數(shù)控車床主傳動的改造

1、第第2 2章章 數(shù)控車床改造數(shù)控車床改造2.1 2.1 數(shù)控車床主傳動的改造數(shù)控車床主傳動的改造數(shù)車主傳動的種類數(shù)車主傳動的種類數(shù)車主傳動改造的主要內(nèi)容數(shù)車主傳動改造的主要內(nèi)容數(shù)控機床主軸改造案例數(shù)控機床主軸改造案例2.1.12.1.1數(shù)車主傳動的種類數(shù)車主傳動的種類 數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)要求調(diào)速范圍寬、扭距大、變速快、精度高。主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時，對主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，有準?？刂疲鬏S與進給聯(lián)動。 與進給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普

2、通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代。交流異步伺服系統(tǒng)交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比，數(shù)字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅(qū)動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；二是功率因數(shù)較低，因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。數(shù)字式主軸伺服交流異步伺服系統(tǒng)模擬式主軸伺服交流異步伺服系統(tǒng)模擬式主軸伺服交流異步伺服系統(tǒng)交流同步伺服系統(tǒng) 近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和

3、性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較容易達到很高的調(diào)速比，允許同一機床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件。電主軸 電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機的定子、

4、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應(yīng)用。 從理論上講，電主軸為一臺高速電動機，其既可使用異步交流感應(yīng)電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術(shù)，通常內(nèi)置一脈沖編碼器來實現(xiàn)廂位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應(yīng)用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉(zhuǎn)和精密加工。2.1.2 2.1.2

5、 數(shù)車主傳動改造的主要內(nèi)容數(shù)車主傳動改造的主要內(nèi)容數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動裝置、主軸電動機、主軸位置檢測裝置、傳動機構(gòu)及主軸。數(shù)車主傳動改造也應(yīng)從這幾方面考慮。1主軸驅(qū)動裝置 模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器來實現(xiàn)主軸電動機控制，有通用變頻量控制通用電動機和專用變頻器控制專用變頻電動機兩種形式。串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置是數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家用來驅(qū)動該廠家專用主軸電動機的驅(qū)動裝置，不同數(shù)控系統(tǒng)的主軸驅(qū)動裝置各異。2主軸伺服電機的選擇 （a）功率特性曲線 （b）轉(zhuǎn)矩特性曲線圖2-1 主軸電動機特性曲線（FANUC iI3/10000）輸出功率是主軸電機負載能力的指標。圖2-1所示為主軸電動

6、機特性曲線（FANUC iI3/10000），從圖2-1（a）功率特性曲線可見主軸電機的額定功率是指在恒功率區(qū)（速度1400到7000rpm）內(nèi)運行時的輸出功率，低于基本速度1400 rpm時達不到額定功率，速度愈低，輸出功率就愈小。3主軸位置檢測裝置 當(dāng)要求機床有螺紋加工功能、準停功能和恒線速加工等功能時，則需要對主軸進行進給控制和位置控制。此時，主軸電動機裝配有編碼器或者在主軸上安裝外置式的編碼器，作為主軸位置檢測。如圖2-2所示為改造時在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器。圖2-2 主軸編碼器安裝圖 此外，剛性攻絲功能必須采用伺服電機來驅(qū)動主軸，不僅要求在主軸上增加位置傳感器，而且對主軸

7、傳動機構(gòu)的間隙和慣量都有嚴格的要求，所以不能忽略這個功能的成本。對用戶來說，如果沒有特殊的要求（例如高速高精度、特種材料或大直徑孔加工等），可以采用彈性伸縮卡頭，在一般主軸上進行柔性攻絲來滿足加工要求，就不必選用剛性攻絲功能。3主軸位置檢測裝置4傳動機構(gòu)及主軸 主軸驅(qū)動變速目前主要有兩種形式：一是主軸電動機帶齒輪換擋，目的在于降低主軸轉(zhuǎn)速，增大傳動比，以適應(yīng)切削的需要；二是主軸電動機通過同步齒形帶或V帶驅(qū)動主軸，該類主軸電動機又稱寬域電動機或強切削電動機，具有恒功率寬的特點。由于無需機械變速，主軸箱內(nèi)省卻了齒輪和離合器，主軸箱實際上成為主軸支架，簡化了主傳動系統(tǒng)，從而提高了傳動鏈的可靠性。2.

8、1.32.1.3數(shù)控機床主軸改造案例數(shù)控機床主軸改造案例 為了提高數(shù)控車床主傳動的控制性能和控制精度，可以將模擬量控制的變頻主軸升級改造成數(shù)字量控制的串行主軸。從而優(yōu)化主軸精度和綜合性能，提高數(shù)控車床零件加工質(zhì)量。下面將著重介紹兩個把模擬變頻主軸升級改造成數(shù)字伺服主軸的案例。 如圖2-3所示為改造前的主軸傳動機構(gòu)及變頻驅(qū)動。運動是從5kw的交流異步電機經(jīng)三角皮帶傳至變速箱，通過齒輪變速使主軸獲得高中低3檔轉(zhuǎn)速，再由主電機變頻調(diào)速使主軸轉(zhuǎn)速達到261260r/min。這個轉(zhuǎn)速往往不能滿足加工要求。 改造前模擬主軸的控制連接框圖見圖2-4所示，模擬主軸強電電路圖見圖2-5所示?！景咐话咐弧?

9、. 改造要點原主軸電機1 . 改造要點(a) 主軸傳動機構(gòu)中的變速箱及手柄1 . 改造要點 (b) 主軸上（即C軸）裝配的光電編碼器1 . 改造要點 (c)變頻驅(qū)動裝置及系統(tǒng)的連接 圖2-3 原主軸傳動機構(gòu)及變頻驅(qū)動1 . 改造要點 改造前模擬主軸的控制連接框圖見圖2-1所示，模擬主軸強電電路圖見圖2-5所示。 圖2-4 模擬主軸的控制連接框圖1 . 改造要點 2- 5 模擬主軸強電電路圖1 . 改造要點2系統(tǒng)選型及配置 機床數(shù)控單元為FANUC 0i-TD，伺服控制器及主軸電機均選用FANUC公司自己生產(chǎn)的i系列。FANUC的伺服電機具有平滑的旋轉(zhuǎn)特性、優(yōu)秀的加速能力以及高可靠性，搭配內(nèi)置編

10、碼器可以實現(xiàn)高精度定位與控制。(1) 伺服控制器 i主軸放大器用于驅(qū)動i系列主軸電機，其選擇取決于所搭配伺服電機的規(guī)格。 按驅(qū)動電壓分為200V（SPM）與400V（SPM-HV），按檢測器輸入口數(shù)為單檢測器口（A型）與雙檢測器口（B型）。所用iSP5.5A型伺服控制總外形圖見圖2-6，主要性能指標見表2.1。(1) 伺服控制器 (a)伺服的連接 (b)系統(tǒng)的連接圖2-6伺服控制總外形圖表2.1 主軸放大器主要性能指標伺服型號伺服型號額定輸入額定輸入電壓電壓最大輸出最大輸出電壓電壓額定輸入額定輸入功率功率額定輸出額定輸出電流電流iSP5.5A06B-6141-H006#H580283-339V

11、2406.8KW27A(1) 伺服控制器(2) 主軸電機 主軸電機外形圖如圖2-7所示，主要性能指標見表2.2所示。 表2.2 主軸電機主要性能指標電 機電 機名稱名稱額定額定功率功率（KW)最大最大功率功率 （30分鐘，分鐘，kW）額 定額 定功 率功 率基 本基 本速 度速 度（r/min）額定額定功率功率上限上限速度速度（r/min）最 高最 高轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn) 速(r/min)堵 轉(zhuǎn)堵 轉(zhuǎn)扭 矩扭 矩(Nm)旋 轉(zhuǎn)旋 轉(zhuǎn)慣 量慣 量(kgm )iI3/10 0 0 0 A06B-1405-B1033.75.5 15007000 10000 23.50.0148(2) 主軸電機相相數(shù)數(shù)電電壓壓（

12、V）最最大大電電流流（A）接接法法極極數(shù)數(shù)a m p input功率功率因數(shù)因數(shù)軸軸承承溫溫度度防護防護等級等級3154-220234200-230V，50HZ/60HZ68%0-40IP54*iI的I表示INDUCTION（感應(yīng)）檢測器分辨率重量(kg)2048P/r46(2) 主軸電機 圖2-7主軸電機外形圖3改造方案（1）機械方面 改造過程分為機械與電氣兩部分。機械方面拆除原電機，制作新的連接件安裝好新電機。還需要對主軸軸承加以檢查，最好更換為精度等級較高的軸承。 圖2-8 電機連接需要購買數(shù)字主軸驅(qū)動單 元 和 主 軸 電 機 。 數(shù)字主軸控制的硬件連接框圖見圖2-9所示，數(shù)字主軸的電

13、氣控制連接圖見圖2-10所示。圖2-9 數(shù)字主軸控制的硬件連接框圖（2）電氣改造3改造方案 圖2-10 數(shù)字主軸的電氣控制連接圖（2）電氣改造 按照新的電路圖連接控制電路后，更改系統(tǒng)內(nèi)的有關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)的有關(guān)參數(shù)見圖2-11所示。圖2-11 系統(tǒng)內(nèi)的有關(guān)參數(shù)（3）更改系統(tǒng)內(nèi)的有關(guān)參數(shù)（4）更改PMC控制梯圖數(shù)字主軸的PMC梯圖見圖2-12所示。串行主軸的速度指令是由NC以數(shù)字形式發(fā)送給主軸放大器的。S指令主要控制的是主軸的速度，在編制PMC控制梯圖時,主軸要想獲得速度指令首先要注意以下幾個信號：a：主軸急停 *G71.1b：機床準備好 G70.7c：主軸停止 *G29.6e：主軸倍率 G30

14、當(dāng)以上信號不正確時，主軸是不能獲得速度指令的。 NO.3708#0=1 檢查主軸速度到達信號。當(dāng)?shù)竭_信號為0時，禁伺服軸的進給。PMC控制梯圖PMC控制梯圖PMC控制梯圖 圖2-12 數(shù)字主軸的PMC梯圖至此，一臺車床主軸控制部分就改成了串行伺服主軸驅(qū)動。 另外，數(shù)控單元為FANUC 0i-TD或FANUC 0i-mate TD的機床，也可選用FANUC公司自己生產(chǎn)的i系列伺服控制器及主軸電機，改造過程與上相同，在此不再贅述。圖2-13 為采用i系列主軸電機及伺服控制器改造車床后電氣柜內(nèi)部情形。圖2-13采用i系列主軸電機及伺服控制器改造車床后電氣柜內(nèi)部情形【案例二】【案例二】1改造要點 CY

15、NC-500P機床（采用西門子802C數(shù)控單元）是兩坐標（縱向Z、橫向X）連續(xù)控制臥式數(shù)控機床，能自動完成內(nèi)外圓表面、圓錐面、圓弧面、端面、多種螺紋（公英制螺紋、錐螺紋、端面螺紋）、鉆、鉸、鏜孔等車削加工。外形如圖2-14所示。 改造要點：主軸驅(qū)動采用時光科技有限公司的11KW伺服控制器驅(qū)動11KW電機，取消原設(shè)備的變速箱，保留一級皮帶傳動。原設(shè)計是機械變速3檔6級/變頻調(diào)速3檔無級，改造后的主軸為伺服主軸，實現(xiàn)無級變速（不必每次機床上電時，必須在MDA方式下用S代碼輸入確定主軸檔位，手動方式下的轉(zhuǎn)速才能以參數(shù)設(shè)定的數(shù)值轉(zhuǎn)動），實現(xiàn)恒線速切削，可以長時間高、低速運行，主軸具有定位功能。 圖2-

16、14 CYNC-500P機床外形圖2系統(tǒng)選型及配置(1) 伺服控制器 伺服控制總外形圖見圖2-15所示，主要性能指標見表2.3所示。 圖2-15 伺服控制總外形圖 表2.3 主要性能指標型號型號IMS-GCT4011S備注備注額定輸出容量19KVA額定輸出電流24A電源三 相 3 8 0 V 、50HZ/60HZ允許波動:+10%-15%(2) 主軸電機主軸電機外形圖如圖2-16所示，主要性能指標見表2.4所示。 表2.4 主軸電機主要性能指標型號型號SF11KW功率11KW基頻50/60HZ電壓380V電流22.6A接法轉(zhuǎn)速1460RPM 圖2-16 主軸電機外形圖 (3) 碼盤： LF-1

17、024-BM-C05D 1024(精度提高需選用2500線)(4) 皮帶輪：110mm/245mm 減速比:2.2273(5) 皮帶：160042(6) 制動電阻： RXHG-1100W 503改造方案 機床數(shù)控單元為西門子802C，主軸驅(qū)動為連續(xù)直流電壓（010V和10V10V可變），精度相當(dāng)于12位D/A輸出。伺服控制按脈沖列和模擬量兩種輸入方式實施： (1)方案一：脈沖列方式 原理：將NC側(cè)的模擬量輸出信號（10V10V）通過F/V轉(zhuǎn)換單元（輸出頻率0250KHZ）轉(zhuǎn)換為脈沖列信號后經(jīng)過控制器內(nèi)部運算，轉(zhuǎn)化為頻率進行速度控制。 接線方式：按照控制器單脈沖列方式接線。 試驗結(jié)果：運行狀況比

18、較理想，考慮到此方法需要外接電路，而用模擬量直接連接更加簡潔，如果可以達到精度要求，選擇模擬量控制為佳。(2)方案二：模擬量方式 原理：將+10V和-10V信號分開，接口板經(jīng)過改造后，模擬量接口為010V和010V分別對應(yīng)相應(yīng)地址，精度由原來的準十位提高到十一位。 接線方式：只需引入模擬量信號和相應(yīng)I/O信號即可。 試驗結(jié)果：實現(xiàn)正向62500rpm、反向42500rpm平穩(wěn)調(diào)速，可達到定位、恒線速度加工的要求。分析比較 方案一、二經(jīng)試驗證明均為可行方案：方案二連接簡單、控制方便；但由于本控制器A/D精度為11位，如果不能達到客戶要求、可選用方案一（需要外加轉(zhuǎn)換模塊）。4技術(shù)/技術(shù)指標比較分析

19、經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，對機床參數(shù)的調(diào)整，確保了機床動作準確，精度符合要求。數(shù)控機床中主軸調(diào)速三種傳動方案的主要技術(shù)指標對比見表1.5。4技術(shù)/技術(shù)指標比較分析 表1.5 三種主軸調(diào)速傳動方案的技術(shù)性能對比機械變速主軸機械變速主軸變頻變速主軸變頻變速主軸伺服主軸伺服主軸變速范圍三檔六速：50、100200、400800、1600三檔： 351601406205802500無級： 52500變比：2.2273電機轉(zhuǎn)速730r.p.m 1450r.p.m5072320r.p.m22 5568r.p.m主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)轉(zhuǎn)距1檔：50：934 100：6962檔：200：234 400：1743檔：800：58 1600：441檔：max100：1015 160：6572檔：max400：254 620：1693檔：max1600：63 2500：425673：156800：1311600：66速度精度低1%0.08%主軸定位無無有定位精度無無0.352度/脈沖變速箱有有無電機功率5/7.5KW11KW11KW電機轉(zhuǎn)距