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1 改造原因

XB4450銑床是昆明機(jī)床廠(chǎng)生產(chǎn)的仿形銑床。其基本參數(shù)為：最大銑削長(zhǎng)度900mm，最大銑削寬度500mm，最大銑削高度350mm。該銑床由于長(zhǎng)時(shí)間工作，設(shè)備老化，機(jī)械傳動(dòng)偏差大，造成精度不高，速度慢；單軸控制，電路復(fù)雜，操作繁瑣，性能不穩(wěn)定，且效率低下。為適應(yīng)現(xiàn)代制造工業(yè)發(fā)展，合理利用資源，進(jìn)行了如下改造。

2 電氣部分改造

改造后的數(shù)控系統(tǒng)是由內(nèi)外兩個(gè)位置環(huán)組成。其中內(nèi)部閉環(huán)為轉(zhuǎn)角位置閉環(huán)，檢測(cè)元件為裝在電機(jī)軸上的光電編碼盤(pán)，驅(qū)動(dòng)裝置為交流伺服電機(jī)(代替原來(lái)的可控硅控制的直流電機(jī))，從而構(gòu)成了一個(gè)輸入為θi，輸出為θ0的隨動(dòng)系統(tǒng)。由于編碼器分辨率較高，反饋采用數(shù)字脈沖伺服，部分采用雙脈沖輸入控制，所以抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)環(huán)性能穩(wěn)定，同改造以前開(kāi)環(huán)控制比較，旋轉(zhuǎn)精度明顯提高。外部位置環(huán)采用分辨率為0.05μm光柵尺作為線(xiàn)位移檢測(cè)元件，直接獲取加工中機(jī)床工作臺(tái)的位移信息。產(chǎn)生數(shù)字脈沖傳送給計(jì)算機(jī)，構(gòu)成全閉環(huán)控制，使機(jī)床定位精度得到保證。以?xún)?nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角隨動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的位移精度由線(xiàn)位移檢測(cè)元件決定。采用雙閉環(huán)控制不但具有全閉環(huán)系統(tǒng)的位置控制精度，而且具有全閉環(huán)控制的精度穩(wěn)定性，有效地保證了機(jī)床的響應(yīng)速度和加工精度。

1) 穩(wěn)定性分析

由于內(nèi)部轉(zhuǎn)角閉環(huán)不包含間隙非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，因此通過(guò)合理設(shè)計(jì)該局部線(xiàn)性系統(tǒng)，可使其成為一無(wú)超調(diào)的快速隨動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可近似表示為

式中：K_q——轉(zhuǎn)角閉環(huán)增益
T_q——轉(zhuǎn)角閉環(huán)時(shí)間常數(shù)

系統(tǒng)外環(huán)雖然包含了非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，但設(shè)計(jì)控制器使

Gp(S)=Kp/S

式中 Kp——積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)

將系統(tǒng)校正為Ⅰ型并合理選擇系統(tǒng)增益，可避免系統(tǒng)的頻率特性曲線(xiàn)與非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的負(fù)倒幅曲線(xiàn)相交或?qū)⑵浒鼑瑥亩ＷC系統(tǒng)穩(wěn)定工作。顯然當(dāng)T_q較小時(shí)，q₀(S)/q_i(S)=K₀，系統(tǒng)將具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2) 跟隨誤差分析

采用上述方案可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，因此可忽略非線(xiàn)性因數(shù)的影響，求出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使反饋系數(shù)Kf=1，前饋通道

上式說(shuō)明，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)性能和跟隨精度。

用三菱PLC處理復(fù)雜電路邏輯關(guān)系，使得線(xiàn)路簡(jiǎn)化，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便。另外，為使機(jī)床能夠滿(mǎn)足加工不同材料的要求，主軸使用變頻器進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，保證主軸速度變化情況下，轉(zhuǎn)矩變化小。

3 機(jī)械部分改造

首先，將X、Y、Z三方向拖板的齒輪變速箱拆去不用，電機(jī)直接通過(guò)皮帶輪、同步帶帶動(dòng)滾珠絲杠，從而帶動(dòng)拖板移動(dòng)。因此機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，減少了傳動(dòng)誤差。下面以Z方向的結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明其新結(jié)構(gòu)。Z軸電機(jī)根據(jù)客戶(hù)要求安裝在機(jī)床的下方。其連接方法如圖2所示。

1.電機(jī) 2、13.螺釘 3.支承座 4、9.螺母 5.同步帶 6、8漲緊套 7.同步齒輪 10.軸承 11.外隔圈 12.內(nèi)隔圈 14.壓緊法蘭 15.滾珠絲桿
圖2

皮帶輪7通過(guò)漲緊套固定在電機(jī)軸上，它通過(guò)皮帶帶動(dòng)帶輪8，帶輪8通過(guò)漲緊套與滾珠絲杠固定(滾珠絲杠采用一端固定，一端浮動(dòng)方式的固定方式)，帶動(dòng)Z向拖板升降運(yùn)動(dòng)。其中漲緊套機(jī)構(gòu)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)鍵連接方式，比有鍵連接更易保證精度，更易安裝，其結(jié)構(gòu)、尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

4 改造結(jié)果

根據(jù)客戶(hù)反映，改造以后的銑床性能穩(wěn)定，加工精度高。該機(jī)床采用三軸聯(lián)動(dòng)，對(duì)于較復(fù)雜的模具曲面、異形工件均能自動(dòng)加工，而且運(yùn)算速度快，定位精度好，價(jià)格性能比高，適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)的需要。