X5032普通铣床的数控改造设计含5张CAD图
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共66页)
编号：97007686
类型：共享资源
大小：2MB
格式：ZIP
上传时间：2020-10-05
上传人：QQ14****9609
认证信息
个人认证
郭**（实名认证）
陕西
IP属地：陕西
100
积分
- 关 键 词：
-
X5032
普通
铣床
数控
改造
设计
CAD
- 资源描述：
-
X5032普通铣床的数控改造设计含5张CAD图,X5032,普通,铣床,数控,改造,设计,CAD
- 内容简介：
-
I X5032X5032 普通铣床的数控改造普通铣床的数控改造 摘摘 要要本文主要对 X5230 普通铣床进行改造，首先分析铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，运动和动力参数；根据主参数和改造要求进行主运动系统、进给系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构改造及滚珠丝杠和伺服电机的选型和校核；对于控制系统由于这里的改造要求是经济型数控铣床，所以采用伺服电机控制，计算机系统采用高性价比的 MCS-51 系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计。关键词：关键词： 数控技术；普通铣床；硬件电路II NC transformation of X5032 ordinary milling machine Abstract This article mainly carries on the transformation to the X5230 general milling machine, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the transformation of requirements, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design .Key words: Numerical control technology；General milling machine；Hardware circuitIII目目 录录摘 要 .IVABSTRACT .V绪 论 .1第一章 数控化改造的意义 .2第一节 国内外数控化改造的现状 .2第二节 项目的来源及研究意义 .3第三节 改造方案的可行性分析 .3第四节 本文研究的主要内容 .4第二章 X5032 立式铣床总体设计.6第一节 X5032 立式铣床数控化改造的调查研究与方案设计.6一、国内立式铣床数控改造的成功案例调查 .6三、 主传动轴系统改造方案 .8第二节 X5032 立式铣床数控改造的总体方案.9第三节本章小结 .10第三章 X5032 立式铣床主传动系统的改造.11第一节 交流主轴驱动装置的特性 .11一、 交流变频主轴驱动装置的特性 .11二、 交流伺服主轴装置的特性 .12第二节 主轴驱动装置的接口 .12第三节 主轴驱动装置的选型 .15一、主轴系统的特点和适用范围 .16二 、功率选择 .17第四节 数控机床的主轴系统 .18一、 数控机床主传动系统的要求 .18二、 主轴的传动方式 .19IV三、 主轴换挡 .19四、 主轴定向功能 .20五、 主轴进给功能 .23第五节 本章小结 .24第四章 X5032 立式铣床伺服进给系统的改造.25第一节 伺服进给系统基础 .25第二节 滚珠丝杠螺母副 .26第三节 X5032 立式铣床进给系统的改造思路.27第四节 进给部件的配置计算与选配 .28一、 X、Y 轴滚珠丝杠和伺服电机的选择与计算.28二、 Y、Z 轴丝杠和伺服电机选择与计算.37第五节 本章小节 .37第五章 X5032 立式铣床数控系统设计.39第一节华中世纪星 21M 数控系统简介 .39第二节 数控电气系统的组成及连接 .39第三节 主控电路的设计 .41第四节 数控系统中的 PLC 程序设计 .43一、 数控系统中 PLC 的作用 .43二、 X5032 铣床数控系统 PLC 控制框架设计.44第五节 系统调试与误差补偿 .45一、 HNC-21M 系统调试步骤.45二、 改造后数控系统的初上电 .46三、 PLC 编制程序的调试.46四、 华中 HNC-21M 参数设定 .46第六节 本章小结 .50第六章 结论和展望 .51第一节 结论 .51一、 操控性与机床精度方面 .51二、 加工范围与经济性方面 .51第二节 工作展望 .52V结束语 .53参考文献 .55外文资料 .56中文译文 .59致 谢 .621绪绪 论论 现代机械制造业的一次伟大的革命那就是数控技术的应用及快速发展，东西方工业发达的国家相继都把发展应用数控技术作为工业技术革新的重点战略。当前，数控技术已经广泛应用于在国内的航空军事、机械加工、汽车制造、化工生产、公共交通、医药卫生等领域等方面得到迅速而广泛地应用。数控机床己经覆盖金属切割机床的大多数品种，为国民经济提供了一批先进适用的技术装备。自改革开放以来，我国引进了大量的国外技术与装备，这些设备了普遍存在技术更新的必要。因此就必须大力提倡普通机床的数控化改造。2第第 1 1 章章 数控化改造的意义数控化改造的意义第第 1 1 节节 国内外数控化改造的现状国内外数控化改造的现状现代机械制造业的一次伟大的革命那就是数控技术的应用及快速发展，东西方工业发达的国家相继都把发展应用数控技术作为工业技术革新的重点战略。数控机床的设备状况、机床分布情况，以及制造企业数控机床的拥有量，标志着一个国家工业现代化水平的高低。当前，数控技术已经广泛应用于在国内的航空军事、机械加工、汽车制造、化工生产、公共交通、医药卫生等领域等方面得到迅速而广泛地应用。数控机床己经覆盖金属切割机床的大多数品种，为国民经济提供了一批先进适用的技术装备。随着数控机床应用范围的逐渐扩大，现代机械制造业正面临着解决零件批量小，产品形状复杂，结构多变，加工精度要求却较高的生产工艺要求，所以越来越多的企业将目光投向数控机床设备。这样做一方面造成生产成本的增加，另一方面又造成原有普通机床设备的浪费。因此，从企业的实际需求与经济性来看，对普通机床的数控化改造就显得尤为重要，主要表现在：1数控机床可加工形状复杂的曲线表面零件；2数控机床比传统机床生产效率可提高 3-7 倍；3可有效实训工序的集中，减少零件加工的生产辅助时间；4加工零件的精度高，产品尺寸与形状精度一致性好；5具备自动报警监控、自动补偿、自动保护等多种强大功能，可实现有限时长的无人值守。当前我国大多数企业所使用的加工设备多为普通机床，并且多数为超年限工作，更有甚者是上个世纪五、六十年代的产品。使用这些机床加工出来的产品普遍质量低，成本高，在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响企业生存与发展。自改革开放以3来，我国引进了大量的国外技术与装备，这些设备了普遍存在技术更新的必要。因此就必须大力提倡普通机床的数控化改造。我们提出的对 X5032 型铣床的数控改造是一个典型的铣床数控化改造实例，对于提升机械加工生产效率，改善操作工人劳动强度，提高零件加工精度与生产效益具有重要的意义，能够创造较好的经济效益和社会效益。第第 2 2 节节 项目的来源及研究意义项目的来源及研究意义我国是机械加工机床设备的产销大家。但国内的机床设备产品总体技术水平还很低，在国际上不具备竞争力，占有率也不高。但是国内的数控机床的品种和规格很多。在产品周期进行变换的生产企业，选择一种适应零件加工周期性变化的经济型数控机床，用来确保生产零件的精度，零件尺寸的一致性，提高生产效率。而采用数控机床可以解放一些劳动强度大的手工操作。所以通过普通机床改造而成的经济型数控机床，是一个低成本，高回报的普通机床设备升级方法。因此，我们提出了这一普通机床数控化改造的研究课题。当前，针对陈旧普通机床进行数控化改造国内、外还未有统一的方法，这样，怎样针对企业的陈旧机床的现有设备状态进行数控化改造是研究的主要内容。数控机床改造的评定指标是改造后数控机床的可靠性、可维修性、先进性、经济性等方面；对改造后的数控机床的设备状态、精度与性能、稳定性等方面进行全面的评估，给出进一步调整与精度控制的思路与方法。第第 3 3 节节 改造方案的可行性分析改造方案的可行性分析X5032 立式铣床是 90 年代中期制造的普通机械加工机床，使用了 10 年左右，机床的基础件具有良好的刚性，保持有适当的几何与运动精度，可通过修复和更换，使用性能基本可达到现代同类机床相当的水平，所以对其进行数控化改造的基本硬件基础条件是比较理想的。由于 X5032 普通立铣的适应性差，生产效率低，应用成本高。因此该机床的功能已不能满足市场对新产品的产品质量与生产效率要求。通过机床数控化改造能够效解决这些问题；并且能通过数控化改造提高机床的加工性能与加工范围，提高机床的精4度和加工效率，实现原有生产设备的低成本高效率的数控化改造升级。预计本次数控化改造仅需资金 34 万元，而购买一台类似的国产数控立铣机床却需花费 1520 万元左右，同时又因为购买新设备的供货周期长。数控化改造可以根据企业的实际生产需求合理安排改造时间，在确保生产顺利进行的基础上进行数控化改造，可以达到既保证生产效益，又能控制改造成本的目的。综合所述，对 X5032 普通立式铣床进行数控化改造，既可保证实际生产上需要，又在技术性上也更具有可操作性，并且经济性上更是合理可行的。第第 4 4 节节 本文研究的主要内容本文研究的主要内容普通机床的数控化改造在现今的企业生产实践中，将起到降低成本，提高生产效率的重要作用，然而目前我国企业生产中主要使用的设备仍然是普通机床，仅复杂而精度要求高的零件才使用数控机床。本次改造是在企业的 X5032 型普通铣床上进行。针对数控化改造涉及到主传动、进给传动、强电控制与 PLC 系统、数控装置及元件等内容，开展以下几个方面的工作：1X5032 机床数控化改造总体方案设计 在原有机床的基础上进行数控化改造的总体设计，然后对原机床的机床布局、结构刚性特征进行分析，确定改造将选用的电机、丝杠等核心零部件的规格，以及进行伺服进给系统的运动和动力设计。通过必要的一系列计算，确立选择配件的合理尺寸与规格。2机床改造电气控制系统的选定 结合原有机床条件以及经济型数控机床的控制特点，分析研究本次改造数控系统与强电电路的接口电路。决策使用工控机实现对电路的控制，并将对键盘和显示器接口、操纵按钮及操纵面板进行了规划设计。3制定改造工作过程方案 决策制定后，进行系统软、硬件的联合调试、数控系统中的 PLC 程序设计及调试、数控系统的调试的方案与步骤，确保数控机床的精度与稳定性。4在改造过程进行之后，进行机床进行加工实验，并对实验结果进行综合分析，并对整个系统进行进一步的 PLC 调整与误差补偿操作。通过改进使数控改造扣的机床能够达到更具高效性、更具经济性，功能上也更加强的目的，能够适应企业数控化改造后设备的工作稳定性与加工精度的需要。56第第 2 2 章章 X5032X5032 立式铣床总体设计立式铣床总体设计第一节第一节 X5032X5032 立式铣床数控化改造的调查研究与方案设计立式铣床数控化改造的调查研究与方案设计 一、国内立式铣床数控改造的成功案例调查金属切削机床的主传动是用来实现切削运动中的主要切削运动的传动系统，它必须 具备极高的转速与适当的变速范围，并消耗大量的功，使用各种材质的刀具来加工各种材质的材料、获得相关尺寸精度的零件，并能满足对运动的启止、换向、变速和制动等功能的要求。目前，数控机床的主传动系统一般采用交流电机或直流电机的无级调速系统，优点是机械机构大幅度减化，易于实现自动调速、连续变速和在工作中带负载变速。缺点是低速下电机发热量大，机械能转换率低。为了扩大调速范围，克服无级调速电机的低速下的缺点，以及满足某些低转速、大扭矩的特殊机械使用性能要求，也可以采用齿轮变速与无级调速相结合的调速方式。用华中数控系统改造西安标准工业股份有限公司 XK754 卧式加工中心，更换原机床的所有电气控制系统，包括数控系统，PLC 控制单元，X、Y 和 Z 轴进给伺服系统，主轴控制单元及主轴电机，电气控制柜，操作按钮等。由于采用华中世纪星 HNC-21M 铣削数控系统，具有 7.7 英寸彩色液晶显示器，显示机床的工作状态，并具有实时图形显示功能。具有性能/价格比高，操做简便等特点：X、Y 和 Z 轴进给轴的定位精度。mmmm 300/040. 0X、Y 和 Z 轴进给轴的重复定位精度。mmmm 300/025. 0机床经过改造，可用以加工平面、沟槽、孔以及各类曲面等。因为提高了伺服电机功率、增加输出轴的规格尺寸，改造后的切削用量可以相应增大。可一次完成原本多道工序内容，减小加工辅助时间，提高了产品的技术含量和附加值，并节约了购买新数控机床的费用。7博顺模具制造公司针对一台 X5032 普通立式铣床进行数控化改造，采用数控系统与 X、Y、Z 轴采用伺服驱动系统，将原机DSIEMENS 802UESIMODRIVE 611床的普通传动丝杠更换为精密的滚珠丝杠螺母传动副；并且利用的远程输入/输出模拟量控制模块来实现伺服进给的运动控PLCTPOWERNUM1040制功能。用以满足加工大型零件的工艺要求，全面提升机床的使用性能，满足高效和低成本要求，为扩大公司的产品范围的加工奠定了必要的基础。 二、数控系统及进给伺服驱动系统的选择（一） 、数控系装置的选配进行数控机床改造时，选择合适的数控装置很重要，如果选择性能过高的数控装置，改造成本就会增加，反之，改造后的机床性能过低，就不能够满足使用的需要，因此就必要结合改造后机床的使用范围要求的技术要求进行数控装置的合理选用。当前，生产数控装置的企业比较多，国内外著名数控装置品牌有：SIEMENS、NUM、法道、FANUC、北京凯恩帝、华中数控公司等。FANUC 的数控系统具有高质量、高性能，主要表现在其数控系统大量采用模块化结构，抗干扰能力强，FANUC 系统具有比较齐全的基本功能和选项功能。基本功能完全能满足一般机床的使用要求。目前常见系列有: PowerMate 0、CNC 0-M、0i、CNC 16i/18i 等系列。华中 HNC-21M 型数控装置采用开放式体系结构，内置嵌入式工业计算机，经济性好，在统一的硬件基础上，灵活配置多种功能软件，能够满足各种机床的需要。主要特点是：(1)采用开放式体系结构，内置嵌入式工业 PC，低价格、高性能、结构紧凑。(2) 机床使用性好。进给速度高，机床位置控制分辨率高。主处理器 CPU 能高实现加速及制动控制。(3)数控机床操作简单，编程容易。(4)位移测量、驱动等装置结构紧凑、运行安全可靠。结合国内立铣改造的成功案例，考虑到本单位的实训实际与经济性原则，最终拟定采用华中数控 HNC-21M 数控系统进行原机床的数控化改造。（二） 、伺服驱动系统的选择一台数控机床如果配置开环控制伺服驱动系统，则常用步进电动机实现进给驱动；8如果配置半闭环控制伺服驱动系统，则常用直流或交流伺服电动机实现进给驱动；如果配置全闭环控制伺服驱动系统，则常用直流或交流伺服电动机实现进给驱动。使用步进电动机将导致机床的快速性性能降低。容易造成工件精度误差，因此对加工精度是不利的。同时又因为步进电动机过载能力极差，高速时易丢步。因此，像数控铣床这样的要求具备大功率、大转矩机床，不适合用步进电动机来进行铣床数控化改造。而采用半闭环控制的伺服驱动系统，采用直流或交流伺服电动机，则调速范围宽，抗过载能力又强，并且采用了反馈控制技术，可动态修正运行过程中的误差，因此性能胜于开环控制。而其反馈环节相比闭环控制简单，稳定性好。而采用闭环控制的伺服驱动系统，采用直流或交流伺服电动机实现伺服驱动，会造成各种系统结构复杂，实现的技术难度大，调试和维护都困难，改造成本过高。由于所数控化改造立铣工件的加工精度要求不高，因而没有必要采用闭环系统。经过综合分析，本次数控化改造采用华中 HNC-21M 数控系统的半闭环控制方案。三、 主传动轴系统改造方案（一） 、交流调速的选择数控机床的主运动通常会采用无级变速，优点是具备提供一定合理切削速度的调速范围，并可实时改变转速于运转中。在无级调速的机械、液压和电气等多种形式中，通常都采用交流调速电机作为驱动力源的调速系统。而采用交流变频调速控制，实现对主电机的运动控制。为了确保 X5032 普通铣床中速时的运行稳定性和加工精度而采用交流变频调速。HSV-18S 全数字交流伺服主轴驱动单元是武汉华中数控股份有限公司继 HSV-20S 系列交流伺服主轴驱动单元后推出的高性能交流伺服主轴驱动器。该驱动器使用 AC380V 输入电源，并且具有运行稳定、结构紧凑、性能可靠等特点。（二） 、主轴电气改造方案改造机床的主轴电气控制方案有三种：其一是继续使用原控制系统；其二是用 PLC控制进行电气控制系统的改造。其三是主轴的控制工作由选配的数控系统来控制实现；虽然第一个方案成本较低，但因原机床电气老化、故障几率高，所以适合采用。第三个方案将主轴电气进行数控化改造，改造工作量大，改造生产周期长，经济性不佳。第二个方案是用 PLC 控制进行电气控制系统的改造。优点如下：9（1）机床运行可靠，物理接线少，PLC 有断电保护、实时监测报警、故障检测与诊断等功能，能够提供多种安全保障。（2）适应性好，采用程序控制方式，PLC 控制的灵活性好，可进行人性化设置。（3）功能强大，编程操控简单，使用管理方便。PLC综合所述，本次改造主轴电气控制采用控制方案。在对主轴箱和刀夹头进行PLC改造与气动驱动控制，选用三菱来进行相关控制。PLC280FX NMR PLC全数字交流伺服主轴驱动单元采用专用运动控制数字信号处理器18050HSVS、可编程逻辑阵列和智能化功率模块等先进技术，具备有)(DSP)(FPGA)(IPM等多种应用规格，具有很宽选择范围的功率，完成对交流伺服主轴驱动系统的控A025制。本机采用系列交流伺服主轴电机。7GM第第 2 2 节节 X5032X5032 立式铣床数控改造的总体方案立式铣床数控改造的总体方案该数控铣床采用立式布局，总体布局简图如图 2-1 所示。主运动采用无级变速，优点是铣头的结构尺寸小，所占空间小，且质量轻，进给运动行程尺寸小。X 向、Y 向运动都是由工作台通过伺服电机加滚珠丝杠传递运动实现。垂向运动由 Z 向伺服电机驱动滚珠丝框螺母副实现。操纵箱悬挂安装在机床右侧，有利于操作者实现对机床的最有效控制，可以方便操作人员的操作机床 。图 2-1 铣床改造布局图10第三节本章小结第三节本章小结为了缩短 X5032 立式铣床数控化改造的生产周期，降低改造成本，而将手工变速改为全数控无级变速，这样做的优势在于缩短了数控化改造时间，降低了改造的工作量，从而降低了改造成本。X5032 立式铣床的数控化改造采用无级变速的好处在于切削加工中获取合理的切削速度；能实时变速于切削加工中，能够实现大铣削量时的恒速切削要求，有利于生产效率和加工质量的提高。本章主要阐述了 X5032 立式铣床传动运动机构的改造设计思路，以及改造的总体布局；介绍了通过对交流调速方案的各类与比较；介绍了伺服驱动单元的功率计算和型号选择；以主轴电机、驱动模块的改造方案。11第第 3 3 章章 X5032X5032 立式铣床主传动系统的改造立式铣床主传动系统的改造第第 1 1 节节 交流主轴驱动装置的特性交流主轴驱动装置的特性在X5032立式铣床的数控化改造过程中，应当注重决定机床性能的主轴及其PLC控制系统选择。现代数控机床对主轴传动提出较高的要求：1. 较宽调速范围能够满足加工时选用合适的切削用量，以获取较高的生产率、较高加工精度与较低的表面粗糙度值。恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围达到1：30，一般过载1.5倍时可持续工作达30min以上。主轴变速分为有级、无级和分段无级变速三种形式，多采用无级或分段无级调速。在无级变速中，变频调速主轴适用于普及型数控机床，交流伺服主轴则适用于中、高档数控机床。2. 较宽恒功率范围主轴应该在全速范围内均能提供切削所需的切削功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。但由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均不能实现恒转矩输出。3具有精确位置控制能力为满足刚性攻丝、切削螺纹以及某些特殊加工工艺的要求，主传动轴应具备准停功能。一、 交流变频主轴驱动装置的特性数控改造选用的主轴变频驱动器要与交流主轴电动机相适应，交流变频主轴驱动装置的特性如表3-1所示。电动机的恒功率区域在基本速度以上，其恒转矩区域在基本速度以下。交流主轴电动机的过载能力通常为其正常承载能力1.5倍以上，可承受的过12载时间为几分钟至半个小时。表 3.1 交流变频主轴驱动装置的特性性能指标符号单位数值(例)额定功率NPkW4.530min 额定功率(30min)NPkW5.6基本转速bNr/min1500最高转速maxNr/min4000转速范围Nr/min84000额定转矩NTNm28电动机惯量mJ2kgm0.017电动机重量Wtkg60二、 交流伺服主轴装置的特性数控改造中对交流伺服主轴系统要求较高，除要求切屑功率高、加减速功率强外，还要求具有恒转矩和恒功率特性。具体特性如下：1. 要求转矩抗过载能力达到输出转矩的1.53倍；2. 运行精度和分辨率要求均较高； 3. 需配置较快速的处理器以增强处理信息能力；4. 为保证快速抗干扰能力和动态降速时间，主轴电动机转矩响应在5ms以下。数控机床主运动的电动机，可选用感应式电动机或永磁式同步电动机。第第 2 2 节节 主轴驱动装置的接口主轴驱动装置的接口主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具备的接口，在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家不同档次的主轴驱动装置所包含的接口类型不同，因此，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富；矢量控制功能的变频器比简易型变频器接口种类多。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出功13率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有自身的特点。图3-1是主轴装置(变频器)最基本的接口图，如图所示采用三相交流380V电源供电；速度指令由1、2、3脚输入，指令电压范围是直流010V；主轴电动机的启动停止以及旋转方向由外部开关4、5、OV控制，当5闭合时电动机正转，打开反转，当6闭合时电动机开始转动，打开则停止转动。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。此装置也适用于无反馈的矢量控制的变频器的接口图。采用有反馈矢量控制的变频器以及主轴伺服驱动器接口图基本相同，图3-2是有反馈矢量控制的变频器的典型接口图。相对于进给驱动装置主轴驱动装置的接口具有如下特点：三相电源输入L1LL3UVW12345MOV起/停正/反10K主轴变频器图 3-1 主轴变频器图 3-2 带速度反馈的主轴驱动器接口图一、输入电源接口14一般采用交流电源供电，输入电源的范围包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，单相220V、100V等，或在较大的范围内可调。为了实现大功率输出，主轴驱动装通常采用不低于230V的三相交流电源，而进给驱动装置多采用不高于220V的三相交流电源；变频器通常电源电压范围比较宽，如230400V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。二、电动机运行指令接口因为进给电动机主要用于位置控制，因此进给驱动装置一般都具备和采用脉冲信号作为指令输入，控制电动机的旋转速度和方向，不提供单独的开关量接口控制电动机的旋转方向。而主轴电动机主要用于速度控制，因此主轴驱动装置一般都具备和采用010V模拟电压作为速度指令，由开关量控制旋转方向，而不提供脉冲指令输入接口。很多主轴驱动装置也接收模拟电压以及作为速度指令，其10 10V2020mAmA中信号幅值控制转速，信号极性控制旋转方向。当然根据生产厂家和型号的不同，主轴驱动装置也可以支持脉冲指令、总线、RS232、RS422、RS485及网络等控制接口。三、驱动装置及电动机运行状态控制接口 主轴驱动装置都提供控制电动机正反转的开关量接口，进给驱动装置一般不提供，采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置，只有当脉冲指令类型为脉冲+方向时，可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口。而且主轴驱动装置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现的，多是DC24V开关量接口；进给驱动装置的方向控制接口多是和脉冲信号一起出现的，多是DC5V数字信号；主轴一般都提供单极性模拟电压信号，进给驱动装置提供的模拟控制接口多是双极性的。对于一些主轴伺服单元，虽然具备位置控制功能，当其主要还是工作在速度控制模式下，位置控制模式是一种特殊的工作状态，因此，会提供位置控制模式切换控制接口，方便使用者需要时方便的切换主轴工作模式，以完成定向，分度等特殊的工艺或控制要求而进给驱动装置则通常始终工作在位置控制模式下。四、反馈接口由于主轴对位置控制的精度并不非常高，因此对与位置控制精度密切相关的反馈装置要求也不高，主轴电动机或主轴多数采用1000线的编码器，而进给驱动电机则至少采用2000线的编码器，有些进给电动机编码器可多达10万线。另外为了控制的方便15许多进给驱动器都有绝对式编码器接口，功能更强的进给驱动器还有第二编码器接口以通过驱动器直接实现全闭环控制。而主轴驱动装置一般不具备绝对式编码器接口和第二编码器接口。进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置动态特性，高速特性开始接近主轴驱动装置。目前已经有一些这样的产品进入市场，以国产华中数控HSV-20S/D系列伺服驱动为例：电源采用三相交流380V，同时支持脉冲指令接口、模拟量指令接口、RS232指令接口；即支持普通三相笼型异步电动机、专用变频电动机，也支持永磁同步伺服进给电动机和主轴伺服电动机。可以组成主轴驱动系统，也可以组成进给驱动系统；支持双编码器接口，可应用于全闭环进给驱动系统。由此从硬件上已很难定义它是进给驱动装置还是主轴驱动装置。图 3-3 HSV-20S/D 主轴伺服第第 3 3 节节 主轴驱动装置的选型主轴驱动装置的选型主轴驱动装置的选型与进给驱动装置等其他设备一样需要遵循经济实用、稳定可靠和易于操作维护的原则，以整机设计对主轴系统的要求和不同类型的主轴系统的特点为依据。一、主轴系统的特点和适用范围 主轴系统的特点和适用范围l、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱16这是一种最经济的改造方法，但只能实现有级调速，因电动机一直工作在额定转速下，经变速齿轮减速后，从主轴输出端低速下输出力矩大，超强切削能力高，比较适于粗加工与半精加工。如果加工产品单一，且对主轴转速要求不高，用于其机床数控化改造效果也不错；但其缺点是噪音大，主轴转速范围窄，不适合有色金属加工场合和需要经常改变速度的加工场合。2、普通笼型异步电动机配简易型变频器可以实现主轴的无级调速，但主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较好的力矩输出，否则，特别是铣床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴也只能工作在中高速范围，此外，因受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。目前，国内生产的此种简易型变频器非常多。3、普通笼型异步电动机配通用变频器目前进口的通用变频器，除了具有曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功fV /能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足铣床低速(100200转分钟)小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。4、专用变频电动机配通用变频器一般采用有反馈式矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，目前这类产品较有市场。现今生产通用变频器的厂家主要有西门子、日立、富士、三菱等外国公司。5、伺服主轴驱动系统伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、抗过载能力强的特点，且能实现定向和进给功能，但价格也较高，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2-3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。6、电主轴电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，因而简化了主轴的结构，主轴的精度也提高了，但是抗冲击能力变弱，同时功率也不大，一般在l0KW以下。17因结构上有优势，电主轴主要向高速方向发展，一通常在10000rmin以上。安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。上述之可供选型的几种主轴单元。选型的目的是为符合整机设计的需要，从而适应生产的需要。机床改造的整体整机设计会从功能上、性能上，以及成本上对主轴驱动系统提出要求，根据这些确定主轴单元结构，用以满足经济、实用的要求。二 、功率选择输出功率是主轴电机负载能力的指标。如图3-5，主轴电机的额定功率是指在恒功率区(转速n1到n2)内加工运行时的输出功率，低于额定转速n1时是达不到额定功率的，转速越低，输出功率就越小。要求满足主轴低速时的功率规格，一般采用齿轮箱或皮带变速，此时机械结构复杂，成本高。在主轴与主轴电机直接连接的数控机床中，有两种方法来提高主轴低速时的功率要求，其一是选择额定速度低的主轴电机或额定功率高一档的主轴电机。其二是采用特种的绕组切换式主轴电机，从而提高了主轴电机的低速特性。国外主轴驱动器的额定电压通常是400V，而我国三相交流是380V，这就影响最大输出功率。为了保证电动机的输出功率，在选型时一般选择驱动器的功率比电动机要大一挡，例如，选择55KW的驱动器配4KW的电动机。具体实施时参考生产厂家的指导意见。图 3-5 主轴电机的功率特性在考虑本单位的使用习惯和设备的用途之后再来选择具体的型号。尽量用同一厂家的或符合本单位使用习惯的产品，有利于设备的维修和维护。第第 4 4 节节数控机床的主轴系统数控机床的主轴系统18数控机床主传动系统是指主轴电动机至主轴的运动传动系统。主轴电动机作为动力源通过此传动系统产生主轴上安装的刀具的切削力矩和切削速度。主轴的运动也是机床的成形运动之一。它的运行精度与稳定性对零件的加工精度有很大影响。1、 数控机床主传动系统的要求 数控机床主传动系统的要求l、具备大调速范围与无级调速。为了保证数控机床加工时能提供合理的切削用量和切削速度，保证获取最高的生产率及高的加工精度和表面质量，就必须具有大的调速范围。尤其对于加工中心、车铣中心以及一些专用数控机床，为了适应各种工序以及各种加工材料的要求，主轴系统的调速范围还应进一步扩大。2、具务高的精度与刚性，传动平稳。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚性度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。通常采用斜齿轮传动，使传动平稳。也可采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提升主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，可适量增加齿轮宽度，增大齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心与侧面定心的花键更有利于降低噪声。3、良好的热稳定性与抗振性。数控机床加工中，会因为持续切削、余量不均、运动不平衡等原因产生冲击力和交变力，致使主轴发生振动，最终影响加工精度和表面质量，更严重时甚至会损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法正常工作。主轴系统的发热也会使其中的零部件发生热变形，降低传动效率，影响各部件之间的相互位置精度和运动精度，也会造成加工精度误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并应进行充分的润滑。二、 主轴的传动方式为了适应不同的加工要求，目前主传动系统的传动方式大致可以分为三类。1、两级以上变速的主传动系统应用于大、中型数控机床采用较多种变速方式，常采用由12对齿轮降速，目的是19降低速度，提升输出扭矩。部分小型数控机床也有采用这种传动方式，目的是获得超强切削时需要的扭矩。此种方法的优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，并且具有宽范围调节速度的能力。不足之处是机械结构相对复杂，设备体积庞大，设计制造成本较高。维修与维护也较困难。这种传动方式常用的变速操作方法有液压拨叉和电磁离合器两种。2、一级变速的主传动系统目前多采用同步齿形带传动，其优点是结构简单，制造成本低、安装调试方便。但系统的调速范围与电动机一样，受制于电动机调速范围和输出转矩特性的约束。此传动方式适用于低转矩特性要求的机床主轴传动，传动中能够减少传动时引起的振动与噪声等对机床工作精度危害不利因素。3、高速切削主轴高速切削是上世纪后期发展起来的一种新工艺。此工艺的切削速度比常规的要高几倍到十多倍，如高速铣削铝合金件时的最高切削速度可达；加工2500 4000/ minm钢件为；加工铸铁为8002400m/min，进给速度也可以相应提高很多400 2000/ minm倍。此加工艺不仅切削效率高，且具有加工表面粗糙度值低、切削温度低和延长刀具使用寿命长等优点。高速切削一般采用内装电动机的主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，刚度高，可提高启动、停止的响应特性，并且有利于控制振动和噪声不足之处是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，主轴的温度控制和冷却是使用电主轴的关键问题，对设计、生产和装配工艺要求非常高。三、 主轴换挡主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。对于普通三相异步主轴电动机，通常其转速是固定的。必须通过主轴换挡才能获得不同的主轴转速以满足加工的需要。对于采用交流伺服电机的主轴电动机，可实现主轴的无级调速。采用无级调速主轴机构，虽然主轴箱结构得到简化，但低速段输出转矩不理想。因而数控机床常采用无级调速与l4挡齿轮变速相结合的调速方式，也就是所谓分段无级变速方式，同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。20主轴换挡方式通常有以下三种：1手动换挡通过人工转动机械机构，拨动传动齿轮来改变传动比。这种方式结构简单经济，但是在加工前必须把主轴的挡位设置正确，自动加工的过程中不能通过数控系统或PLC自动改变主轴速度。2液压拨叉换挡采用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构，液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行。但是在停车时拨动滑移齿轮啮合，有可能出现“顶齿”的现象。在手动换挡时只需将齿轮暂时脱开，按点动按钮使主电动机瞬时冲动接通，然后再重新尝试换挡即可；在自动换挡时，可以象手动换挡一样处理，也可以利用主轴电动机，在拨叉移动滑移齿轮的同时带动各传动齿轮作低速回转或振动，滑移齿轮就能够较顺利的啮合。每个齿轮到位后必须有到位检测元件检测，以确保主轴换挡成功。3电磁离合器自动换挡电磁离合器是为便于实现自动化操作，而采用电磁效应接通或切断运行元件的电磁控制机构。与第二种方法相比的优点在于使用电磁离合器能够简化换挡机构。电磁离合器的缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化，因此在现代数控机床应用的并不多。主轴的自动换挡由M41M44代码或S指令根据速度范围启动更换相应的挡位，自动换挡控制的具体实现一般由PLC来完成。对换挡时出现的顶齿现象，现代数控系统均采用由数控系统控制主轴电动机低速转动或振动的方法，实现齿轮的顺利啮合。四、 主轴定向功能主轴定向功能又称为主轴准停功能，即当主轴停止时能控制其以一定的力矩准确地停止于固定位置。首先，主轴定向是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削时的切削转矩不能完全靠主轴锥孔的摩擦力传递，因此通常在主轴前端设置一个或两个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准。为保证顺利换刀，主轴必须具有准确定位于圆周上预设定角度的功能。其次，当镗削内孔退刀时，为防止刀具因弹性恢复拉伤已加工的内孔表面，必须先让刀再退刀，而让刀时刀具必须具有定向功能，加工中心的主轴定向方法有机械式和电气式两种。机械式21采用机械凸轮等机构和无触点感应开关进行初步定位，然后由定位销插入主轴上的销孔或销槽完成精定位，换刀或精镗孔完成后定位销退出，主轴才可旋转。此方法定向可靠，但结构较复杂，定向较慢。电气式定向一般是采用具有定向功能或位置控制功能的主轴驱动装置来完成，定向其始位置由无触点感应开关或主轴编码器获得，有些也可以通过主轴电动机编码器和主轴驱动装置得到，视主轴传动结构和主轴驱动器的功能而定。定向过程一般由可编程控制器来处理，有些也由数控装置完成。l、机械定向控制机械定向一般要求主轴具有无级调速的功能，接收到数控系统发出定向指令(如M19)后，控制主轴电动机带动主轴以可以设定的定向速度和方向旋转：1)到无触点开关有效信号后，停止主轴，主轴电动机与主轴传动件依惯性继续旋转，同时控制定位销伸出压向主轴定位盘；2)到定位销到位信号后，通知系统定向指令完成。根据机械结构的具体特点，为防止定位销提前顶死主轴而使定向失败，定位销伸出的同时也可以不停止主轴，而是待定位销到位后立即停止主轴。若接收到取消主轴定向的指令(如M20)则控制定位销退回，检测到定位销退回到位的回答信号后，表示主轴定向取消的指令完成。采用机械定向的方式，主轴定向定位销的伸出和退回必须分别有到位检测信号，并且必须和主轴的运行有互锁关系，即： (1)主轴以非定向速度旋转时不得伸出定位销； (2)若定位销退回到位信号无效则禁止主轴旋转； (3)若定位销伸出到位信号无效则禁止换刀动作继续进行。机械准停还有其他方式，如端面螺旋凸轮等，它们的定向过程和互锁要求都大致相同。2、电气定向控制主轴电气定向控制，实际上是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。为能进行主轴位置检测，需要采用磁性传感器或位置光电编码器等检测元件。电气定向控制一般应用于中、高档数控机床特别是加工中心，采用电气定向控制有如下优点：1)机械结构简单不需要定向的机械部件。它只需要旋转部件和固定部件上安装传感器(如光电编码器、磁性传感器等)，即可实现主轴定向，机械结构比较简单；2)定向迅速可靠22定向时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的重要指标。采用电气定向，可以在主轴高速旋转时完成，大大缩短了定向时间；3)可靠性较高由于控制主轴定向的全是电子部件而无需复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械定向所形成的机械冲击、磨损，因而定向控制装置的寿命与可靠性大大增加；4)控制简单易行通常只需要主轴定向指令信号、定向完成回答信号即可实现主轴定向控制；5)性能价格比提高由于简化了机械结构和强电控制逻辑，成本大大降低。但数控系统生产厂家常把电气准停作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但从整体来看，性能价格比大大提高。目前电气定向通常有磁传感器定向、编码器定向和数控系统定向三种。3、磁传感器定向磁传感器主轴定向控制由数控系统和主轴驱动器共同完成，这与机械定向的控制原理过程相似。在主轴上安装磁性体，使之与主轴一起旋转，在距磁性体外固定一个磁性传感器元件。主轴控制单元连接到经放大器后磁性传感器信号，当主轴需要定位准停时即进行控制，其步骤如下：1)当主轴转动或停止时，数控装置发出定向指令后，立即控制主轴加速或减速至某一定向速度；2)主轴到达定向速度并且检测到定向位置信号时，立即控制主轴停止，并向主轴驱动器发出位控工作模式指令，主轴驱动器控制主轴电动机在位控模式下静止锁死。3)如取消主轴定向状态，只需撤消主轴驱动器的位控工作模式指令，恢复到速度工作模式即可。这种定向方式参考位置和定向位置都是由磁性传感器决定，受磁性传感器的精度及磁性体回转半径影响，定向质量一般不是很高。4、数控系统定向定向功能是由数控系统完成，定向时数控系统按进给系统的控制方式控制主轴工作在位置控制模式下。某些数控机床采用永磁式交流伺服电动机作为主轴电动机，这种定向方式的主轴可以一直工作在位控模式下，也可以仅在定向时工作在位控模式，平常工作在速度控制模式，这种工作模式的切换一般由数控系统完成。采用此种控制23方式应注意：1)数控系统必须具有主轴闭环控制功能或位置环控制功能。有些系统直接配置有主轴闭环控制接口，有些则通过伺服进给轴接口把主轴当作回转进给轴控制；2)应采用伺服主轴系统，由于数控系统需要控制主轴工作在位置控制模式，若采用变频器主轴驱动系统，定向的精度和稳定性都不是很高；3)若主轴电动机一直工作在位置控制模式下或当作一个回转进给轴控制，在定向前，主轴通常需要象进给轴一样有回参考点的操作，该操作一般在开机时完成即可；若主轴采用两种模式切换，则一般在每次定向前切换到位置控制模式后进行。参考点可以由无触点开关获得，也可以由编码器Z脉冲获得；4)若采用主轴电动机本身编码器将信号反馈给数控装置，则可以提高控制的稳定性，只是主轴传动链的精度会对定向质量精度产生不良影响；5)采用数控系统控制主轴定向时更方便地设定定向角度，这是因为角度指定由数控系统内部设定的原因。五、 主轴进给功能主轴进给功能即主轴的C轴功能，一般应用在车削中心和车、铣复合机床上。对于车削中心主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C轴与其它进给轴的插补，以配合动力刀具进行圆柱或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣加工。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床C轴所有的进给插补功能。主轴进给功能按功能划分一般有下列几种实现方法：l、机械式通过安装在主轴上的分度齿轮实现，只能实现分度，一般可以实现主轴每圈360分度。2、双电动机切换主轴有两套传动机构，平时由主轴电动机驱动实现普通主轴的回转功能，需要进给功能时通过液压等机构切换到由进给伺服电动机驱动主轴，由于进给伺服电动机工作在位置控制模式下，因此可以实现任意角度的分度功能和进给及插补功能。为了防止主传动和C轴传动之间产生干涉，两套传动机构的切换机构装有检测开关，利用开关的检测信号，识别主轴的工作状态。当C轴工作时，主轴电动机就不能启动，同样主轴24电动机工作时，进给伺服电动机不能启动。因伺服电机的输出功率通常都要比主轴电动机的输出功率小，因此，为了提升机床的刚性，从而保证加工产品的精度质量。常采用主轴抱闸机构，使得C轴功能启用时锁死主轴，再有就是采用加大进给伺服电动机和主轴之间的机械降速传动比来扩大输出扭矩的大小。这种方式结构和控制都比较复杂，但在要求大功率主轴的机床上，还是一种比较经济的方案。3、有C轴功能的主轴电动机由主轴电动机直接进行定位、分度和进给功能。这种方式省去了附加的传动机构和液压系统因此结构简单、工作可靠，另外主轴的两种工作方式可以随时切换，从而提高了加工效率，是现代中小型车削中心主要采用的方法。它的缺点是随着主轴输出功率的增加，主轴驱动系统的成本也急剧增加。第第 5 5 节节 本章小结本章小结数控系统改造传统电气控制系统，可以运行稳定性与操作性，使机改造后的床获得技术提升。根据加工时机床动作的控制需求，进行数控改造的主传动系统的设计，以及相关硬件的选择，确保改造后的机床能够获取最佳的使用性能，也能确保机床动作正确实现。本部分内容对HNC-21M华中数控装置的特点、选择X5032立式铣床数控主传动系统改造的方案设计与相关驱动器、伺服电机的选择等。25第第 4 4 章章 X5032X5032 立式铣床伺服进给系统的改造立式铣床伺服进给系统的改造第第 1 1 节节 伺服进给系统伺服进给系统基础基础数控铣床的伺服进给系统由伺服驱动装置、驱动电路、传动机构与执行部件组成。数控装置发出运动速度和位移信号指令后，伺服进给系统接收信号指令并驱动机床的工作台（或主轴）等终端执行部件按着预先要求进行工作进给（或快速）运动。伺服进给系统主要有以下三种控制方式：1开环方式 此系统中不带检测装置，没有反馈电路，控制指令单方向传送，数控系统不能修正终端执行件的实际偏差，控制精度不高（如图 4-1 所示） 。数控装置驱动电路步进电机工作台编码器图 4-1 开环系统2半闭环方式 此系统检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，通过检测电机轴或丝杠传动轴的角位移、角速度来间接确定移动部件的位置（如图 4-2 所示） 。系统的控制链不包含机械传动链部分，所以传动机构的传动误差仍会影响移动部件的位移精度。但相比开环系统控制精度有很大的提升。数控装置驱动电路步进电机工作台编码器图 4-2 半闭环系统3闭环方式 闭环系统通过直接侦测移动部件的位移、方向，来高精度地反馈控26制信号（如图 4-3 所示） 。数控装置驱动电路步进电机工作台编码器直线位移检测装置反馈图 4-3 闭环系统第第 2 2 节节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副的结构如图 4-4 所示，滚道内放入滚珠使螺栓与螺母之间产生滚动摩擦。滚珠可在螺母上的返回机构里返回。为使滚珠与滚道间无间隙合，可使用预紧装置。图 4-4 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副传动与传统螺旋传动运动副相比，特点如下：1传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%97%，耗费能量比滑动螺旋传动机构小，因此能以较小的扭矩得到较大的推力。2无自锁性 垂直（Z 轴）传动使用滚珠丝杆螺母副传动时，一定要在系统中附加自锁（或制动）装置。3重复定位精度高 由于滚珠丝杆螺母副摩擦较小、运动副温升也小、传动无爬行、无间隙。因此可达到较高的重复定位精度。4运动平稳性好 滚珠丝杠传动副是点接触滚动传动，工作摩擦阻力小、传动灵敏度高、较低速时无爬行现象产生，可通过预紧机构调节间隙大小，提高刚度，保证传动精度，因此可实现精微进给。27第三节第三节 X5032X5032 立式铣床进给系统的改造立式铣床进给系统的改造思路思路依据企业实际需求，保留了床身、工作台、主轴箱等的基础上对主轴及三个轴向运动进行数控化改造，改造时拆除原机床的进给箱及梯形螺纹丝杠，将伺服电机安装在原机床工作台右、前、下方轴的尾端，应用无级调速。使用滚珠丝杠传动，滚珠丝杠安装在原丝杠的位置（配合使用相关尺寸的轴承） 。使用华中数控的 GM7 交流伺服电机驱动滚珠丝杠传动（如图 4-5 所示） 。图 4-5 HNC-21 采用模拟接口伺服驱动器的连接图如图 4-6 所示，丝杠传动副采用的支承方式为“单推配单推”式。这样做的好处有：1避免丝杠因自重而产生变形；2提升丝杠的拉压刚度。单推单推工作台图 4-6 单推配单推28第第 4 4 节节 进给部件的配置计算与选进给部件的配置计算与选配配已知机床参数资料：Z 升降台总重力，导轨滑动摩擦系数，导轨静摩擦系数，NW25001 . 02 . 00X、Y 轴、Z 轴三个方向快速进给速度 Vmax=12m/min。改造后机床定位精度达到，重复定位精度，30/300mmm50/m全行程20 m其它参数见下表 4.1。表 4.1 机床工作状况一、 X、Y 轴滚珠丝杠和伺服电机的选择与计算1计算丝杠的导程 （4-1）maxmaxhVPi n式中：丝杠导程，单位：mm；hP Vmax工作台移动的最大速度，单位：m/min； nmax电机最高转速，单位：r/min，取值为3000r/min; I传动比，取值i=1/3.由表(4.1)可见Vmax=12m/min 代入式（4-1）得：mmPh123000*3/112 圆整取Ph=10mm2确定当量转速和当量载荷(1)各种切削方式下丝杠转速29 （4-2）310iihVnP式中：丝杠转速，单位：（r/min） i1，2，nin 进给速度，单位：（m/min） i1，2，niV由表（4.1）得0.02 0.01 0.002 12代入式（4-2）得：1V2V3V4V 2 1 0.2 12001n2n3n4n(2)各种切削方式下丝杠轴向载荷 （4-3）12()iXiZiFPWWP式中：丝杠轴向载荷，单位：（N） i1，2，niF 纵向切削力，单位：（N） i1，2，nXiP 垂向切削力，单位：（N） i1，2，nYiP由表（4.1）得 =3000 =2000 =1200 =01XP2XP3XP4XP =3000 =2000 =1200 =01YP2YP3YP4YP已知升降台重量2500N，刀架重量1500N，代入（4-3）中得：1W2W 3700N 2600N 1720N 400N1F2F3F4F当量转速 （4-4）1212100100100nmntttnnnn式中：当量转速，单位：（r/min）mn 工作时间百分比12,nt tt， ，由表（4.1）得 10 40 40 10代入式(4-4)中得：1t2t3t4t10404010210.21200120.68 / min100100100100mnr （4-5）33331 12 212100100100n nmnmmmn tntn tFFFFnnn式中：m当量载荷，单位：（N） ，则： Fm=594N303预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算 （4-6）360100mwammhacF fCn Lf f已知小时代入式（4-6）中得：20000hL N1063444. 011005 . 15942000068.120603Cam（2）预紧滚珠丝杠副的轴向负载测算：maxF （4-7）maxameCf F式中：预加负荷系数，取值ef4ef 已知最大负荷，通过式（4-7）得：NF3700max Cam=4 3700=14800N则取最大值为： Cam=14800N4最小底径的确定（1）预算允许的最大变形量机床的伺服系统精度大多在空载下检验。它影响重复定位精度。影响重复定位精度的（1/21/3）左右。所以规定滚珠丝杠副许可的最大轴向：变形量重复定位精度。)5/13/1 (影响定位精度的主要因素是滚珠丝框副的精度、再次是滚珠丝杠副本身的变形和摩擦力矩的变化等方面。(1/ 4 1/5)m位位位位使用以上两种估测方法确定最小值取为。)(mm单位已知重复定位精度20um,定位精度30um，故： 5mm6mm最终的取值为mm5（2）最小底径计算丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式来计算丝杠要求预拉伸，公式如下： 31 （4-8）0min1010mF LdE已知行程为，工作台对丝杠的正压力，静摩擦系数则：1200mm21500WN0=0.2L（1.11.2）行程+(1014) Ph05=0.2 1500300=1.2 1200 14 10158010 300 158010125 2.1 10mimFNLmmdmm 5滚珠丝杠的型号的确定（1）预紧方式：内循环法兰式双螺母垫片预紧结构。（2）型号选择：由计算数据、的值在米思米（中国）精密机械贸易有限公司的精密滚hPamCmind珠丝杠副产品选择表中选取，其参数如下：3210.3232BSRRK额定负载公称直径mm导程mm外径mm底径mm循环圈数动负载静负载321032252.5 圈 2 列42.886.76滚珠丝杠传动副预紧力的计算当选择预紧滚珠丝杠传动副螺母形式时需要计算预紧力，且其大小必须合理。pF预紧力通常不应超过最大轴向负载的 1/31/4。如果预紧力过小则不能确保无间隙传动，如果预紧力过大则将会使驱动力矩增大，缩短传动副的使用寿命，也会降低传动副的工作效率。 （4-9）max13pFF其中 Fmax3700N，则1233NpF7行程补偿值、预拉伸力计算（1）行程补偿值针对两端固定支承轴承的传动滚珠丝杠副应进行行程补偿值（C） ，以及求解预拉伸力。 （4-10）uCt LA A32式中：行程补偿值，单位：（）Cm: tA丝杠螺母副温变2-3摄氏度，取为3度。度丝杠膨胀系数：/3108 .11:Lu滚珠丝杠的有效工作行程范围，单位：mm。 ）（两端安装部分螺母长度查样本为）工作台行程（42Lnmm175LLPh=30mm得1200 175601435()uLmm得6311.8 103 1435 1050.8Cm （2）预拉伸力 （4-11）22221.954tdIAEFttdLA式中： 预拉伸力，单位：（N） ；tF d2滚珠丝杠副螺纹底径，单位：（mm） ； E弹性模量杨氏522.1 10/N mm 已知条件：d2=25mm，522.1 10/N mm代入21.95 3 253656.25tFN 8确定支承轴承的代号与规格 轴承所承受的最大轴向载荷 maxmaxBtFFF（4-12）其中：滚珠丝杠副的预紧拉伸力，单位：tF-(N )最大轴向负载力，单位：maxF(N )已知 Fmax=3700N，代入式（4-12）中得：3656tNFFBmax=7356N选用米思米向心带座推力轴承7004查产品参数得：Ca=27600NFBmax=7356N9选配伺服电机33选择伺服电机时，主要考虑三个选配要求：即电机的额定转矩即要大于最大切削负载时的转矩；电机的转子惯量要与负载惯量相匹配；快速移动时的伺服电机的最大转矩控制。（1）负载的惯量核算传动丝杠转动惯量(kg.m )00097. 01012003277. 01077. 01241240LdJs2式中： d0滚珠丝杠公称直径，单位：（mm） ， 滚珠丝杠长度，单位：（mm） 。l移动件转动惯量wJ(kg.m )005. 02000)28. 601. 0()2(22WPhJ2式中 Ph滚珠丝杠副的导程，单位：（m） ， W升降台及工作台质量，单位：（kg）联轴器加上锁紧螺母等的惯量为 J3.取 J3=0.001kg.m2负载折合转动惯量rJJr=Js+Jw+J3=（0.00097+0.005+0.001）kg.m =0.00697kg.m22 （2）滚珠丝杠副上各种转矩的计算外加载荷的摩擦力矩()FTN m (4-13)3102hFFPT式中： 滚珠丝杠副的导程，单位：hP()mm ：未预紧滚珠丝杠传动副的传动效率，此处取 0.9 F：添加在滚珠丝杠副上的最大轴向负载力已知添加在丝杠副最大外加轴向负载，Ph=10mm 代入式（4-13）中得：4000FNTF=(N.m)19. 7109 . 021040003滚珠丝杠副预加载荷 FP产生的预紧力矩 TP（N.m） (4-14)2321102phpF PTA已知 Fp=1233N Ph=10mm 代入式（4-14）中得：93. 034Tp=3.06N.m3221093. 093. 012101233g当电机从静止升速至 nmax时的加速转矩(. )aT N mmax26.28 30000.01239.666060 0.4aanTJN mtA伺服电机连续工作最大转矩 TM(N.m)TM=(TF+TP)i=(7.19+3.06)/3=3.42N.m式中： 传动比，电机与丝杠为一级减速i1/3i 快速空载启动时电机的转矩(. )T N m9.664.3614.02aMTTTN m10传动刚度计算（1）丝杠抗拉压刚度丝杠最小抗拉压刚度22222min1256.6106.610343.75/1200sdKNmL式中 ，minsK最小抗拉压刚度（N /m ) ，2d丝杠底径（m m ） ， 1L两固定支承点间距(m m )丝杠最大抗拉压刚度2221max110226.610 .4()2512006.610618.75/4 200(1200200)sd LKL LLNm式中 ；maxsK：最大抗拉压刚度（N / um ) ；2d(/)Nm丝杠底径 ；1L两固定支承点间距（m m ） 0L螺母起始点距最近支承点间距（m m ）（2）支承轴系刚度单对轴承的刚度35 （4-16）2380max2 1.95*QaKd ZF式中 ；80K(/)Nm单对轴承的刚度系数向心；Qd推力轴承滚珠直径（m m ）Z本案所选向心推力轴承得11,16;Qdmm Z max:aF最大轴向负载（N ）max3 4aF取为预加负载的倍，。max4 350014000aFN则：。32802 1.95 11 1614000863KN支承轴承组系刚度，则：802bKK对于两端固定支承，取2 8631726/bKNm滚珠与滚道的接触刚度计算：13()0.1pccaFKKC（4-17）式中 ；cK：滚珠与滚道的接触刚度（N /m ） ：查；cK(/)Nm样本刚度，查取：723/cKNm ： 丝杠预紧力（N） ；Fp=1233NpF ： 额定动载荷（N） ；查取的：Ca=27600NaC 最终计算得：c=723=620N/m；K3/1)276001 . 01233(11刚度验算及精度的选择 K传动系统的刚度分析计算： （4-18）1111sbcKKKK式中： sK ：丝杠抗拉压刚度系数；bK ：支承轴承组系的刚度参数；36cK ：滚珠与滚道的接触刚度参数（N / um ）。得：minmin1111sbcKKKKmin11111/343.751726620196NmKmaxmax1111sbcKKKKmax11111/618.751726620263NmK传动系统刚度校核 要求轴向最小传动系统刚度的影响； （4-19）00min1.61.6ssFWK式中 ，0F：导轨静摩擦阻力（N ） 。 000.2：静摩擦系数，取 W12：正压力，滑座和工作台给丝杠的正压力W =W+W=3000N , sm：机床的反射死角误差，已知反向差值或重复定位精度20。A则：01.61.6 0.2 300043/20sFNm故：满足刚度要求min19643K定位误差传动系统刚度引发的0minmax1111()3000()3.90196263KFmKK确定精度 （为定位精度） ，已300300pV：在毫米范围内的行程变动量。300PV0.8dkd给出，得到；30/300dm定位精度值为300pV0.8 303.9020.10 m丝杠加工精度取 3 级 得到3001220.10pVmm确定滚珠丝杠螺母传动副规格与代号最终确定的型号为：丝杠公称直径尺寸为：32mm；导程为：10mm，螺纹长FFZD，度为：560,780mmmm全长。37最终选择滚珠丝杠副的规格是： FFZD3210-P3/780/560。二、 Y、Z 轴丝杠和伺服电机选择与计算 Y、Z 轴滚珠丝杠副和伺服电机的选择与计算雷同于 X 轴的相关选择与计算，过程省略。Z 轴选择滚珠丝杠螺母传动副的规格代号为：FFZD3210-P3/800/700，交流伺服电机型号为：。7GMY 轴选择滚珠丝杠副的规格是： FFZD3210-P3/680/560，交流伺服电机型号为：。7GM减速齿轮副的设计:此处减速齿轮模数取为 m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角 =20，齿顶高系数 ha*=1，顶隙系数 c*=0.25。取 Z1=20，故 Z2= Z1i =202.4=48，取 Z2=48。因此，齿轮 1 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=202=40mm齿顶圆直径：da1=m（Z1+2 ha*）=2（20+21）=44mm齿根圆直径：df1=m（Z12 ha*2c*）=2（202120.25）=35mm基圆直径：db1= d1cos=40cos20=37.59mm节圆直径：d1= db1/cos=37.59/cos20=40.002mm齿轮 2 的主要几何尺寸为：分度圆直径：d=zm=482=96mm齿顶圆直径：da2=m（Z2+2 ha*）=2（48+21）=100mm齿根圆直径：df2=m（Z22 ha*2c*）=2（482120.25）=91mm基圆直径：db2= d2cos=96cos20=90.21mm节圆直径：d2= db2/cos=90.21/cos20=95.999mm第第 5 5 节节 本章小节本章小节根据改造后机床要达到的精度和用户的要求确定合适的数控系统控制方式，本次改造采用半闭环控制，其特点是控制精度高，调试与安装方便。通过详细分析与计算，选择合理的低摩擦系统的滚珠丝杠传动组合件，提升改造后整体数控机床的定位精度38和重复定位精度高，使该机床工作的可靠提高。本章节主要介绍了 X5032 立式铣床进给系统的改造过程中的传动构件的选择、伺服电机的选择与选择中的注意事项。39第第 5 5 章章 X5032X5032 立式铣床数控系统设计立式铣床数控系统设计第一节华中世纪星第一节华中世纪星 21M21M 数控系统简介数控系统简介本次数控改造采用华中世纪星21M数控系统。X、Y与Z轴伺服驱动系统采用HSV-18D全数字交流伺服驱动器和GM7交流伺服电机，位置检测元件使用脉冲编码器，组成半闭环控制环的数字伺服驱动系统。华中世纪星HNC-21数控系统的特点有：全中文系统，采用先进的开放式体系结构，嵌入式工业PC，配置8.4”或10.4”液晶显示屏，集成主轴、进给轴接口，具备手摇脉冲发生器接口，使用CF卡存储方式以及软驱、以太网等程序存贮与输入输出功能、具有低价格、结构紧凑、易于使用的特点。最适合于数控车床、铣床的数控化改造。HNC-21M铣削系统具有以下特点：1最大联动轴数为6轴。2采用8.4彩色液晶显示屏，中文操作界面、故障诊断与超程报警、具备零件加工轨迹图形显示和加工仿真，操作简便，易于使用。3采用国际标准G代码编程，支持常见的CADCAM自动编程系统。4具备进行常规的直线与圆弧插补功能，支持固定循环指令与复合循环指令，支持刀具补偿、宏程序等功能，能够满足数控加工的常规加工要求。5具备X、Y、Z各轴反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。8可存贮大量的加工程序，不需DNC。 9配置RS232通讯接口，可实现计算机与数控机床数据通讯。 第二节第二节 数控电气系统的组成及连接数控电气系统的组成及连接数控机床的数控装置组成元素有：数控装置、可编程控制器（PLC）及强电控制器、输入输出单元、伺服驱动、主轴驱动与电机等。如图5-1所示为数控系统的组成示意图。401输入/输出单元输入/输出装置的作用是输入与输出零件的加工程序、加工的信息的显示等。本机改造采用窜口、软驱、MDI键盘以及计算机键盘接口并配置液晶显示器来实现输入与输出单元的改造。图 5-1 数控系统的组成2数控装置数控系统是数控化改造的核心，本次改造采用HNC-21M控制机床主、进给运动驱动单元与伺服电机，实现对位置、速度、角速度等的控制。数控装置按控制方式可分为两大类：一是数据运算处理控制，二是时序逻辑控制。利用各自控制器内的插补运算模块对输入的数控加工的程序进行译码、编译等信息处理后，进而控制实现刀具轨迹插补运算，通过各轴的驱动单元、伺服系统的位置、速度反馈信号比较，从而控制机床各个坐标轴的位移。3伺服系统41作为数控系统与原机床本体之间传动联系重要环节的伺服系统是由伺服驱动系统、伺服电动机以及位置检测反馈装置等组成。伺服驱动系统是伺服电动机的驱动源。伺服电动机是终端执行元件，HNC-21M数控系统发出的指令信号一系列的处理与放大后通过伺服驱动系统，指令终端伺服电机实现既定的速度要求。同时数控系统又将接收到的位置检测的信号与数控系统发出的指令信号进行比较，进而及时修正，指令终端执行元件的速度与位移控制，完成运动部件的实时精确定位。4主传动系统构成它是机床切削加工时传递转矩的主要部件之一。本次改造直接采用主轴变频器与主轴变频电机相匹配的方式实现主传动系统的构建，完成本机床动力源的输出问题。图5-2是X5032立式铣床数控系统的传动部件连接图，数控系统通过“XS30” 、“XS31” 、 “XS32” 、 “XS33”接口发送脉冲指令给各轴的伺服驱动器，同时也接收来自伺服驱动器反馈的速度与位置信息，各伺服驱动器驱动各轴的伺服电机工作，并同时接收来自各伺服电机的反馈信息。这样，由数控系统、伺服驱动器、伺服电机就构成的数控机床的主、进给传动系统与反馈系统。图 5-2 X5032 立式铣床数控系统伺服驱动连接图第第 3 3 节节 主控电路的设计主控电路的设计本次数控改造机床的主控电路设计，在借鉴典型的华中数控铣床主电路的基础上，电气控制线路主电路如图 5-3 所示的结构。该电路通过“电源进线” 、 “总空气开关” 、“伺服强电” 、 “主轴强电”等部分组成，电源进线、总空气开关部分通过 QF1 空气开关，熔断器 FU，对电路实现控制与短路保护。伺服强电部分通过 QF2 空气开关与灭弧器、伺服驱动器、伺服电机等组成，灭弧器（+T-RC1）起到灭弧保护电路作用。主42轴强电部分由空气开关 QF3、主轴变频控制器、主轴电机组成。冷却、刀具等装夹部分采用交流接触器互锁电路、灭弧器（+T-RC2）等进行电路保护。交流控制电路如图 5-4 所示，+T-RC4、+T-RC5 和+T-RC6 为单相灭弧器，线路电压为 AC220V。电源进线建议32.5mm2 3P-AC380V 50Hz总空气开关伺服强电主轴强电冷却强电图 5-3 主电路图A1A2A1A2A1A2伺服强电冷却开/停步进电机触点位置1-2 01/01/C43-45-601/01/C401/01/C4触点位置1-2 01/01/C83-45-601/01/C801/01/C8触点位置1-2 01/01/A73-4 01/01/A7图 5-4 交流控制电路43第四节第四节 数控系统中的数控系统中的 PLCPLC 程序设计程序设计一、 数控系统中 PLC 的作用数控机床硬件部分正确连接组合安装后，就要根据机床的电气设计要求进行数控机床的调试阶段，这当中的重中之重便是要进行PLC的设计与调试，用以控制数控机床的各种控制功能。例如：操作面板各按键功能设置、坐标轴控制、刀具的装卸控制、冷却等功能的控制与实现。没有相关的PLC应用程序的编制与调试，一台数控机床是不能够正常工作的。数控机床的PLC应用程序在数控系统中的作用是联系与沟通作用，如图5-5所示。PLC从机床操作面板上的手轮、按钮动作上获取操作指令，也需要通过PLC应用程序进行计算、分析和判断，并且根据设计要求给出控制指令，然后传送至数控装置进行处理，从而控制机床的各项功能来实现操作者的数控加工要求。图 5-5 数控系统内置 PLC 的作用数控系统信号接口分为轴相关控制区，人机对话区等。各信号区可依据功能划分为若干功能子信号区。图5-6为HNC-21M数控系统信号接口的结构简图。44图 5-6 数控系统信号接口结构二、 X5032 铣床数控系统 PLC 控制框架设计X5032立式铣床分为X、Y和Z三个进给轴，在每个轴的正负方向各有一对硬限位开关，一个输入输出控制模块，机床的输入输出（I/O）定义如下：图 5-7 I/O 端子板的开关量缩短PLC程序的编程与程序调试时间，从而简化PLC程序的设计工作，华中HNC-21M数控系统提供了接口信号的系统初始化、安全急停、各种基本操作功能、各坐标轴的驱动与管理等功能的梯形图设计与编程功能。用户可以通过梯形图编程方式直接调用数控装置内置的子程序功能模块。PLC系统初始化、安全急停控制、XYZ各坐标轴的驱45动管理、各轴硬限位控制、手持脉冲发生器控制等子程序模块都在本次改造中成功调用。部分梯形图程序编制如图5-8所示。 图 5-8 PLC 的梯形图程序第第 5 5 节节 系统调试系统调试与误差补偿与误差补偿一、 HNC-21M 系统调试步骤当机床硬件按设计要求进行装配之后进行系统调试，但要注意的问题是：首先要正确连接各部件，这是做好后续一切工作的基础。调试的顺序是：PLC应用程序编制与调试驱动器参数调试系统参数调试。应按以下步骤进行数控机床调试：PLC应用程序调试(急停功能、硬限位功能等)功能生效；设置各轴驱动器基本参数(总线地址、行程、软限位等)；HNC-21M数控系统初始化工作(数控系统配置和轴的配置)；46数控系统的基本参数设置(电子齿轮比、速度参数等)；三坐标轴运动误差分析测量与补偿(双向间隙、螺距误差等)；备份数据。二、 改造后数控系统的初上电改造后，数控机床的数控系统初上电之前，为保证机床的硬件不损坏，必须保证各部件供电的正确性、信号接口的正确性。具体检查以下内容：检查三相高压供电(380VAC)回路中各相之间的连接是否正确，是否正确连接了断路器，且是否正确设定了其电流值。检查直流供电回路接法是否正确，确保断路器的电流设定正确。检查信号连接的正确性，如各元器件之间的信号与电缆连接，伺服驱动器与伺服电机、主轴驱动器与主轴变频电机的接线，驱动器与强电之间的连接的是否正确。检查各部件保护接地的连接是否符合要求。三、 PLC 编制程序的调试在正确的初次上电后，接下来便可以进行可编程控制器的程序编制的调试。PLC程序调试的目的是检查各项设计的功能能否实现。具体项目如下：基本操作功能调试 主要包括数控系统功能、手动脉冲发生器选功能、机床操作面手动控制功能、数控系统面板功能调试。机床控制功能调试 急停按钮功能、坐标轴的硬限位功能、返回参考点功能等。机床辅助功能调试 冷却控制功能、润滑控制功能、刀具装夹与卸除功能等。驱动器的控制调试 主轴变频器功能、伺服变频器功能、端子排调试等。四、 华中 HNC-21M 参数设定华中HNC-21M数控系统的位置控制由数控系统、驱动器和检测系统、终端伺服电机构成。与伺服电机工作状况通过测量系统反馈给数控装置，数控系统据此来调节模拟量给定。数控系统通过现场总线将指令信号传递给主运动、进给运动的驱动器。在总线上配置I/O模块、各运动驱动器等。47系统基本参数设定如下：1、参数树设置HNC-21M的参数设置可分为采用系统软件内部实现与采用独立的参数编程工具软件实现，在此仅以根据参数编辑工具软件的分类方法对全部参数进行介绍，参数组成如图5-9 所示，其中过象限突跳补偿参数只有铣削类软件支持。 图 5-9 数控装置的参数树2、双向螺距补偿：将X、Y、Z各轴利用安装光栅尺，通过光栅尺读出工作台移动的实际位置坐标；求解出实际距离与目标位置的偏差值，将此偏差值输入到数控系统的“轴补偿值参数”的对应表格中（如图5-9所示） ，则完成螺距误差的补偿。（1）设置参数 首先，将光栅尺反馈值通过连接X31端口输入数控系统，并正确设置系统参数，保证系统可以检测光栅尺反馈的信号。（2）补偿清零 在测量前开机进入系统，通过进入数控厂家参数，进入数控系统参数的编辑状态；选择“轴补偿值参数” ，选择轴3，将轴3的反向间隙、螺距补偿参数全部设置为零，然后保存修改后的参数。退出系统参数设置状态，返回数控系统。（3）机床返回参考点将数控机床重新返回参考点，以保证当前数控机床系统是一个完全没有经过参数补偿的状态。4、编程G代码程序为误差补偿编写一个G代码程序，用来测量Y轴丝杠不同行程段时的螺距误差，程序编写如下：48%0001N10G92 X0Y0Z0N20WHILE trueN30G01 Y5F200N40 G01Y0N50G04 P5N60 G01Y-30N70G04 P5N80 G01Y-60N90G04 P5N100 G01Y-90N110G04 P5N120 G01Y-120N130G04 P5N140 G01Y-150N150G04 P5N160 G01Y-160N170G04 P5N180 G01Y-150N190G04 P5N200 G01Y-120N210G04 P5N220 G01Y-90N230G04 P5N240 G01Y-60N250G04 P5N260 G01X-30N270G04 P5N280 G01Y0N290G04 P5N300 G01Y5N310ENDWN320M30495、误差的测量与计算首先将系统参数中的轴补偿参数修改如下表：表5.1参数名称数值螺距补偿类型2补偿点数6参考点偏差号5补偿间隔30000运行所编辑的G代码程序，并记光栅尺反馈的实际位值。计算出系统的指令位置与光栅尺反馈的实际位置之差，在误差检测数控程序运行时，当工作台运行到设定的目标位置时，表头接触到光栅尺测量位置面，检测程序中设置有5秒暂停，利用这段时间可以记下表针读数，测量5个循环，记录在下表中。表5.2被测量点位置543210指令坐标值0-30-60-90-120-150光栅尺反馈坐标值75.26245.26815.262-14.743-44.743-74.737负向移动实际坐标值0-30.006-60-90.005-120.005-149.999正向移动实际坐标值75.26845.26815.262-14.743-44.743-74.737负向误差0+0.0060+0.005+0.005-0.001正向误差-0.0060-0.006-0.011-0.011-0.005然后将测出的Y轴正向移动时的误差值分别输入到Y轴补偿参数中的偏差值（内部脉冲当量）0、1、2、3、4 、5中。按照被测点位置的排列顺序0、1、2、3、4、5进行输入；再将Y轴的负向移动时的误差值分别输入到Y轴补偿参数中的偏差值（内部脉冲当量）6、7、8、9、10 、11中。按照被测点位置的排列顺序0、1、2、3、4、5进行输入。输入完成后，重新启动数控系统，回零，再次运行程序，测量系统的定位误差精50度，可进行必要的修整，直到误差满足精度要求为止。在完成Y轴的运行误差补偿后，接下来分别可以进行X、Z轴的运行丝杠误差补偿。从而提升整台机床的运行精度。第第 6 6 节节 本章小结本章小结本章首先阐述了HNC-21M华中数控铣系统功能与特点，从数控系统的工作原理与组成、数控电气系统的组成及连接、主控电路的设计、PLC程序设计与调试、系统调试与误差补偿，重点阐述了PLC机床参数设置、机床调试。最后进行华中数控系统的参数设置与误差补偿调整工作。51第第 6 6 章章 结论和结论和展望展望第第 1 1 节节 结论结论针对X5032普通立式铣床的数控化改造已经结束，经过一段时间的生产实践，完全达到预期改造目标。改造后的数控铣床较之原立式铣床相比，无论是加工范围、产品质量的稳定性、生产效率等方面都有了长足的进步。一、 操控性与机床精度方面1.机床有灵活的操作性 增加了手摇脉冲发生器，配合液晶显示屏的精确到微米的坐标显示功能，操作人员操作机床工作台或刀具到机床上的各个位置。较原机床的手摇轮有较高的精度与反映的同步性，更有利于提高整个系统的可靠性。2.提升了数控机床的精度 由于原机床的运动传递是通过齿轮变速、丝杠传动，精度不高，易发生爬行等现象，而改造后采用滚珠丝杠传动，传动精度高，平稳性得到提高。工作台面不平度；横梁在1m行程上的倾斜度； X轴，0.02mm0.02mm0.01mmY轴；定位精度Z轴，X轴，Y轴；数控改造后，0.01mm0.02mm0.02mm0.02mm机床的技术性能参数得到了提升，确保设备高效、稳定地满足各种加工的需要。二、 加工范围与经济性方面1.拓宽了加工范围 通过数控化改造后，XK5032型数控铣床不但可以完成原机床的全部加工范围生产内容，而且可以轻松加工内外球面和各种流线型曲面等复杂表面的加工。2.良好经济性 （1）改造后的数控铣床加工精度、重复定位精度都比改造前高很多，直接效果便是生产的产品表面质量高、产品致性好、很少出现废品，这样就降低了生产成本。（2）改造后的数控铣床可以在一次装夹中完成多个表面的加工，节约工装、工时52费用，从而也降低了生产成本。（3）由于采用数控编程进行产品加工，减少了测量与装卸零件时间，再加之采用了专用的数控刀具，从而提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。（4）由于数控化改造只花费了4多万元，而新购一台国产数控立铣需花费1620万元。从而节省了采购新设备费用。第二节第二节 工作展望工作展望通过本次直接参加普通机床的数控化改造，极大的提升了自身的理论与实践能力，但针对X5032立式铣床的数控化改造仍然还存在以下几个方面问题有待研究与提高：第一是滚珠丝杠螺母副的螺距误差补偿的问题。由于制造工艺、装配技术等方面的因素，实际滚珠丝杠螺母副还不能达到理想的精度，存在轴向螺距误差。滚珠丝杠螺母副螺距误差对工作台的位移误差的影响较大。本次改造只能充分利用华中数控系统的丝杠螺距误差补偿功能。虽然精度控制能力有限，但基本满足改造目标要求。随着新技术与新材料的广泛应用，相信未来一定会有更符合性价比的设备与部件来补偿螺距误差问题。第二是数控系统稳定性的问题。由于华中数控系统为国产数控系统，产生的历史较短，没有经过漫长的市场检验与完善，还存在不够稳定的问题，直接影响生产产品的质量与稳定性，易出现一些事故。但伴随电子制造业的不断发展、数控系统厂家对数控装置产品的不断完善，未来会有更多质优价廉的数控系统，会完全符合数控化改造的需求的。第三是整机刚性问题。普通机床由于其复杂的变速传动机构决定整体机床结构特征，相对于专门生产的数控机床在床身、箱体等各方面都有差异，突出特点在于机体外形空间大，实体刚性却相对数控机床差，这就导致整机存在刚性问题。针对先天的不足，在选取滚珠丝杠螺母传动副、支承轴承、伺服电机、主轴电机时则应就分考虑刚性因素，力保在通过不断的优化改造方案与选配合理的元器件来优化整体系统的刚性，总体上提升改造后数控机床的使用性能。本次改造未对驱动器特性进行优化。53结束语结束语 从课题的选取、研究 ，到总体设计 ，指导老师 都提供了不少资料给我们参考使用。这次毕业设计的任务主要是对普通铣床进行数控化改造。以求用最少的资金完成对普通铣床的改造，实现设备的再利用、提高设备的加工精度和加工效率。毕业设计作为毕业前夕的一次综合性的训练，是对我们大学四年所学知识的总结、检验和完善。 通过这次比较完整的对X5230普通铣床进行数控化改造设计，让我摆脱了单纯的理论知识学习，与实际情况的结合锻炼了我综合运用所学专业知识，解决实际问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范、工具书以及操作电脑制图等其他专业能力的水平。通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的实践能力得到了提高，经验得到了丰富，并且意志力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提高。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却非常丰富。各种数控系统的适用条件和选用原则，各种零部件的选用及安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和指导老师的沟通交流更使我学会了结合其他角度全方面考虑问题的方法。在设计过程中一些部件的设计让我很吃力，原因是由于本身设计受到书本的限定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌。正是基于这种考虑我意识到，要想完美的完成毕业设计，理论分析和实际情况结合起来考虑问题是很有必要的，这其中包括更好的理解书本知识，掌握更多的与专业相关的理论和研究方法。提高是有限的但也是全面的，正是这次毕业设计让我积累了很多实践经验，使我处理问题的能力得到了提高，同时，毕业设计需要与别人进行通力合作，所以这次毕业设计也提高了我的团队意识和对团队合作的认识。有时，你解决不了的问题也许别人可以一语道破天机。因此，多与同学、老师交流是完成这次毕业设计最大的收获。通过本次毕业设计，让我熟悉了专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。这次毕业设计只是从理论上来实现，并没有真正的去动手改造铣床，这是让我比较遗憾的地方。但是，我认为理论是实践的前提，只有在理论上合理了，从理论上发现问54题了，才能在实践中少犯错误，少走弯路。虽然在这次的毕业设计中犯了不少错误，但也学到了很多东西，希望在日后的努力中能做的更好。55参考文献参考文献1唐锐.普通机床数控化改造研究.四川大学硕士论文,2006,4.2杨道军.三轴数控铣床控制系统的研究.东北大学硕士论文,2009,6.3宇海英. XK715F 数控铣床技术改造研究.长春理工大学硕士论文.2007,1.4庄晓龙.C5225 立式车床的数控化改造.浙江工业大学硕士论文,2006,11.5郑小年，陈吉红.数控机床电气控制.伺服控制，2010，12.6张鲁阳.油管螺纹车床的数控改造设计.中国石油大学硕士论文，2008，10.7张鑫.基于 HNC-21 数控实验平台的故障诊断技术研究.吉林大学硕士论文,2009,10.8邓树光.数控机床位置精度的测试与补偿.CAD/CAM 与制造业信息化,2004,6.9陈宇晓.数控铣床故障诊断与维修技巧.机械工业出版社， 2001.10刘庶民.机床改造的思路与实用技术.机械工业出版社， 2002.11沈明珠等.数控技术.浙江大学出版社，1992.12杨文源.微型计算机在机床改造中的应用.江苏科学技术出版社，1988.13裴仁清等.机床的微机数控技术.上海科技出版社，1990.56外文资料外文资料Numerical Control One of the most fundamental concepts in the area of advanced manufacturing technol-ogies is Numerical Control(NC). Prior to the advent of NC, all machine tools were manually operated and controlled. Among the many limitations associated with manual control machine tools. Perhaps none is more prominent than the limitation of operator skills. With manual control, the quality of the product are directly related to and limited to the skills of the operator. Numerical Control represented the first major step away from human control of machine tools. Numerical Control means the control of machine tools and other manufacturing systems through the use of prerecorded, written symbolic instructions. Rather than operating a machine tool. For a machine tool to be numerically controlled, it must be interfaced with a device for accepting and decoding the programmed instructions, known as a reader. Numerical Control was developed to overcome the limitation of human operators, and it has done so. Numerical Control machines are more accurate than manually operated machines,they can produce parts more uniformly, they are faster, and the long-run tooling costs are lower. The development of NC led to the development of several other innovations in manufacturing technology:(1) Electrical discharge machining.(2) Laser cutting.(3) Electron beam welding. Numerical Control has also made machine tools more versatile than their manually operated predecessors. An NC machine tool can automatically produce a wide variety of parts, each involving an assortment of widely varied and comples machining processes. Numerical Control has allowed manufacturers to undertake the production of products that would not have been feasible from an economic perspective using manually controlled machine tools and processes.57 Like so many advanced technologies, NC was born in the laboratories of the Massachusetts Institute of Technology. The concept of NC was developed in the early 1950s with funding provided by the U.S. Air Force. In its earliest stages, NC machines were able to make straight cuts efficiently and effectively. However, curved paths were a problem because the machine tool han to be programmed to undertake a series of horizontal and vertical steps to produce a curve. The shorter the straight lines making up the steps had to be calculated. This problem led to the development in 1959 of the Auto matically Programmed Tools (APT) language. This a special programming language for NC that uses statements similar to English language to define the part geometry, descrile the cutting similar to English language to define the part geometry, describe the cutting tool configuration, and specify the necessary motions. The development of the APT language was a major step forward in the further development of NC technology. The original NC systems were vastly different from those used today. The machines had hardwired logic circuits. The instructional programs were written on punched paper, which was later to be replaced by magnetic plastic tape. Atape reader was used to interpredt the instructions written on the tape for the machine. Together, all of this represented a giant step forward in the control of machine tools. However, there were a number of problems with NC at this point in its development. A major proble was the fragility of the punched paper tape medium. It was common for the paper tape containing the programmed instructions to break or tear during a machjining process. This problem was exacerbated by the fact that each successive time a part was produced on a machine tool, the paper tape carrying the programmed instructions had to be rerun through the reader. If it was necessary to produce 100 separate times. Fragile paper tapes simply could not withstand the rigors of a shop floor environment and this kind of repeated use. This led to the development of a special magnetic plastic tape. Whereas the paper tape carried th
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号