǎo) 程 為 :， 螺紋長(zhǎng)度為： 560,78m全 長(zhǎng) 。 Y、Z 軸絲杠和伺服電機(jī)選擇與計(jì)算 [4]Y、Z 軸滾珠絲杠副和伺服電機(jī)的選擇與計(jì)算雷同于 X 軸的相關(guān)選擇與計(jì)算，過程省略。Y 軸選擇滾珠絲杠副的規(guī)格是： 9/6，交流伺服電機(jī)型號(hào)為： 。通過詳細(xì)分析與吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院36計(jì)算，選擇合理的低摩擦系統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)組合件，提升改造后整體數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度高，使該機(jī)床工作的可靠提高。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院37第五章 X5032 立式銑床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次數(shù)控改造采用華中世紀(jì)星21M數(shù)控系統(tǒng)。 華中世紀(jì)星 21M數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介華中世紀(jì)星HNC21數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)有：全中文系統(tǒng)，采用先進(jìn)的開放式體系結(jié)構(gòu)，嵌入式工業(yè)PC，””液晶顯示屏，集成主軸、進(jìn)給軸接口，具備手搖脈沖發(fā)生器接口，使用CF卡存儲(chǔ)方式以及軟驅(qū)、以太網(wǎng)等程序存貯與輸入輸出功能、具有低價(jià)格、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用的特點(diǎn)。HNC21M銑削系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1．最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為6軸。3．采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程，支持常見的CAD／CAM自動(dòng)編程系統(tǒng)。5．具備X、Y、Z各軸反向間隙和單、雙向螺距誤差補(bǔ)償功能。 9．配置RS232通訊接口，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)通訊 [7]。如圖51所示為數(shù)控系統(tǒng)的組成示意圖。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院38本機(jī)改造采用竄口、軟驅(qū)、MDI鍵盤以及計(jì)算機(jī)鍵盤接口并配置液晶顯示器來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出單元的改造。數(shù)控裝置按控制方式可分為兩大類：一是數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制，二是時(shí)序邏輯控制。3．伺服系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)與原機(jī)床本體之間傳動(dòng)聯(lián)系重要環(huán)節(jié)的伺服系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)以及位置檢測(cè)反饋裝置等組成。伺服電動(dòng)機(jī)是終端執(zhí)行元件，HNC21M數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)一系列的處理吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院39與放大后通過伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，指令終端伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)既定的速度要求。4．主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成它是機(jī)床切削加工時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩的主要部件之一。圖52是X5032立式銑床數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)部件連接圖，數(shù)控系統(tǒng)通過“XS30” 、“XS31”、 “XS32”、 “XS33”接口發(fā)送脈沖指令給各軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)也接收來自