X5032数控化改造

毕业设计（论文）

课题名称 姓 名 学 号 系(分院) 专 业 班 级 指导教师

企业指导教师

X5032普通铣床的数控化改造

2014

年5月10日

目 录

摘 要 .................................................... I 第一章 绪 论 ............................................................................................... 1

1.1 国内外数控化改造的现状 ............................... 1 1.2 项目的来源及研究意义 ................................. 2 1.3 改造方案的可行性分析 ................................. 2 1.4 本文研究的主要内容 ................................... 3

第二章 X5032立式铣床总体设计 .............................................................. 4

2.1 X5032立式铣床数控化改造的调查研究与方案设计 ...................... 4

2.1.1 国内立式铣床数控改造的成功案例调查......................... 4 2.1.2 数控系统及进给伺服驱动系统的选择........................... 5 2.1.3 主传动轴系统改造方案....................................... 6

2.2 X5032立式铣床数控改造的总体方案 ...................... 7 2.3 本章小结 ............................................. 8

第三章 X5032立式铣床主传动系统的改造 ............................................ 9

3.1 交流主轴驱动装置的特性 .................................................................. 9

3.1.1 交流变频主轴驱动装置的特性................................. 9 3.1.2 交流伺服主轴装置的特性.................................... 10

3.2 主轴驱动装置的接口 .................................. 10 3.3 主轴驱动装置的选型 .................................. 13

3.3.1 主轴系统的特点和适用范围................................... 13 3.3.2 功率选择.................................................. 15

3.4 数控机床的主轴系统 ........................................................................ 15

3.4.1 数控机床主传动系统的要求.................................. 16 3.4.2 主轴的传动方式............................................ 16 3.4.3 主轴换挡.................................................. 17 3.4.4 主轴定向功能.............................................. 18 3.4.5 主轴进给功能.............................................. 21

3.5 本章小结 ........................................................................................... 22

第四章 X5032立式铣床伺服进给系统的改造 ...................................... 23

4.1 伺服进给系统基础 .................................... 23 4.2 滚珠丝杠螺母副 ...................................... 24 4.3 X5032立式铣床进给系统的改造思路 .................... 25 4.4 进给部件的配置计算与选配 .......................................................... 26

4.4.1 X、Y轴滚珠丝杠和伺服电机的选择与计算 ..................... 26 4.4.2 Y、Z轴丝杠和伺服电机选择与计算[4].......................... 35

4.5 本章小节 ............................................................................................ 35

第五章 X5032立式铣床数控系统设计 ................................................... 37

5.1 华中世纪星21M数控系统简介 .......................... 37 5.2 数控电气系统的组成及连接 ............................ 37 5.3 主控电路的设计 ...................................... 39 5.4 数控系统中的PLC程序设计 ............................ 41

5.4.1 数控系统中PLC的作用...................................... 41 5.4.2 X5032铣床数控系统PLC控制框架设计 ........................ 42

5.5 系统调试与误差补偿 ........................................................................ 43

5.5.1 HNC-21M系统调试步骤 ...................................... 43 5.5.2 改造后数控系统的初上电.................................... 44 5.5.3 PLC编制程序的调试 ........................................ 44

5.5.4 华中HNC-21M参数设定...................................... 44

5.6 本章小结 ............................................................................................ 48

第六章 结论和展望 ..................................................................................... 49

6.1 结论 ...................................................................................................... 49

6.1.1 操控性与机床精度方面...................................... 49 6.1.2 加工范围与经济性方面...................................... 49

6.2 工作展望 .............................................................................................. 50

参考文献 .......................................................................................................... 52

致谢 .................................................................................................................. 53

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摘 要

本文从经济实用、稳定可靠性等方面考虑对X5032普通立式铣床进行数控改造立项研究时，结合X5032型立式铣床进行主运动、进给运动传动系统、电路改造设计、PLC设计与编程、数控装置分析、计算以及选型匹配。使机床数控改造后，数控铣床具备程序存储和编辑等功能；主轴变频交流电机达到50-3000RPM/min的无级调速；机床实现三轴联动；系统可控制起止和故障报警；能够进行微机通讯等；数控化改造的机床具有刚性良好；摩擦小，传动间隙可以控制等。

X5032数控铣床改造主要包括伺服驱动系统、滚珠丝杠螺母传动副设计的计算，传动系统结构设计选型与参数计算。去除原机床纵、横向与垂向的齿轮进给传动系统、进给手柄等，将伺服电机与滚珠丝杠连接。主传动系统设计拆除机床主轴，重新设计主轴。使用交流变频调速器来对主轴电机进行变频调速。

配置的华中世纪星HNC-21M数控系统是一个基于开放式体系结构，内置嵌入式工业PC数控系统。具备低价格、配置灵活、高性能、使用简单容易的特点。华中数控系统由输入输出模块、主轴变频驱动模块、三轴伺服进给运动驱动控制模块、网络数控传递模块、润滑与冷却系统等模块。克服以往简易数控系统功能的缺点，具备手工编程简单，机床操作容易、加工适用范围广，并可通过CAM软件编程实现各种复杂曲面的轨迹逻辑控制，实现对复杂零件曲面的完美加工。

此项改造通过试运行、试切以及机床误差调整，总结出该机床系统存在的问题，以及相对应的改进措施方案与实施。从而系统地进行了软、硬件的联合调试，并对实验结果进行全面分析与总结；并提出了改进的措施。通过不断的完善与修正，达到更可靠、安全与稳定运行的使用目的需要。

关键词：数控化改造 伺服驱动 数控系统 调试与检测 误差调整

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第一章 绪 论

1.1 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[1]。

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]。

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

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具有重要的意义，能够创造较好的经济效益和社会效益。

1.2 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。

1.3 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3~4万元，而购买一台类似的国产数控立铣机床却需花费15~20万元左右，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

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造，可以达到既保证生产效益，又能控制改造成本的目的[3]。

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。

1.4 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：

1．X5032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。

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第二章 X5032立式铣床总体设计

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。

2.1 X5032立式铣床数控化改造的调查研究与方案设计

2.1.1 国内立式铣床数控改造的成功案例调查

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[3]：

X、Y和Z轴进给轴的定位精度?0.040mm/300mm。 X、Y和Z轴进给轴的重复定位精度?0.025mm/300mm。

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。

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

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SIEMENS802D数控系统与X、Y、Z轴采用SIMODRIVE611UE伺服驱动系统，将原机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

NUMPOWER1040TPLC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[4]。

2.1.2 数控系统及进给伺服驱动系统的选择

1．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[4][5]。

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。

2．伺服驱动系统的选择

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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；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[4]。

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。

2.1.3 主传动轴系统改造方案

1．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。

2．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

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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：

（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）PLC功能强大，编程操控简单，使用管理方便[4]。

综合所述，本次改造主轴电气控制采用PLC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FX2N?80MRPLC来进行相关控制。

HSV?18S?050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(DSP)、可编程逻辑阵列(FPGA)和智能化功率模块(IPM)等先进技术，具备有025A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制。本机采用GM7系列交流伺服主轴电机。

2.2 X5032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 [4]。

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图2-1 铣床改造布局图

2.3 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。

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第三章 X5032立式铣床主传动系统的改造

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。

3.1 交流主轴驱动装置的特性

3.1.1 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) [5]

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额定功率 30min额定功率 基本转速 最高转速 转速范围 额定转矩 电动机惯量 电动机重量 PN kW kW r/min r/min r/min 4.5 5.6 1500 4000 8~4000 28 0.017 60 PN(30min) Nb Nmax TN Nm kgm2 Jm Wt kg 3.1.2 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1.5~3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[5]。

3.2 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

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电；速度指令由1、2、3脚输入，指令电压范围是直流0~10V；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：

110K2345OVL1LL3三相电源输入起/停正/反主轴变频器UVWM 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

1、输入电源接口

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

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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230~400V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。

2、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0~10V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?10~?10V模拟电压以及?20mA~?20mA作为速度指令，其中信号幅值控制转速，信号极性控制旋转方向[32]。

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。

3、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[8]。

4、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

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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

3.3 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。

3.3.1 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

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

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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V/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，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(100~200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。因结构上有优势，电主轴主要向高速方向发展，一通常在10000r／min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。

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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。

3.3.2 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5．5KW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。

3.4 数控机床的主轴系统

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。

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3.4.1 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[4]。

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。

3.4.2 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1~2对齿轮降速，目的是降低速度，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[6]。

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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[7]。

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2500~4000m/min；加工钢件为400~2000m/min；加工铸铁为800~2400m/min，进给速度也可以相应提高很多倍。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[22]。

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。

3.4.3 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l~4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[6]。

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。

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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[12]。

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M41~M44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。

3.4.4 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

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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

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；

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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[9]

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

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种控制方式应注意：

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。

3.4.5 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，

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同样主轴电动机工作时，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。

3.5 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。

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第四章 X5032立式铣床伺服进给系统的改造

4.1 伺服进给系统基础

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）。

数控装置驱动电路编步进电机码器工作台 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。

数控装置驱动电路编步进电机码器工作台 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，来高精度地反馈控制信号（如图4-3所示）。

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反馈直线位移检测装置数控装置驱动电路编步进电机码器工作台

图4-3 闭环系统

4.2 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。

4.3 X5032立式铣床进给系统的改造思路

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

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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。

单推工作台单推

图4-6 单推配单推

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4.4 进给部件的配置计算与选配

已知机床参数资料：

Z升降台总重力W?2500N，导轨滑动摩擦系数??0.1，导轨静摩擦系数

?0?0.2，X、Y轴、Z轴三个方向快速进给速度?max?15m/min。

50?m/全行程，改造后机床定位精度达到30?m/300mm，重复定位精度20?m，

其它参数见下表4-1。

机床工作状况表4-1

4.4.1 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

PVmaxh?i?n （4-1） max其中：Ph:丝杠导程(mm),Vmax：工作台移动的最大速度(m/min)

nmax：电机最高转速(r/min)，取值为nmax?3000r/min；

i：传动比，取值为i＝1/3； 由表4-1得Vmax?6m/min 代入式4-1得：

Ph?61?6mm

3?3000 圆整取Ph?6mm

2．确定当量转速和当量载荷

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(1)各种切削方式下丝杠转速

ni?Vi?103 （4-2） PhniVi式中：

：丝杠转速（r/min） i＝1，2，?，n ：进给速度（m/min） i＝1，2，?，n

V1由表4-1得

＝0.02 V2＝0.01 V3＝0.002 V4＝12代入式4-2得： ＝2 n2＝1 n3＝0.2 n4＝1200

n1(2)各种切削方式下丝杠轴向载荷

Fi?PXi???(W1?W2?PZi) （4-3） 式中：

PYiFi:丝杠轴向载荷（N） i＝1，2，?，n ：纵向切削力（N） i＝1，2，?，n

PXi：垂向切削力（N） i＝1，2，?，n

PX1

由表4-1得 =3000 =3000

W1PX2PY2

=2000

PX3PY3

=1200

PX4=0 =0

PY1=2000 =1200

PY4

已知升降台重量

当量转速

nm?n1＝2500N，刀架重量

F2W2＝1500N，代入4-3中得： ＝2600N

F4F1＝7910N ＝3390N

F3＝1800N

tt1t?n22?…?nnn （4-4） 100100100式中：

nm：当量转速（r/min）

t1,t2，…，tn：工作时间百分比

tttt由表4-1得1＝10 2＝40 3＝40 4＝10代入式4-4中得： nm?2?10404010?1??0.2??1200??120.68r/min 10010010010027

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3Fm?F13ntn1t1nt?F2322?…?Fn3nn （4-5） 100nm100nm100nm当量载荷

m：当量载荷（N），则：

3Fm?79103?2?101?400.2?401200?10?33903??26003??18003?100?120.68100?120.68100?120.68100?120.68=1890N

3．预期额定动载荷 （1）按预期工作时间估算

Cam?360nmLhFmfw （4-6）

100fafc已知Lh?20000小时代入式4-6中得：

Cam?360?120.68?200001890?1.5?33827N

100?1?0.44（2）预紧滚珠丝杠副的轴向负载

Fmax测算：

Cam?feFmax （4-7） 式中：

fe—预加负荷系数，取值

fe?4

已知最大负荷Fmax?7910N，通过式4-7得：

Cam?4?7910?31640N 则取最大值为： Cam?33827N 4．最小底径的确定

（1）预算允许的最大变形量[4]

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（1/2～1/3）左右。所以规定滚珠丝杠副许可的最大轴向变形量：

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①??(1/3~1/5)重复定位精度。

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。

②?m?(1/4~1/5)定位精度。

使用以上两种估测方法确定最小值取为?m(单位?m)[4]。 已知重复定位精度20um,定位精度30um，故： ①?m?5 ②?m?6 最终的取值为?m?6?m （2）最小底径计算[4][5]

取两端固定的支承形式来计算丝杠要求预拉伸，公式如下： dmin?1010F0L （4-8） ??mE已知行程为1200mm，工作台对丝杠的正压力W2?1500N，静摩擦系数?0=0.2则：

F0=0.2?1500?300NL=1.2?1200?14?10?1580mm dmim?1010?300?1580?12mm5??5?2.1?105．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

Ph、

Cam、

dmin的值在米思米（中国）精密机械贸易有限公司的精

密滚珠丝杠副产品选择表中选取BSRRK3210.3232，其参数如下：

公称直径 导程 外径 底径 额定负载 循环圈数 2.5圈2列 动负载 42.8 静负载 86.7 mm 32 mm 6 mm 32 mm 25 6．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Fp，且其大小必须合

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理。预紧力通常不应超过最大轴向负载的1/3~1/4。

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]。

Fp?1Fmax （4-9） 3其中Fmax?7910N，则Fp≈7910N 7．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]。

C???tLu （4-10） 式中：C：行程补偿值（?m）

t:丝杠螺母副温变2-3摄氏度，取为3度。

?:丝杠膨胀系数，11.8?10.3/度。 L?:滚珠丝杠的有效工作行程范围（mm）。Lu?工作台行程(Lk)+螺母长度查样本为175mm,Ln?(2~4) Ph?6mm

得Lu?1200?175?60?1435(mm) 得C?11.8?10?6?3?1435?103?50.8?m （2）预拉伸力

?d22?IAE2Ft????t?1.95?td2 （4-11）

L4式中：

Ft：预拉伸力（N），d2：滚珠丝杠副螺纹底径（mm）

52 E：杨氏弹性模量2.1?10N/mm

已知条件：d2=25mm，代入2.1?105N/mm2 Ft?1.95?3?252?3656.25N

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8．确定支承轴承的代号与规格

（4-12）轴承所承受的最大轴向载荷 FBmax?Ft?Fmax

其中：Ft--滚珠丝杠副的预紧拉伸力(N)

Fmax：最大轴向负载力(N)

已知Fmax?7910N，Ft?3656N代入式4-12中得：FBmax?11566N 选用米思米向心带座推力轴承7004 查产品参数得： Ca=27600?FBmax?11566N 9．选配伺服电机

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 ①传动丝杠转动惯量

4Js?0.77d0l?10?12?0.77?324?1200?10?12?0.0097(kgm2)

式中： d0—滚珠丝杠公称直径（mm），l—滚珠丝杠长度（mm） ②移动件转动惯量Jw

Jw?(Ph6)W2?10?12?()?20002?10?12?0.004(kgm2) 2?6.28式中 Ph：滚珠丝杠副的导程（mm），W：升降台及工作台质量（kg） ③负载折合转动惯量Jr

Jr?J1?i2(J2?JS?JW)

1?0.0003?()2(0.032?0.0514?0.004)?0.088(kgm2)

3（2）滚珠丝杠副上各种转矩的计算 ①外加载荷的摩擦力矩TF(N?m)

TF?FPh?10?3 (4-13) 2??31

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式中： Ph：滚珠丝杠副的导程(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F?4000N，Ph?6mm代入式4-13中得：

TF?4000?6?10?3?4.44Nm

2??0.9②滚珠丝杠副预加载荷FP产生的预紧力矩TP（N.m）

FpPh1??2Tp??10?3 (4-14) 22??已知FP?2136N,Ph?6mm,??0.93代入式4-14中得：

2136?61?0.932Tp??10?3?8.64N.m 22?0.93③当电机从静止升速至nmax时的加速转矩Ta(N.m)

Ta?J2?nmax6.28?3000?0.0123??9.66N?m 60ta60?0.4④伺服电机连续工作最大转矩TF(N.m)

TM?(TF?TP)i?(4.44?8.64)/3?4.36N?m 式中：i：传动比，电机与丝杠为一级减速i?1/3 ⑤快速空载启动时电机的转矩T(N.m)

T?Ta?TM?9.66?4.36?14.02N?m 10．传动刚度计算 （1）丝杠抗拉压刚度 ①丝杠最小抗拉压刚度

Ksmin2d22522?6.6?10?6.6??102?343.75N/?m

L11200式中 Ksmin：最小抗拉压刚度（N/?m)，d2：丝杠底径（mm），

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L1：两固定支承点间距(mm)，

②丝杠最大抗拉压刚度

Ksmax2d2L1?6.6?102.4L1(L1?L0)?6.6?25?1200?102?618.75N/?m4?200(1200?200)2

式中 Ksmax：最大抗拉压刚度（N/um)；

d2：L1L0丝杠底径(N/?m)；

：两固定支承点间距（mm）；

：螺母起始点距最近支承点间距（mm）

（2）支承轴系刚度 ①单对轴承的刚度

K80?2?1.953dQZ2*Famax （4-16）

式中

K80：单对轴承的刚度系数(N/?m)；dQ：向心推力轴承滚珠直径（mm）；Z：

本案所选向心推力轴承得dQ?11mm,Z?16;Famax:最大轴向负载（N）， Famax?4?3500?14000N。 Famax取为预加负载的3~4倍，则：K80?2?1.95311?162?14000?863N。 ②支承轴承组系刚度

对于两端固定支承，取Kb?2K80，则：Kb?2?863?1726N/?m ③滚珠与滚道的接触刚度计算：

Kc?K('cFp0.1Ca)13 （4-17）式中 Kc：滚珠与滚道的接触刚度（N/?m）；

'Kc ：查样本刚度(N/?m)，查取：Kc'?723N/?m；

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FpCa： 丝杠预紧力（N），Fp?1033N； ： 额定动载荷（N）,查取：Ca?11500N；

13167)3?620N/?m； 最终计算得：Kc?723?(0.1?1150011．刚度验算及精度的选择 ①传动系统的刚度K分析计算：

1111??? （4-18） KKsKbKc式中：

Ks：丝杠抗拉压刚度系数； Kb：支承轴承组系的刚度参数； Kc：滚珠与滚道的接触刚度参数（N/um）。得：

1111 ???KminKsminKbKc11111????N/?m Kmin343.7517266201961111???KmaxKsmaxKbKc

11111????N/?m Kmax618.751726620263②传动系统刚度校核 要求轴向最小传动系统刚度的影响；

Kmin?1.6F01.6?0W? （4-19） ?s?s式中 F0：导轨静摩擦阻力（N），?0：静摩擦系数，取?0?0.2。

W：正压力，滑座和工作台给丝杠的正压力W=W1+W2=3000N,

s ：机床的反射死角误差，已知反向差值或重复定位精度20?m。34

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则：

1.6F01.6?0.2?3000??43N/?m ?s20故：Kmin?196?43满足刚度要求 ③传动系统刚度引发的定位误差

?K?F0(1111?)?3000(?)?3.90?m KminKmax196263④确定精度

V300P≤0.8??d??k（?d为定位精度） V300p：在300毫米范围内的行程变动量。，

已给出定位精度值?d为30?m/300，得到V300p≤0.8?30?3.90?20.10?m；

丝杠加工精度取3级 得到V300p?12?m?20.10?m ⑤确定滚珠丝杠螺母传动副规格与代号

最终确定的型号为：FFZD，螺纹长度丝杠公称直径尺寸为:53mm,导程为:6mm，为：560mm,全长780mm。

最终选择滚珠丝杠副的规格是： FFZD53194?P3/680?560。

4.4.2 Y、Z轴丝杠和伺服电机选择与计算[4]

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：FFZD53104?P3/800?700，交流伺服电机型号为：GM7。

Y轴选择滚珠丝杠副的规格是： FFZD53194?P3/680?560，交流伺服电机型号为：GM7。

4.5 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

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