XB4450铣床的数控改造

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1 改造原因
XB4450铣床是昆明机床厂生产的仿形铣床。其基本参数为：最大铣削长度900mm，最大铣削宽度500mm，最大铣削高度350mm。该铣床由于长时间工作，设备老化，机械传动偏差大，造成精度不高，速度慢；单轴控制，电路复杂，操作繁琐，性能不稳定，且效率低下。为适应现代制造工业发展，合理利用资源，进行了如下改造。
! F! W( Y. v' P$ x4 ~" y) k2 电气部分改造
+ W$ s9 O- N7 W. i改造后的数控系统是由内外两个位置环组成。其中内部闭环为转角位置闭环，检测元件为装在电机轴上的光电编码盘，驱动装置为交流伺服电机(代替原来的可控硅控制的直流电机)，从而构成了一个输入为qi，输出为q0的随动系统。由于编码器分辨率较高，反馈采用数字脉冲伺服，部分采用双脉冲输入控制，所以抗干扰能力强。内环性能稳定，同改造以前开环控制比较，旋转精度明显提高。外部位置环采用分辨率为0.05µm光栅尺作为线位移检测元件，直接获取加工中机床工作台的位移信息。产生数字脉冲传送给计算机，构成全闭环控制，使机床定位精度得到保证。以内环转角随动系统的驱动装置驱动工作台运动，工作台的位移精度由线位移检测元件决定。采用双闭环控制不但具有全闭环系统的位置控制精度，而且具有全闭环控制的精度稳定性，有效地保证了机床的响应速度和加工精度。

图1
, f  D5 J/ t) j+ m) j+ P  h稳定性分析
由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节，因此通过合理设计该局部线性系统，可使其成为一无超调的快速随动系统，其动态特性可近似表示为
q0(S)/qi(S)=Kq/(TqS+1)式中：Kq——转角闭环增益
% o" b/ M2 }  W( {5 pTq——转角闭环时间常数
6 |  j! ~- `. R' f0 B系统外环虽然包含了非线性环节，但设计控制器使
4 D/ |5 a( b5 A$ ~( @3 P3 RGp(S)=Kp/S式中 Kp——积分环节时间常数
, ^, O/ {5 q+ R, E) ~' A8 }, Z将系统校正为Ⅰ型并合理选择系统增益，可避免系统的频率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围，从而保证系统稳定工作。显然当Tq较小时，q0(S)/qi(S)=K0，系统将具有更强的稳定性。
跟随误差分析
采用上述方案可保证系统稳定工作，因此可忽略非线性因数的影响，求出该系统的传递函数
2 R' |! @6 \6 ^  b. ^( {1 f
系统设计时使反馈系数Kf=1，前馈通道

上式说明，双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。
4 {# h; U; W' R0 {, |7 U: j  {/ {用三菱PLC处理复杂电路逻辑关系，使得线路简化，性能稳定，维护方便。另外，为使机床能够满足加工不同材料的要求，主轴使用变频器进行无级调速，保证主轴速度变化情况下，转矩变化小。
2 G8 ^& P0 u4 h' u' q6 V7 Y
5 j& [9 ?+ a% @3 Z5 f1.电机 2、13.螺钉 3.支承座 4、9.螺母 5.同步带 6、8涨紧套 7.同步齿轮 10.轴承 11.外隔圈 12.内隔圈 14.压紧法兰 15.滚珠丝杆
0 Z1 M  v( y; ^! Z$ `( ?图2
3 机械部分改造
首先，将X、Y、Z三方向拖板的齿轮变速箱拆去不用，电机直接通过皮带轮、同步带带动滚珠丝杠，从而带动拖板移动。因此机械结构更为简单，减少了传动误差。下面以Z方向的结构为例，说明其新结构。Z轴电机根据客户要求安装在机床的下方。其连接方法如图2所示。
皮带轮7通过涨紧套固定在电机轴上，它通过皮带带动带轮8，带轮8通过涨紧套与滚珠丝杠固定(滚珠丝杠采用一端固定，一端浮动方式的固定方式)，带动Z向拖板升降运动。其中涨紧套机构是近几年发展起来的一种新型无键连接方式，比有键连接更易保证精度，更易安装，其结构、尺寸已经标准化。
4 改造结果
改造以后的铣床性能稳定，加工精度高。该机床采用三轴联动，对于较复杂的模具曲面、异形工件均能自动加工，而且运算速度快，定位精度好，价格性能比高，适应了现代制造业的需要。
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