普通机床数控化改造.docx

普通机床数控化改造内容主要内容：1. 主轴：主轴性能、电机选择、电机调速、主轴传动、主轴支撑形式、轴承选择2. 进给系统：进给系统性能、伺服系统(伺服电机选择)、滚珠丝杠选择、传动连接、 螺母副预紧、导轨副、传动元件消隙、滚珠丝杠螺母副支撑形式主轴： 主传动的电气部分通常保留原电器系统，因此主传动链维持不变，主轴箱内的变速部分 就不需要改造其机械部分需改造对象主要为：主轴组件、主轴支撑主轴数控化改造首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度，其次考虑主轴 高转速是温升低、热变形小，噪声要降低到最低限度主轴性能：变速、功率、扭矩1) 自动实现无级变速-实现在最佳切削条件下工作2) 高扭矩、大功率-实现高速高效加工3) 结构简单减少传动件-减低噪声、减轻发热、减少震动4) 加工中心具有自动加紧主轴定向准停装置5) 主轴位置检测装置 电机无极调速方法：1) 采用交流主轴驱动系统2) 在经济型、普及型数控机床上，为降低成本，可采用变频器带变频电动机或普通交流电 动机实现无极变速方式3) 电主轴 主轴的连接形式：1. 用辅助机械变速机构联接 在大中型数控机床上，为使主轴在低速时获得大扭矩和扩大功率调速范围，通常在无极 变速传动的基础上，再增加两级或三级辅助机械变速机构。

通过分段变速方式，保证低速时 大扭矩和扩大恒功率调速范围，满足机床重切削是对扭矩要求辅助变速的动作控制，可以通过数控系统的“自动传动级变换”功能自动实现 定传动比的连接形式2. 再使用定传动比传动时，为了降低噪声与震动通常采用三角皮带或同步皮带传动3. 采用电主轴 电主轴可以大大简化主传动系统的结构，有效地提高主轴刚度和可靠性主轴的输出扭 矩、功率、恒功率调速范围决定于主电动机本身另外，主电动机的发热对主轴精度有一定 的影响外壳一般有进行强制进行冷却的水槽主轴电机 主轴电机一般不用伺服电机，除非在加工中心的高速加工中可能应用伺服主轴电机主轴部件的支撑 轴承选择：主轴一般采用滚动轴承作为支撑，常用的几种滚动轴承： 锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为 1:12 的锥孔，当内圈沿锥形轴向移动时，内圈胀大， 可以调整滚道间隙特点：滚子数量多，两列滚子交错排列，因此承载能力大，刚性好，允 许转速较高；但它对箱体孔、主轴劲的加工精度要求高，且只能承受径向载荷双列推力向心球轴承，接触角为 60°特点：球径小、数量多，允许转速高，轴向刚 度较高，能承受双向轴向载荷一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支撑双列圆锥滚子轴承。

特点：内外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此可以改善轴承的动态性能能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支撑带凸肩的双列圆锥滚子轴承特点：滚子被做成空心，故能进行有效润滑和冷却，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效吸振和缓冲作用轴承种类允许转速刚度阻尼温升圆柱滚子轴承较咼高中中、高向心球轴承高较咼低低圆锥滚子轴承中中、高较大中、高轴承精度等级：E级（高级）、D级（精密级）、C级（特精级）、B级（超精机）前轴 承的精度一般比后轴承高一个精度等级数控机床前轴承一般采用B、C级，后支撑则常采 用 C、 D 级支撑形式1. 前后轴承用双列圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向推力角接触球 轴承来承受轴向载荷特点：结构刚性较好，能进行强力切削，因此普遍应用于各类数控机床的主轴，更适用 于中等转速、中小规格的数控机床，一般主轴转速不超过 2000r/min2. 前轴承用角接触球轴承，背靠背安装，由两三个轴承组成一套，用以承受径向和轴向载 荷；后轴承用双列圆柱滚子轴承特点：适应较高转速、较重切削载荷的数控机床其主轴精度较好，但所承受轴向载荷 比前一种结构小。

3. 前后支撑均采用成组角接触球轴承，用以承受径向和轴向载荷特点：适应高转速，中等且切削载荷的数控机床在中、小型规格的数控机床上采用这 种结构较大进给传动系统数控机床对进给传动系统的基本要求 进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度从 系统控制的角度分析，其中其决定作用的因素主要有： 1）传动系统的刚度和惯量，它直接 影响系统的稳定性和灵敏度 2）传动部件的精度和传动系统的非线性，它直接影响系统的 定位精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩擦死去则是造 成传动系统非线性的主要原因因此，数控机床对机械传动系统的要求可以概括如下：1、 提高传动部件的刚度 一般来说，数控机床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率都要达到角妙级，伺服电动机的驱动力矩（特别是起动、制动时的力力矩）也很 大如果传动部件的刚度不足，必然会是传动部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动 态稳定性和响应的快速稳定性加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支撑部件进行预 紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效性。

2、 减小传动部件的惯量 在驱动电动机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高， 因素，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量， 提高快速性3、 减小传动部件的间隙 在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度；在闭环系 统中，它是系统的主要非线性环节，影响系统的稳定性，因此，必须采取措施消除传动系统 的间隙常用的消除传动部件间隙的措施是对齿轮副、丝杠螺母副、联轴器、涡轮蜗杆副以 及支撑部件进行预紧或消除间隙但是，值得注意的是，采取这些措施后可能会增加摩擦阻 力及降低机械部件的使用寿命，必须综合考虑各种因素，使间隙减小到允许范围4、减小系统的摩擦阻力 进给系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热；另一方面，它还直接影响系统 的快速性；此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，将导致传动部件的弹性变形， 产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性采用滚珠丝杠螺母 副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等等高效执行部件，可以减少系 统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。

数控机床进给传动系统的基本型式 实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用涡轮蜗杆副1、滚珠丝杠螺母副特点——中小型数控机床最常见的传动型式1）摩擦损失小，传动效率高；2）丝杠螺母预紧后，可以消除间隙，提高了传动刚度3）摩擦阻力小，而且它几乎与运动速度无关，动静摩擦力的变化也小，不易产生低速 爬行现象；4）长期工作磨损小，使用寿命长，定都保持性好 但由于它有运动的可逆性，即一方面能将选择运动转换为直线运动，反过来也能将直 线于东转换为旋转运动，不能实现自锁当用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中 必须装有制动装置，使用具有制动装置的伺服驱动电动机是最简单的方法另外，为了防 止安装、使用时螺母脱离丝杠滚道，在机床上海必须配置超程保护装置，这一点对于高速 加工数控机床来说尤为重要改造部分电器：伺服电机的选择 机械：支撑形式、丝杠选择、轴承选择、螺母调隙、滚珠丝杠与电机连接形式、传动 元件消隙、导轨整改、限位块安装、垂直丝杠锁紧装置 电器部分：确定控制方式、选择伺服系统和测量元件控制方式：开环、闭环、半闭环 开环：一般用于小型机床数控系统多数为一单板机为主控制单元的简易数控系统 半闭环：大、中型机床的数控化改造。

该控制方式多以直流伺服电机为驱动元件，控制 精度和速度比开环控制方式高，安装调试也比较方便闭环：闭环控制的调试相当麻烦，它的稳定型与机械部分的各种非线性因素有很大，在 数控改造中一般不采用这种控制方式伺服系统 基本要求：1）高的传动精度和定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量（即伺服系统接收一个 指令脉冲驱动工作台移动的距离），预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、涡轮等传动件的间隙等 方法，可达到提高传动精度和定位精度的目的由此可见，机床本身精度，尤其是伺服传动 链和伺服执行机构的精度，是影响工作精度的主要因素2） 宽的进给调速范围以适应各种工件材、尺寸和刀具等变化的需要3） 响应速度要快所谓快速响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程 度，即跟踪指令信号的响应速度要快定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定速度范围内灵敏而精确地 跟踪指令，进行单步和连续移动，在运动时不出现丢步或多步现象进给系统的响应速度的 大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度设计中应试机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳 值，以提高伺服进给系统的响应速度。

4) 减少传动部件的间隙 在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度；在闭环系 统中，它是系统的主要非线性环节，影响系统的稳定性，因此必须采取措施消除传动系统的 间隙常用的消除传动部件间隙的措施是：对齿轮副、丝杠螺母副、联轴器、涡轮蜗杆副以及 支撑部件进行预紧或消除间隙但是采取这些措施后可能会增加摩擦阻力及降低机械部件的使用寿命，必须综合考虑各 种因素，使间隙减小到允许范围5) 稳定性好：低速下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振 稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳工 作性能，是伺服系统设计的目的提高传动部件的刚度 如果传动部件的刚度不足，必然会使传动部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、 动态稳定性和响应的快速性加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支撑部件进行预紧， 对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效措施减小传动部件的惯量：决定了进给系统的加速度，是影响系统快速性的主要因素 特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高，因此，在满足系统 强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。

减小系统的摩擦阻力 进给系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热；另一方面，他还直接影响系统 的快速性；此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，将导致传动部件的弹性变形， 产生非线性的摩擦死去，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性采用滚珠丝杠螺母 副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等等高校执行部件们可以减少系 统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行选择伺服系统：不仅电机驱动系统、可控硅直流伺服系统、大功率晶体管脉宽调速PWM) 直流伺服系统1) 小型机床都采用步进电机驱动系统特点：价格低、结构简单、安装调试和维修方 便，但控制精度和速度较低2) 大、中型机床则都采用可控硅直流伺服系统和PWM直流伺服系统这两种系统控 制精度高、调速范围宽、快速性好，容易实现半闭环控制，但价格较高，维修较困难选择位置检测元件：旋转型和直线型测量元件1) 旋转型测量元件：旋转变压器和观点脉冲编码器 旋转变压器特点：精度高、体积小，可以达到很高的转速，安装方便，耐冲击能力强2) 直线型测量元件：用来测量直线移动部件的位移量，感应同步器、光栅 特点：都用在闭环控制的数控系统中，但在机床的数控化改造中一般不用机械部分改造的主要内容：提高移动部件的灵活性，减少或消除传动间隙，特别是减少反向间隙 等。