不同切削參數(shù)下數(shù)控機床的機械及伺服電機特性參數(shù)測試

1、湖 南 科 技 大 學課 程 設(shè) 計課程設(shè)計名稱： 不同切削參數(shù)下數(shù)控機床的 機械及伺服電機特性參數(shù)測試 學 生 姓 名： 學 院： 機電工程學院 專業(yè)及班級： 13機械設(shè)計一班 學 號： 指導教師： 2016年 12月26 日專業(yè)綜合實驗任務(wù)書學院 機電工程學院 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 教研室主任 班級 姓名 學號 實驗名稱：不同切削參數(shù)下數(shù)控機床的機械及伺服電機特性參數(shù)測試1、實驗?zāi)康囊髮W生通過本實驗?zāi)軌蚓C合應(yīng)用電工學、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、公差配合與技術(shù)測量、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)知識，通過對零件加工過程參數(shù)的不同設(shè)置，檢測其機械、電氣參數(shù)，分析零件加工過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種

2、因素，具體要求如下：1> 掌握數(shù)控機床的機械-電氣結(jié)構(gòu)特點，理解數(shù)控機床的伺服控制回路及相應(yīng)的控制、檢測設(shè)備；2> 掌握數(shù)控編程技術(shù)，理解切削參數(shù)與數(shù)控機床各坐標軸的進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、伺服電機轉(zhuǎn)速及功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 3> 理解三相電機電磁參數(shù)功率測試儀的工作原理，掌握其使用方法；4> 理解電磁參數(shù)功率測試儀所測得的電壓、電流、功率及功率因素等隨切削參數(shù)變化而變化的原理，進而理解切削參數(shù)變化對機床能耗的影響，并掌握機床切削能耗的計算方法。2、實驗內(nèi)容以高速銑床為實驗對象，首先測量機床各坐標軸絲杠的直徑及長度，并弄清楚絲杠的材料；然后以奧-貝球墨鑄鐵圓臺為工件材料，對

3、工件進行圓周銑削，設(shè)定相應(yīng)的切削參數(shù)，并用三相功率測試儀分別對機床各坐標軸伺服電機的電壓、電流、功率、功率因素進行測試，進而計算出各伺服電機的有功功率、無功功率、視在功率、電壓與電流的相位角、有效能耗、無效能耗、總能耗等特征參數(shù)，且要求每一組同學針對不同切削參數(shù)下的機械與電磁參數(shù)測量3次。33、實驗分組機床所測坐標軸分組高速銑床X軸1-4號Y軸5-8號Z軸9-12號電主軸13-16號高速凸輪軸磨床X軸17-20號Y軸21-24號Z軸25-28號電主軸29-33號4、任務(wù)要求1）要求實驗原理圖1份（A3）；2）正確、完整的實驗過程述說及完整的實驗數(shù)據(jù)、實驗實物接線圖；3）根據(jù)實驗?zāi)繕艘?，推導?/p>

4、一個目標參數(shù)的計算公式；4）每位同學需提交1份不少于20頁的包含實驗原理、實驗方法、數(shù)控程序、實驗數(shù)據(jù)檢測及實驗分析與結(jié)論的說明書一份。5、實驗原始測試數(shù)據(jù)記錄表被測數(shù)控機床坐標軸滾珠絲杠參數(shù)備注（被測對象）材料密度半徑r（mm）長度L（mm）X軸絲杠（ ）Y軸絲杠（ ）切削參數(shù)Z軸絲杠（ ）進給速度v(m/s)主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）切削深度dp（mm）機床主軸（ ）加工時間t1空程時間t2總時間t3表面粗糙度Ra三相電參數(shù)測定abc電壓UX軸電機（ ）電流IY軸電機（ ）有功功率PZ軸電機（ ）功率因素主軸電機（ ）6、實驗?zāi)繕藚?shù)項目名稱計算結(jié)果備注（被測對象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)

5、量mY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（ ）絲杠驅(qū)動力矩M機床主軸（ ）電機輸出力矩T無功功率Q視在功率S有效能耗E1無效能耗E2總能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra指導老師（簽名） 學 生（簽名） 目錄1、實驗?zāi)康?、原理（實驗方法）3、實驗裝置（儀器設(shè)備）4、實驗步驟5、注意事項6、實驗內(nèi)容7、實驗分組8、任務(wù)要求9、數(shù)控銑床實驗操作過程10、數(shù)控程序11、實驗原始測試數(shù)據(jù)記錄表12、實驗?zāi)繕藚?shù)13、數(shù)據(jù)分析計算14、實驗結(jié)論15、思考題（分析與討論題）16、實驗心得17、參考文獻不同切削參數(shù)下數(shù)控機床的機械及伺服電機特性參數(shù)測試1、 實驗?zāi)康囊髮W生通過本實驗?zāi)軌蚓C合應(yīng)用電工學、機械制造技

6、術(shù)基礎(chǔ)、公差配合與技術(shù)測量、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)知識，通過對零件加工過程參數(shù)的不同設(shè)置，檢測其機械、電氣參數(shù)，分析零件加工過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素，具體要求如下：1>掌握數(shù)控機床的機械-電氣結(jié)構(gòu)特點，理解數(shù)控機床的伺服控制回路及相應(yīng)的控制、檢測設(shè)備；2>掌握數(shù)控編程技術(shù)，理解切削參數(shù)與數(shù)控機床各坐標軸的進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、伺服電機轉(zhuǎn)速及功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 3>理解三相電機電磁參數(shù)功率測試儀的工作原理，掌握其使用方法；4>理解電磁參數(shù)功率測試儀所測得的電壓、電流、功率及功率因素等隨切削參數(shù)變化而變化的原理，進而理解切削參數(shù)變化對機床能耗的影響，并掌握機床切削

7、能耗的計算方法。2、 實驗原理（實驗方法）2.1 實驗理論原理為了讓學生理解并掌握數(shù)控機床切削加工時，切削參數(shù)（進給速度v、主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度dp等）變化會引起切削力F/力矩M以及表面粗糙度Ra的相應(yīng)變化，實驗采用改變切削參數(shù)時對機床各坐標軸及機床主軸伺服電機的電壓、電流及輸出功率進行測試，然后依據(jù)如下公式依次計算： 給定進給速度v求坐標軸滾珠絲杠驅(qū)動力矩M及其轉(zhuǎn)速ns （1）（v為坐標軸進給線速度，m/s；ns為絲杠轉(zhuǎn)速，r/min； d為絲杠直徑，mm；r為絲杠半徑，J為絲杠的轉(zhuǎn)動慣量） （2） （為絲杠密度；V為絲杠體積；L為絲杠長度） 根據(jù)測得的伺服電機有功功率P計算電機的輸出轉(zhuǎn)矩T

8、 （3）（P為電機輸出有功功率，kW；對機床主軸，n為轉(zhuǎn)速， 對各坐標軸，nns，r/min） 根據(jù)測得單相的電壓U、電流I、功率因素角，計算有功功率P，無功功率Q，視在功率S （4）則總有功功率： （5）總無功功率： （6）總視在功率： （7）式中：U為線電壓，I為線電流， 為電壓與電流的相位差機床切削能耗：（t為時間） （8）2.2 實驗檢測儀器原理三相電參數(shù)功率測試儀由三路獨立的功率采樣電路、微處理器運算電路、顯示/鍵盤電路、USB/RS232C/RS485 通訊電路、電源電路組成。其中功率采樣電路分為電壓采樣和電流采樣兩部分。電壓采樣電路采用電阻降壓，輸入極點浮地；電流采樣采用電流傳感

9、器CT隔離采樣。兩者又各自包括：信號放大、自動量程處理、抗混迭低通濾波電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。由于功率采樣電路的電壓和電流采樣電路彼此獨立，故可靈活地接成單相模式、二相二線(2VT2CT) 模式、三相三線(3VT3CT) 模式、三相四線模式。其中三相四線(3 Phase 4 Wire, 3P4W)功率測量系統(tǒng)較多用于電力測量和監(jiān)控，該系統(tǒng)具有三條相線(火線)A、B、C、一條中性線N(也稱零線)。由于中性線的引入，使得電壓的公共參考點可以以中性線為參考點，能同時測量線電壓和相電壓，測量原理如圖1所示。圖1 三相四線功率測量原理圖三相四線功率測量采用三功率測量通道，也稱作三相四線三元測量法。其中

10、功率采樣電路對輸入的交流信號進行量化采樣，后經(jīng)微處理器運算電路進行數(shù)字運算處理，并把測量數(shù)據(jù)顯示在面板上。三相功率測試儀的通訊接口有USB、RS232、RS485三種形式，承擔著儀器與外界如PC，PLC等的通訊任務(wù)。其中RS232和RS485在儀器內(nèi)采用了光電隔離技術(shù)，使儀器的抗雜訊干擾級別提高，可以可靠地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。三相功率測試儀各參數(shù)的測試顯示面板如圖2所示。圖2 AITEK顯示面板試驗接線如圖3所示。圖3 三相電功率參數(shù)測試儀接線圖功率儀實物接線如圖4所示。A相電流鉗對應(yīng)A1接口，B相電流鉗對應(yīng)A2接口，C相電流鉗對應(yīng)A3接口。圖4 功率儀實物接線圖電流鉗與電壓夾實物如圖5所示

11、。圖5 電流鉗與電壓夾實物3、實驗裝置（儀器設(shè)備） 三相電功率測試儀、數(shù)控機床、工件及相應(yīng)夾具、刀具、Aitek軟件、電腦、連接線、百分表或表面粗糙度儀等4、實驗步驟A.將工件安裝在機床工作臺上，并上好刀具； B. 檢查各儀器設(shè)備是否能正常工作，檢查線路開關(guān)是否斷開； C. 確定數(shù)控機床無通電的情況下，按照功率儀操作使用書連接線路，功率儀接線如圖4所示，A相電流鉗與黃色電壓夾連接在機床A相電線，B相電流鉗與綠色電壓夾連接在機床B相電線，C相電流鉗與黃色電壓夾連接在機床C相電線(A，B，C三項電線依次自定義)，USB連線連接電腦，完成功率測試平臺的搭建； D. 檢查線路無誤后，打開電源，開啟數(shù)控

12、機床； E. 手動操作機床回零，完成數(shù)控程序的輸入或在線編輯等工作； F. 開啟三相電功率測試儀，設(shè)定參數(shù)進入自動檢測狀態(tài)；然后啟動數(shù)控程序，讓機床進行切削加工，在機床完成一個工序后，保存功率儀所測得的數(shù)據(jù)；修改切削參數(shù)，繼續(xù)進行測試，累計測量不少于3次；關(guān)閉機床電源，更換被測伺服電機，重復上述過程，直到數(shù)控機床的所有電機完成測試。G.導出數(shù)據(jù)并保存； H. 依次關(guān)閉數(shù)控機床、功率測試儀等相關(guān)設(shè)備；I. 斷開全部設(shè)備電源，清潔機床，整理實驗設(shè)備并放回原處，清理實驗現(xiàn)場。5、注意事項A.嚴格遵守實驗室管理制度B.嚴禁在不熟悉機床、儀器設(shè)備等情況下做實驗； C.嚴禁在儀器設(shè)備線路沒接好的情況下開啟

13、電源；D.嚴禁在沒有斷開機床電源及機床變頻器尚有殘余電壓的情況下拆接伺服電機的連線（即嚴禁帶電操作接線）。 6、實驗內(nèi)容以高速銑床為實驗對象，首先測量機床各坐標軸絲杠的直徑及長度，并弄清楚絲杠的材料；然后以奧-貝球墨鑄鐵圓臺為工件材料，對工件進行圓周銑削，設(shè)定相應(yīng)的切削參數(shù)，并用三相功率測試儀分別對機床各坐標軸伺服電機的電壓、電流、功率、功率因素進行測試，進而計算出各伺服電機的有功功率、無功功率、視在功率、電壓與電流的相位角、有效能耗、無效能耗、總能耗等特征參數(shù)，且要求每一組同學針對不同切削參數(shù)下的機械與電磁參數(shù)測量3次。7、實驗分組機床所測坐標軸分組高速銑床X軸1-4號Y軸5-8號Z軸9-1

14、2號電主軸13-16號高速凸輪軸磨床X軸17-20號Y軸21-24號Z軸25-28號電主軸29-33號8、任務(wù)要求1）要求實驗原理圖1份（A3）；2）正確、完整的實驗過程述說及完整的實驗數(shù)據(jù)、實驗實物接線圖；3）根據(jù)實驗?zāi)繕艘?，推導每一個目標參數(shù)的計算公式；4）每位同學需提交1份不少于20頁的包含實驗原理、實驗方法、數(shù)控程序、實驗數(shù)據(jù)檢測及實驗分析與結(jié)論的說明書一份。9、數(shù)控銑床實驗操作過程使用數(shù)控機床前需進行開關(guān)機操作（一）開機 打開外部電源開關(guān)，啟動機床電源，將操作面板上的緊急停止按鈕右旋彈起，按下操作面板上的電源開關(guān)，若開機成功，顯示屏顯示正常，無報警。（二）機床回原點機床只有在回原點

15、之后，自動方式和MDI方式才有效，未回原點之前只能手動操作。一般在以下情況需要進行回原點操作，以建立正確的機床坐標系：（1）開機后；（2）機床斷電后再次接通數(shù)控系統(tǒng)電源；（3）超過行程報警解除以后；（4）緊急停止按鈕按下后。實驗操作過程（一）加工要求 根據(jù)零件材料、生產(chǎn)綱領(lǐng)、加工要求、工藝要求選擇加工設(shè)備（二）準備工作加工以前完成相關(guān)準備工作，包括工藝分析及工藝路線設(shè)計、刀具及夾具的選擇、程序編制等。（三）操作步驟及內(nèi)容 （1） 開機，各坐標軸手動回機床原點。（2） 刀具安裝根據(jù)加工要求選擇銑刀，用彈簧夾頭刀柄裝夾后將其裝上主軸。（3） 清潔工作臺，安裝夾具和工件將平口虎鉗清理干凈裝在干凈的工

16、作臺上，通過百分表找正、找平虎鉗，再將工件裝正在虎鉗上。（4） 對刀設(shè)定工件坐標系 用尋邊器對刀，確定X、Y向的零偏值，將X、Y向的零偏值輸入到工件坐標系G54中 ； 將加工所用刀具裝上主軸，再將Z軸設(shè)定器安放在工件的上表面上，確定Z向的零偏值，輸入到工件坐標系G54中。（5） 設(shè)置刀具補償值將刀具半徑補償值5輸入到刀具補償?shù)刂稤01。（6） 輸入加工程序?qū)⒂嬎銠C生成好的加工程序通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綑C床數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存中。（7） 調(diào)試加工程序把工件坐標系的Z值沿+Z向平移100mm，按下數(shù)控啟動鍵，適當降低進給速度，檢查刀具運動是否正確。調(diào)整程序中進給速度v主軸轉(zhuǎn)速n切削深度dp并將數(shù)據(jù)記錄進表格中

17、。（8） 自動加工把工件坐標系的Z值恢復原值，將進給倍率開關(guān)打到低檔，按下數(shù)控啟動鍵運行程序，開始加工，機床加工時，適當調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進給速度，并注意監(jiān)控加工狀態(tài)，保證加工正常。同時將加工時間以及三相電參數(shù)記錄進表格中。（9） 測量工件加工面粗糙度并記錄數(shù)據(jù)。（10） 重復實驗并得到一共3組數(shù)據(jù)。（11） 清理加工現(xiàn)場。（12） 關(guān)機。10、數(shù)控程序N0010 G90 G54;N0020 M03 S2500;N0030 G00 X0 Y20;N0040 G01 Y-175 S1000 F200;N0050 G03 X20 Y-175 I20 J0 S2500 F200;N0060 G01 X5

18、8 S2500 F200;N0070 X78 Y-165;N0080 Y-30;N0090 G02 X48 Y0 I0 J30 S2500 F200;N00100 G01 X-20 F200;N00110 G00 X0 Y20;N00120 M05 M3011、實驗原始測試數(shù)據(jù)記錄表被測數(shù)控機床坐標軸滾珠絲杠參數(shù)備注（被測對象）材料密度半徑r（mm）長度L（mm）X軸絲杠（）19.98mm917.7mmY軸絲杠（ ）切削參數(shù)Z軸絲杠（ ）進給速度v(m/s)主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）切削深度dp（mm）機床主軸（ ）25002000.2加工時間t1空程時間t2總時間t3表面粗糙度Ra237”02

19、37”0.03mm三相電參數(shù)測定abc電壓U388.12V386.10V387.33VX軸電機（）電流I2.911A2.332A1.856AY軸電機（ ）有功功率P-1033W-307.7W33.703WZ軸電機（ ）功率因素-0.915-0.3420.047主軸電機（ ）12、實驗?zāi)繕藚?shù)項目名稱計算結(jié)果備注（被測對象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)量mY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（ ）絲杠驅(qū)動力矩M機床主軸（ ）電機輸出力矩T無功功率Q視在功率S有效能耗E1無效能耗E2總能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra13、數(shù)據(jù)分析計算d1=39.94mm d2=39.98mm d3=39.96mmr=(

20、d1+d2+d3)/6=19.98mmL1=918.6mm L2=917.4mm L3=917.2mmL=(L1+L+2+L3)/3=917.7mmRa1=40m Ra2=10m Ra3=10mRa=( Ra1+ Ra2+ Ra3)/3=20mV=200mm/min=0.0033m/s絲桿體積絲桿質(zhì)量轉(zhuǎn)動慣量進給線速度驅(qū)動力矩輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)測得單相電壓U，電流I，功率因數(shù)計算有功功率P，無功功率Q，視無功率S。 14、實驗結(jié)論項目名稱實驗結(jié)論備注（被測對象）象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)量m9.03kgY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（）絲杠驅(qū)動力矩M4.71N·m機床主軸（ ）電機輸出力矩T4.91N·m無功功率Q-1242.72w視在功率S2749.09w有效能耗E1-219.310KJ無效能耗E2195.107KJ總能耗E3-24.203KJ相位角60°15、思考題（分析與討論題） 1>如何計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J？