机床系统

关键词： 调速

机床系统（精选十篇）

机床系统 篇1

1.机床电气系统介绍

在各个工厂的产品生产过程中, 都离不开机床电气系统对整个生产过程的控制, 机床电气系统可以让生产过程变得更加轻松易于管理。机床电气系统在很多企业中都有应用, 让企业生产工作效率大幅度提升, 并且企业生产品质也有很大提升, 进而帮助企业提升经济效益。机床电气系统是编程与机械的结合, 通过人为的预先将编程输入存储器中, 然后对编程根据特定需求执行相应的编程, 执行逻辑型运算和控制, 并且采用科学计算规则将收集到的数据进行处理整合, 然后再通过数字类型的模式对企业的整个生产过程进行有效控制。机床电气系统的应用和执行任务离不开编程, 因此需要先通过编程语言对程序进行编写, 所展示的是图形形式, 能够很方便工作人员的识别和分析。机床电气系统的图形式编程语言让操作变得更加简单易行, 并且更方便在实际工作中的应用。通过编程语言进行控制的机床电气系统更容易进行修改, 在不改变系统结构的情况下就可以轻松对编程进行更改, 进而对整个机电电器系统执行新的方案和任务。这种便利功能帮助企业节约大量的人力物力财力, 有助于企业提升经济效益和竞争能力。此外, 通过编程控制的机床电气系统通过网络化的管理方式, 能够实现编程共享, 能够让更多的人对编程元件进行使用, 大大提升了其经济性能。这种看似比较松散的管理方式, 其实则更为集中, 更加方便对机床电气系统的管理和控制。机床电气系统让企业生产更加标准化, 让系统更加规范地使用。

2.对机床电气系统中的问题进行分析研究

近些年来我国科技水平大幅度提升, 在电气行业, 其系统控制中更多地融入了高科技技术, 让机床电气系统水平大幅度提升。但是在我国很多企业中机床电气系统却没有得到很好地改善, 主要是因为企业的重视程度不够, 没有对机床电气系统中的陈旧设备进行及时更换。在企业的生产过程中, 不仅机床电气系统扮演着重要角色, 电气系统设备也有很重要的作用。因此如果不对陈旧的设备进行更换, 将会使得机床电气系统的工作效率大幅度降低, 工作质量也会受到影响。在企业的生产过程中, 很多必要的设备已经使用了很多年, 在日新月异的科技社会中, 它们已经不能够满足充满新技术的机床电气系统的应用, 已经不能满足社会发展的需求, 所以陈旧的设备将会导致企业生产效率的降低。在一些企业生产过程中, 不仅设备不够新, 机床电气系统也没有及时更换, 这些都使得企业生产效率受到很大程度的影响。有一些企业为了改变现状, 提升企业效益, 做出了一些改变, 但是由于改变不彻底, 改变有很大的局限性, 所以尽管有改变, 但是效果还不是太明显。

3.对机床电气系统进行改造分析

3.1企业必须要对机床电气系统进行改造的原因分析

企业的生产系统的高效进行离不开机床电气系统对它的控制, 但是在我国大部分的企业运营和生产中, 机床电气系统都存在着各种各样的问题。其中最主要的问题就是设备由于过于陈旧不能满足现在生产力发展的需求, 因此需要企业对这些系统设备进行更换, 对设备进行更新, 这样才能提升企业的工作效率和经济效益。虽然有些企业对必须要更换的设备进行了新的更换, 但是还是不能够满足社会的需求, 并且在企业生产过程的进行中, 还会出现各种问题让机床电气控制系统效率降低, 这样会严重影响企业的经济效益。在我国的机床电气系统的管理控制体系制度上也有很大的缺陷, 责任制不够明确, 规章制度不够完善, 其中存在着很多漏洞, 这使得一些工作人员有隙可乘, 对工作不够认真负责, 进而导致企业生产过程中的效率低下。在对企业机床电气系统的维护和检测上也不够严谨, 因此积累了很多安全隐患, 这些都不利于机床电气系统的高效工作, 大大缩减了企业的生产效益, 并且不能保证在生产过程中工作人员的安全性。以往的机床电气系统早已不能够满足企业快速发展的需求, 因此急需要对企业生产中的机床电气系统进行改造。

3.2对企业生产中机床电气系统进行改造的方法

机床电气系统在企业的生产过程中有着非常重要的作用, 现在越来越多的企业已经认识到它的重要作用, 也投入更多的资金和时间精力对机床电气系统进行彻底改造, 以提升企业生产的整体效益, 保护企业生产过程中的安全性。有些企业只是进行简单地改造, 这对陈旧的机床电气系统来说治标不治本, 所以其改造并没有彻底地杜绝问题的产生, 反而隐藏着更多的安全隐患。因此企业必须认识到只有进行更深层次的改造才能更好地解决机床电气系统中的问题。

3.2.1为彻底改造机床电气系统做好规划

在对企业机床电气系统进行彻底改造之前先要对其进行分析研究, 并且根据实际情况和企业实际应用发展方向来制定一项完整科学的规划, 这样有助于改造工作的进行, 能够更高效地对机床电气系统进行彻底改造。对企业的细节进行分析, 对企业发展类型和生产要求进行研究, 并且选择专业的人员对生产工作进行操作和控制, 这些都会对企业的生产效率产生影响。在制定明确的计划之前, 要对企业的主要生产步骤和方法进行科学地探讨研究。这些准备工作都有利于对彻底改造机床电气系统做好规划工作提供帮助和支持。

3.2.2对机床电气系统PLC进行改造

在机床电气系统中PLC有其独特的优势特点, 更方便工作人员对其进行操作, 并且反映更为准确。在对PLC进行改造时主要针对其外部改造, 这样能够更好地提升机床电气系统的编程执行准确性, 能够让控制反映更加灵敏, 并且工作效率更高。PLC外部改造提升了机床电气系统的安全性和稳定性能, 适合在紧急情况下仍能够快速做出反应, 以保证企业生产过程中的经济效益。最主要的是PLC外部改造可以很好地提升企业生产产品的品质, 进而实现企业最终目的。

3.2.3对机床电气系统的主传动进行改造

对于任何企业的生产都离不开机床电气系统的控制, 而机床电气系统控制过程的主要方式是直线型进行反复重复式的工作, 这种方法不利于对企业经济效益的提升, 在企业生产应用过程中还不够完善, 现在由于高科技技术在机床电气系统中地入驻, 为机床电气系统增添了新的元素, 比如现在不断发展着的全数字直流调速电机, 则可以很好地提升企业生产经济效益, 对电气系统进行更好地控制。

结语

在企业生产过程中机床电气系统的应用和控制是非常有必要的, 因此要不断地对不合适的机床电气系统进行改造, 才能够促进企业经济效益的提升、竞争实力的增强和产品质量的不断完善。

参考文献

[1]刘振堂.数控转塔冲宋发展新进[J].锻压装备与制造搜术, 2015 (31) :123-125.

重型数控机床生产系统研究 篇2

摘 要：针对目前国内重型数控机床生产制造企业生产系统效率较低，且物流周转量较大等问题，文章通过分析重型数控机床各生产单元间的物流联系，同时结合实践工作经验，给出一种适合重型数控机床生产系统组织架构的解决方案。

关键词：重型数控机床；生产系统；物流分析；平面布置

中图分类号：TB491 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0102-02

重型数控机床生产系统是一种典型的加工——装配式生产系统，其多品种、单件小批量的生产性质决定了其生产系统必须具有足够的柔性，才能够快速响应用户需求的变化。同时，考虑到重型数控机床是一种集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，其生产制造系统涉及到焊接、机械加工、热处理、涂装、装配等多种复杂工艺流程，其生产系统组织设计的合理、高效与否直接关系到企业的前期投入成本和后期运营成本，对企业的生产和发展起到关键作用。

1 重型数控机床

根据原国家机械工业部机床工具局规定：自身重量在10～30 t范围内的机床属于大型机床，30～100 t范围内的机床属于重型机床，大于100 t范围内的机床属于超重型机床。

而重型和超重型机床根据其产品种类又可分为龙门加工中心、落地铣镗床、数控龙门移动式和台式车铣加工中心、重型数控车床（立、卧车）、重型滚齿机等。

2 重型数控机床生产系统

重大型数控机床生产系统是由许多工段、车间和部门等子系统组成的整体，其生产系统中的产品均具备生产过程周期较长，在制品占用较多，物料周转量大、效率较低、成本较高等特点。同时由于其单件小批的生产性质，相对于多品种大、中等批量生产性质来说，更容易出现质量问题即产品的一致性问题。因此，要想构建合理、科学的重型数控机床生产系统布局方案，首先在设计之初就要充分对生产物流进行必要的分析，其次就是生产系统的空间布置问题，如总平面布置和各厂房内部的单元布置等。

2.1 物流分析

重型数控机床产品主要由大型结构件、铸锻件、中小件及相应配套件组成，其生产制造中涉及到下料、焊接、加工、热处理、涂装和装配等多种工序。

由于重型数控机床的结构件和铸件体积较大，且较重，如床身、立柱、横梁等，按照产品制造流程及生产过程中的物料流程分析，铸件和结构件的流程为产品主流程，中小件及配套件为次要流程。因此可组成以铸件和结构件为分析对象的物流主线和以主轴、盘套类零件、配套件等为分析对象的物流辅线。

2.2 生产系统设置与总平面布置

2.2.1 生产系统设置

完整的重型机床生产系统包括：铸造、焊接、锻造、机械加工、装配、热处理、涂装，以及配套的生产库房（原材料库、毛坯库、半成品库、成品库、外购件库等）。

近年来，随着国家对环境保护的日益重视，重型机床新厂建设时，污染相对较大的铸造、锻造，一般采取异地建厂的模式。许多新兴的重型机床厂，都还采取了将铸造、锻造进行社会化协作的生产模式。目前国内的重型机床生产厂家，除多年未进行过搬迁改造的老企业外，近几年新建的和进行过搬迁改造的企业，除极个别大型机床厂在一个厂区内保留了上述完整的生产系统外，其余的企业均将铸造、锻造异地建厂，或采取社会化协作。基于此，本文研究重型机床生产系统，亦只考虑设置焊接、热处理、机械加工、涂装、装配、生产库房等生产系统，对于铸造和锻造工序，则采取厂外协作的生产方式。

结合前述重型数控机床的物流分析，同时借鉴工作中多个项目的设计经验，可以发现，其生产系统布置通常由工艺专业化和产品专业化两种模式混合组成。其中焊接、热处理工序一般均采取工艺专业化原则，即工艺、设备集中布置的原则；装配工序则采取产品专业化方式，按产品类别分别进行装配；而对于加工和涂装工序，则根据企业产品特点、管理组织架构等的不同而灵活设置。此外，考虑到重型机床单件、小批、工件较大、运输不便等生产特点，最终衍生出以下三种生产系统组织模式。

模式一特点为焊接、热处理工序工艺专业化；装配工序采取产品专业化方式；涂装工序分散到产品的装配车间中去，而将加工全部集中起来，以提高设备利用率，充分发挥重大型设备的效益，如图1所示。

模式二特点为焊接、热处理工序工艺专业化；装配工序采取产品专业化方式；将大件加工分散，与各自的装配车间紧邻，形成产品事业部的模式，而涂装和中小件加工则采用集中的模式，如图2所示。

模式三特点为焊接、热处理工序工艺专业化；装配工序采取产品专业化方式；加工和涂装均采用集中的模式，如图3所示。

以上三种组织模式中，模式二将大件加工与产品装配集中在一起，便于按产品组建事业部，有利于子公司的运作和总厂[图1 生产组织模式一]根据以上分析，各种组织模式均有其各自优缺点，具体实施时，企业需根据自身的产品纲领、管理模式、资金实力等方面综合考虑，以选取适合企业自身发展的生产系统组织模式。

2.2.2 总平面布置

在重型机床生产系统中，关键的生产环节为加工和装配，其中尤以床身、立柱、横梁等大件加工为核心环节。因此在总平面布置中，应以大件加工车间作为厂区平面布置和物流的中心，装配、焊接都可以分散布置在其周围，以方便工件的运进（运出）。为了减少大型工件的周转，可在各装配车间分散设置涂装工段，涂装后直接进入装配车间。而热处理作为一个专业性极强的工种，与中小件加工车间有着紧密的联系，可作为中小件加工车间的一部分，不再单独分设。

2.3 生产单元内部布置

考虑到重型数控机床生产系统中一些大型件形状各异，且为提高设备的利用率和生产系统的柔性，各生产单元内的设备布置一般采用机群式布置方式。同时局部针对具体的某一零部件，则采用生产单元的布局形式，如主轴箱的精密加工和装配等。

3 仓储分析

重型数控机床生产系统中的仓储系统一般由原材料库、半成品库、配套件库、成品库等组成。

3.1 原材料库

包括用于结构件生产的钢材库，以及铸锻件的毛坯库等。

钢材库的设置一般有两种形式：一是采用露天库，利用龙门式起重机来起吊运输；二是在结构件车间外设置带棚的露天跨，采用天车来运输。钢材库的起重吨位一般在32～50 t之间。根据钢材类别分类堆放，每平方米按照8～10 t存放能力设计考虑。

铸锻件毛坯库：对于重型机床生产企业，一般不单独设专门的铸锻件毛坯库，毛坯进来后，直接进入加工车间。

对于铸锻件毛坯，可分为以下两类。

①大重型铸锻件：对于此类毛坯，由于提供毛坯的铸造厂和锻造厂，通常无相应匹配的粗加工能力，因此一般由机床制造企业来完成零件的粗加工。且此类工件多为重大件，一般毛坯直接进入加工车间，而不在原材料库存放。

②中小型铸锻件：对于此类毛坯，通常要求来料时已经经过粗加工和涂过底漆，在本厂只进行半精加工和精加工，因此一般亦直接进入加工车间进行存放。

3.2 半成品库

半成品库主要为加工后的中小件存放，一般设在中小件加工车间和装配车间之间，采用平库存放。

对于重大型零件，由于工件太大、太重，工件加工完成后，不进半成品库，直接进入装配车间。

3.3 配套件库

配套件库主要用于存放外购的配套件、标准（下转106页）（上接103页）件等，如：数控系统、数控刀架、电机、轴承、液压装置、线缆等。配套件库组织形式通常有集中式和分散式两种。

集中式：配套件进来后，先进入全厂集中的配套件库，然后再配送至各个装配车间。|

分散式：在各个装配车间设配套件库，配套件运入后，直接进入各个装配车间内。

集中式和分散式各有优缺点，集中式配送方便全厂统一管理，而分散式则便于实际生产。目前国内重型机床生产企业两种模式均有，为方便产品装配，建议采用在各装配车间分设配套件库的方案。

配套件库一般采用高架库，货架一般5～7层。对于部分中大型的配套件，则采用平库的方式。

3.4 成品库

对于重型机床产品，一般是采取订单式生产，直接从车间发货，不再进成品库。

对于中小型机床产品，一般是采取批量生产，需进入成品库。

成品库的设置有以下两种方式：

对于需包装的产品，成品库采用露天存放，设置龙门起重机，起重吨位63 ～80 t。

对于不需包装的产品，需单独设成品车间，厂房起重吨位63～80 t。

4 配套公辅设施分析

公用配套设施主要包括变配电站、污水处理站、消防泵站、空压站、焊割气体站、换热站（采暖地区）等。变配电站、污水处理站要结合市政管线进出口位置，方便管线进出，宜靠近用电量较大的厂房布置。空压站考虑到管路损失，可分散布置用气单元。焊割气体站主要有丙烷气、天然气、氧气、二氧化碳及氩气，为板材切割及焊接使用，尽量靠近结构件车间。以上站房宜布置在用能负荷中心，以减少路损及线损，管线短捷为原则，同时，焊割气体站为甲类站房，布置时要满足消防要求。

5 结 语

通过研究重型数控机床生产系统，对其组织进行重构和再造，并在此基础上进行优化，以期找出最适合重大型数控机床的生产组织模式。不仅从理论还是实践上来说，均具有重要的意义。同时对以其他机械、电子、汽车等产品为生产对象的生产系统研究也有一定的指导和参考价值。

参考文献：

机床主轴动轮式变速系统 篇3

随着开关磁阻调速、变频调速和伺服调速等调速系统的迅速发展, 第二代机床主轴变速系统已逐步走向成熟。高速机床采用电主轴 (内藏式主轴) 结构, 大扭矩机床采用调速马达加齿轮减速机构。然而, 大部分机床在实际应用中除要求具有较宽的转速范围外, 同时还要求高速度、低噪声、低速度、大扭矩, 如车床、铣床和镗床等。现有调速马达均存在低速状态下恒扭矩输出的弱点, 为此本文介绍一种动轮式变速系统的设计和应用, 为这一领域提供了一种尝试。

2 工作原理

如图1 (a) 、图2 (a) 所示 (图1~图5的序号、名称一致) , 动轮式变速系统是针对机床在实际应用中的需要, 利用调速马达的高速度和宽调速范围这一特点, 将输出转速分成两段, 即高速段和低速段, 高速段是通过离合器把变速马达与机床主轴直接结合, 1∶1输出变速马达转速;低速段就是经过两级齿轮减速后再把变速马达的动力传到机床主轴, 从而达到高速低噪、低速增扭和扩大变速范围的目的, 充分满足了车床和铣、镗类机床的动力要求。

3 传动方案

该变速系统通过离合器把变速马达与机床主轴直接结合, 经过两级齿轮减速后把变速马达的动力传到机床主轴。在传统的变速机构中, 控制齿轮的啮合、脱开和控制离合器的结合、断开是相当复杂的机械结构, 除此之外, 变速马达的高速一般可达3000r/min以上, 伺服电机的高速超过10000r/min, 甚至更高, 当1∶1输出变速马达的转速时, 就无法存在齿轮啮合了, 这对于变速系统来说又增加了更大的难度。

1.箱体 2.机床主轴 3.套 4, 14.偏心套 5, 8, 10, 16, 18.轴承 6.钢球 7.齿轮轴 9, 22.齿轮 11.换档减速机 12.换档电机 13.轴 17.输入轴 19.端齿套 20.凸轮 21.拨销 23.弹簧 24.离合器座

为了解决上述问题, 本变速系统采取的技术方案是:将动力输入轴置于机床主轴尾部, 与机床主轴同轴, 在机床主轴的旁边设有背轮轮系, 背轮轮系可以径向内外移动, 亦称可动轮系, 当可动轮系向外移动、远离机床主轴、使两对齿轮脱开时, 从输入轴输入的动力通过离合器直接传到机床主轴, 此时没有齿轮啮合, 没有齿轮噪声;当可动轮系向内移动、靠近机床主轴时, 两对齿轮啮合, 离合器将输入轴与机床主轴脱开, 从输入轴输入的动力经过两级齿轮减速后再传到机床主轴, 由此形成两段转速输出。

4 传动结构

4.1 主传动

如图1 (b) 、图2 (b) 所示, 输入轴17通过轴承16和轴承18装在箱体1上, 输入轴17的内端设有齿轮和端齿, 输入轴17的外端连接变速马达;端齿套19装在离合器座24上, 齿轮22也装在离合器座24上, 离合器座24通过套3和机床主轴2固装在一起, 输入轴17、端齿套19、离合器座24和机床主轴2同轴;齿轮9固装在齿轮轴7上, 齿轮轴7和齿轮9构成同轴轮系, 并且齿轮轴7和齿轮9构成的同轴轮系可以径向移动, 亦称可动轮系;当可动轮系向外移动时, 使齿轮轴7与齿轮22脱开、齿轮9与输入轴17脱开, 离合器系统控制端齿套19与输入轴17结合, 从输入轴17输入的动力, 通过端齿套19、离合器座24和套3传至机床主轴2;当可动轮系向内移动时, 齿轮轴7与齿轮22啮合、齿轮9与输入轴17啮合, 离合器系统控制端齿套19与输入轴17脱开, 从输入轴17输入的动力, 经过齿轮9、齿轮轴7、齿轮22、离合器座24和套3再传至机床主轴2。

4.2 可动轮系

在图1 (b) 、图2 (b) 中, 由齿轮轴7和齿轮9构成可动轮系, 齿轮轴7的一端通过轴承10装在偏心套14中, 齿轮轴7的另一端通过轴承5装在偏心套4中, 偏心套14和偏心套4通过轴13固定连接在一起, 并且偏心套14、偏心套4和轴13可以同时转动, 当偏心套14、偏心套4和轴13同时转动时, 齿轮轴7和齿轮9构成的可动轮系就会径向来回移动, 使齿轮轴7与齿轮22、齿轮9与输入轴17啮合或脱开。

可动轮系中偏心套14的外圆是齿轮, 偏心套14与换档齿轮啮合, 换档齿轮是换档减速机11的输出轴, 当换档电机12转动时、通过换档减速机11的换档齿轮驱动偏心套14、偏心套4和轴13同时转动。

4.3 离合器系统

如图1~图3所示, 钢球6、轴承8、输入轴17、端齿套19、凸轮20、拨销21、齿轮22、弹簧23和离合器座24构成离合器系统。离合器座24设有空腔, 离合器座24的空腔内含装着端齿套19;端齿套19的端齿与输入轴17的端齿相配合;端齿套19外端的周向设有外齿, 端齿套19的外齿与离合器座24的内齿相配合、形成轴向移动副;端齿套19的周向固装着至少两个均匀分布的拨销21, 拨销21从离合器座24的长孔中穿出, 端齿套19的后端装有弹簧23;离合器座24外面套装着齿轮22, 齿轮22的裙部与离合器座24交错接合 (见图3 (b) 、 (d) 等) , 齿轮22的腔内固装着凸轮20, 凸轮20的凸部与拨销21结合, 构成凸轮副, 以控制拨销21 (见图3 (a) 、 (c) 、 (e) 、 (f) 等) 。当可动轮系向外移动、使齿轮轴7与齿轮22脱开、齿轮9与输入轴17脱开时, 端齿套19在弹簧23的作用下与输入轴17结合, 输入轴17、端齿套19、离合器座24、套3与主轴2连为一体, 构成从变速马达到机床主轴的动力传递通道。当可动轮系向内移动时, 使齿轮轴7与齿轮22啮合、齿轮9与输入轴17啮合, 输入轴17通过齿轮9、齿轮轴7、齿轮22、离合器座24、套3与机床主轴2相连, 构成从变速马达到机床主轴的动力传递通道。

动力经过输入轴17、齿轮9、齿轮轴7、齿轮22和离合器座24开始传递时, 离合器座24较齿轮22滞后转角γ, 齿轮22与凸轮20一同旋转, 凸轮20旋转γ角度后驱动拨销21下移, 拨销21又带动端齿套19同时下移, 端齿套19被迫与输入轴17脱开。

两钢球6对称装在离合器座24的两孔内, 齿轮22裙部的周向对称位置分别开有三个槽, 当齿轮22和离合器座24旋转时, 钢球6在惯性力的作用下, 被甩在齿轮22的槽内, 紧紧地靠在齿轮22和离合器座24的骑缝上, 使齿轮22和离合器座24不能再有相对运动, 从而保证端齿套19无论是在闭合还是脱开状态都具有准确的位置。

如图4、图5所示, 输入轴17、齿轮9、齿轮轴7和齿轮22的齿顶均设有倒角, 其中齿顶宽度为f, 倒角长度为s, 倒角角度为θ和λ, 倒角留量为t;选s1。

5 结 论

本变速系统结构独特, 应用方便, 具有以下特点:将变速马达的高速度、宽调速范围和无级调速等功能直接移植于机床主轴系统;把背轮轮系设计为可以径向移动的可动轮系;可动轮系的移动采用轴连式双偏心套机构;离合器系统的控制采用自动控制方式;离合器定位装置采用惯性钢球结构。

为了在实际应用中取得良好的效果, 还可以将换档减速机设计为少齿差行星轮减速结构, 偏心套4、14的转动可采用凸轮式限位以及电气控制方式, 离合器座的下方可以根据负载的大小增加轴承支撑。

此变速系统不仅可以用于镗铣类机床主轴, 也可以用于车床等其它主轴。

摘要：针对车床、铣床和镗床的高速度、低噪声、低速度、大扭矩的需要, 利用调速马达的高速度和宽调速范围的特点, 设计了一种动轮式变速系统, 文中给出了该变速系统的工作原理和结构图。

关键词：机床,主轴变速

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[2]机床设计手册编写组.机床设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1979.

[3]邓怀德.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社, 1987.

机床用无线对刀和工件检测系统 篇4

Renishaw新型双功能测头光学信号传输系统,使用单一光学接收器,同时安装对刀测头和主轴测头,实现快速安装和无线机床环境.该系统可方便地加装于多种加工中心和数控铣床,为用户提供自动在机对刀、刀具破损检测、工件找正及工件检测功能.

作 者： 作者单位： 刊 名：航天制造技术 英文刊名：AEROSPACE MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：V4 关键词：

精密机床进给系统误差补偿的研究 篇5

从超精密加工的基本需求出发，数控技术和数控机床的诞生开创了控制和生产领域的新时代，取得了阶段性研究成果。数控机床迅速发展和普及，对国防、航天航空及国民经济各高新技术领域的精密零件研制具有重要的作用，给机械制造业带来了一次新的技术革命。超精密加工是尖端技术发展中不可缺少的加工手段，数控机床技术的迅速进步大大推进了精密、超精密加工技术的发展。本文综述误差补偿的研究现状，从误差防止和误差补偿两个方面，介绍超精密数控机床的主要误差源及误差产生的原因，指出具有广泛应用前景的误差补偿这项实用技术普及和使用难所存在的核心问题。并对今后的研究方向及关键问题进行了展望，最后提出开展误差补偿技术应用研究的必要性和主要研究内容。

一.误差防止法

通常，影响数控机床加工精度主要由系统误差和随机误差造成。通常认为被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，自动化程度高、柔性好、加工精度高。高数控机床精度的技术方法，在现代制造业特别是复杂零件加工中得到广泛应用，并在迅速发展和普及，可以采用误差防止和误差补偿两种措施，是实现先进制造技术的重要基础。误差防止是试图通过设计和制造途径，在品种、性能和可靠性方面，通过合理的机床设计来消除或减少可能的误差源。

（1）尺寸误差几何误差防止

提高数控机床加工精度就是减小数控机床的误差，数控机床的精度指标主要有加工精度、定位精度和重复定位精度。误差是加工过程中必然存在的现象，机床几何误差来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合误差，是衡量数控机床设计与使用过程中性能优劣的重要指标。为了减少机床各零部件在制造和安装过程中的几何误差，对误差的产生进行深入分析，研究和开发高精度的主轴轴系和导轨，是数控机床追求的最终精度。建立全息误差模型，改进工艺和采用新材料是衡量数控机床工作性能的非常重要的精度指标。采用先进控制技术或综合误差补偿技术来减小加工误差，对数控机床的工作台、丝杠等机械部件进行抗振性分析及拓扑优化研究。虽然无法完全抑制误差的产生，但是能够提高整台机床的精度性能，是超精密数控机床的技术关键。

（2）热变形误差防止

随着对机床精度要求的进一步提高，热误差作为衡量数控机床综合水平的重要性能指标之一，在总误差中的比重将不断增大。由于机床各部件受热变形导致刀具和工件之间发生相对位移所造成的热变形误差需要加强工作过程中的冷却与润滑，是时变温度场的函数。因此，要想改进机床布局和设计降低机床热误差，以消除由机床热变形带来的影响，提高加工精度。热误差的大小由机床的热特性、加工环境和具体切削参数决定，对热变形误差的研究相对几何误差要晚一些，在给定的条件下，通过设置辅助热源均衡温度场减低热源。

（3）其他误差防止

误差防止除几何误差防止和热变形误差防止外，编程误差、控制误差、刚度误差、载荷误差和其它误差等。一般由机床本身的制造精度决定，以机械位置或角度作为控制对象的自动控制，由机床零、部件的制造和装配不精确导致，影响着机床的定位精度和加工精度。由于机床的进给系统并不是完全刚性的，国内外许多学者和专家研究交叉耦合控制、最优预见控制，使之与机床的刚度有关在受到载荷作用时，避免因质量问题导致的加丁件原材料属性不均衡。通过一系列的研究表明，进给系统刚度产生的误差不可忽视，利用误差补偿技术提高机床的精度，其工程意义非常显著。

二.误差补偿法

误差补偿由于包含多种误差信息、更接近实际。为了提高数控机床精度，在误差分析与误差补偿等方面进行大量的研究工作。误差补偿的基本定义是对最终出现的误差值予以修正，围绕机床误差模型的建立，人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，从误差防止和误差补偿两个方面分析国内外精度提高技术的研究状况，也属于动态误差，并逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法之一。开展误差补偿技术应用研究的必要性和主要研究内容，无须对数控机床硬件进行改造，建立误差物理模型。尽量使人为造成的误差和原始误差两者的数值相等，减少误差补偿的局限性和片面性；方向相反，减少加工误差，最大限度地提高机床的加工精度。

（1）误差建模

误差建模分为误差运动学建模和误差辨识建模，由于可以解决误差源的多样性和复杂性，倍受人们青睐。随着机床结构的复杂程度和精度的提高，并取得了很好的成果，在某些产品中得到应用。在几何误差测量辨识方面，数控机床误差建模先后经历了三角几何法、矢量描述法，其利用相应的测量仪器，对各项几何误差逐一进行测量。随着神经网络应用技术的成熟，通过数学模型对其测量点的综合误差进行辨识，以及误差补偿这项实用技术，神经网络也被应用到机床的精度建模当中，间接获得机床各项误差的离散值，也取得了良好的成效。

（2）误差辨识

误差辨识对机床工作区域内指定点的定位误差进行测量，作为误差补偿的前期工作基础。其主要有单项几何误差直接测量法和综合误差测量辨识方法，误差辨识的准确性直接关系到系统的补偿精度。误差辨识虽然是一项复杂而费时的工作，但是，采用误差补偿技术可以较容易地达到“硬技术”。国内外许多学者开展了多方面的研究，多体系统方法正成为热误差建模研究的热点，缩短了误差辨识时间，增强了热误差数学模型对环境温度变化的适应性，在满足一定的精度要求情况下提高了辨识精度和效率。

（3）误差补偿

综上所述，在深入研究上述关键问题的基础上，通过误差补偿技术来提高机床精度，建立完善的理论体系，使超精密数控机床的加工精度得到保证和提高。迄今为止，误差补偿技术只针对机床最终出现的误差值自动修正，既能从本质上减小误差，又能消除误差本身的影响。不需要对机床结构和制造做重大改进，通过数学模型对其测量点的综合误差进行辨识，因而是提高机床加工精度的一个具有显著经济效益的有效的方法，从而为我国发展超精密数控机床提供技术支撑。误差补偿通过运用有限元理论、多信息处理、检测技术、多体系统理论在一定程度上均衡温度场，但从超精密加工的基本需求出发，它不可能完全消除热变形和几何误差等误差源。通过先进控制技术和全息误差补偿技术有机结合提高加工精度，保障数控机床加工精度。

机床系统 篇6

数控机床加工精度的稳定性直接决定了数控机床加工零件的质量,多数研究机构与厂商针对机床的定位精度研究提出多种方法,经过多年的努力,数控机床加工精度的稳定性已经有了极大提高。

通常情况下,数控机床进给系统由机械系统、伺服控制和数控装置三部分构成[1]。数控机床的运动精度是数控指令与运动轴实际运动的符合程度。运动精度通过稳态误差、瞬态误差等进行评价,反映了运动过程中控制时延、运动轴机械振动及其相互作用[2]。随着进给速度、加速度的提高和对机床精度要求的提高,机械系统的柔性(有限传动刚度)与负载惯量对进给系统的影响更为突出。同时,在机床运行过程中,随着运动部件处于不同位置,其传动系统刚度是变化的,同时负载惯量也是变化的。

1 建立进给系统函数模型

数控机床进给传统系统结构简图如图1所示,通常机床进给系统传动结构由电机、联轴器、滚珠丝杠、工作台等构成。

通过图1(a)结构简图建立数控机床进给系统动力学模型如图1(b)所示。其中m1为电机转子惯量的等效质量,m2为工作台质量,K、c分别为等效传动刚度与阻尼,Fs为等效伺服推力,v1、x1、v2、x2分别为m1与m2的速度与位移。伺服电机输入作用下的开环传递函数如式(1)、式(2),其中GJ1、GJ2分别为伺服电机输入到电机速度输出和电机速度输入到工作台速度输出的传递函数;F(s)、V1(s)、X1(s)、V2(s)、X2(s)分别为时域信号Fs(t)、v1(t)、x1(t)、v2(t)、x2(t)的拉氏变换;s为复变量。

模型中传动刚度有变化式,如式(3),其中K0为名义刚度,K为刚度变化量。

求得传递函数GJ1、GJ2,是为了构造电机速度v1与工作台位移x2,从而符合全闭环下速度环反馈检测v1,位置环反馈检测x2的要求。

根据已得出的传递函数数据,比较机械刚度和伺服刚度,机床精度稳定性与传动刚度变化引起的闭环控制指令跟踪控制性能变化,去除伺服系统的抗干扰性能部分,从而得出伺服系统的结构和功能部件参数。

机械、电机与伺服控制作用的构成数控机床进给系统模型传递函数GJ1、GJ2由式(1)、式(2)构成,电气增益与扭矩常数之积KiKt=(m1+m2),Kp、Kv分别为位置与速度传感器比例增益系数。推导可得半闭环下的闭环传递函数GB1式(4)与全闭环下的闭环传递函数GB2式(5),其中Xi(s)、Xo(s)分别为指令输入xi(t)与位移输出xo(t)的拉氏变换。

2 传动刚度变化对运动精度稳定性的影响规律

2.1 稳态误差、瞬态误差相关指令的频谱特点

产生稳态误差、瞬态误差的指令特点是不同的,稳态跟随误差是匀速或缓变指令输入下位移响应滞后于指令所产生的误差,当指令速度为v、位置控制增益为Kp时稳态跟随误差:

由式(6)可见,稳态跟随误差完全由指令速度与位置控制增益决定。同样,从频率角度,匀速或缓变指令的频谱只有零频和低频成分,根据灵敏度函数低频时为零的特性,传动刚度变化不会引起稳态跟随误差的变化。

准停过程振动超调是由于加减速过程对系统的激励造成的,是进给系统由高速变为停止时产生振动引起的最大超调量。该超调量依赖于加减速线型与加减速参数,同时依赖于控制参数与机械特性,很难给出解析表达式。下面通过指令频谱特点分析,利用灵敏度的频率特性,求取传动刚度变化引起的准停过程振动超调量的变化规律。

根据傅里叶公式变换线性性质与关系,可以分别求得直线加减速过程和S型加减速过程的频谱式(7)、式(8),其中am为最大加速度值,t1、t2分别为加速时间与加减速起始时刻差。

图2为速加减建过程的频谱与能量分布图,从加减速过程的频谱与能量分布可见不同的加减速过程的频域能量分布是不同的,S型加减速比直线型加减速能量更多地集中于低频段。

当角频率远小于系统带宽时,单轴半径误差主要由控制时延产生,而当角频率接近系统带宽时半径误差则由控制、机械特性共同作用决定,很难给出半径误差的解析表达。

2.2 准停过程超调量变化规律

准停过程是闭环控制下,进给轴减速-停止并准确定位的过程。如前述,加减速过程的指令频宽正比于最大加速度值,同时根据灵敏度函数的频率特性,可知随着最大加速度值的增大,准停过程超调量将随之增大,且增大程度与全闭环/半闭环控制结构的不同及控制参数大小有关。图3给出了仿真验证,仿真模型参数:m1=100 kg,m2=100 kg,c=1 000 N/(m/s),K0=5×107 N/m,K=0.5×107 N/m,KiKt=200,Kv=200/300,Kp=300/450,加减速线性为直线型,Vmax=60 m/min。

图3(a)定义了传动刚度变化引起的超调量变化ΔMp,由图3(b)可见不同加速度下的准停过程中,因刚度变化产生的超调量变化ΔMp是不同的,随着加速度的增加,超调量变化随之线性增加,且有半闭环下变化量小于全闭环下变化量,低增益下变化量小于高增益下变化量的特点。

2.3 圆运动单轴半径误差变化规律

两轴联动圆运动下单轴指令为单频信号,因此可由灵敏度幅值函数式直接得到不同角频率下圆运动单轴半径误差的变化规律(图4)。图4给出了仿真验证,仿真模型参数与第2.2节相同。

图4(a)是圆运动时,传动刚度变化所引起的相对半径误差ΔRx的定义。图4(b)为不同角频率圆运动时的相对半径误差ΔRx/Rx的变化规律,可见在低频段相对半径误差为零,即半径误差不受刚度变化影响。在接近闭环带宽时刚度变化将引起显著的半径误差变化,且有在闭环带宽处,全闭环下相对半径误差大,在稍低于闭环带宽的中频处半闭环相对半径误差大,且控制增益大小对高频处的误差变化影响显著。

3 结语

定义了运动精度稳定性的概念,利用闭环传递函数灵敏度的概念,采用渐近线近似方法研究了传动刚度变化对数控机床进给系统运动精度稳定性的影响规律。得到刚度变化对运动精度的影响规律,机械参数变化不影响匀速阶段的稳态跟随误差;而显著影响准停过程振动量以及高角频率下的圆半径误差等瞬态误差,且影响程度主要由指令突变程度(加减速度、指令角频率)即指令频宽决定,仅当指令频宽接近控制带宽时才有显著影响。

参考文献

[1]ALTINTAS Y,VERL A,BRECHER C,et al.Machinetool feed drives[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011,60(2):779-796.

[2]赵万华,张俊,刘辉,等.数控机床精度评价新方法[J].中国工程科学,2013,15(1):93-98.

[3]卢秉恒,赵万华,张俊,等.高速高加速度下的进给系统机电耦合[J].机械工程学报,2013,49(6):2-11.

磨料流机床液压系统研究 篇7

液压传动系统一直是磨料流机床中最重要的传动系统, 其液压系统设计的好坏直接影响到磨料流机床的正常运行以及加工工件的表面质量, 所以有必要对磨料流机床的液压系统进行深入的研究。

1 磨料流机床液压传动系统的功能与特性

磨料流加工的工作原理是:通过固液两相磨粒流流过密封的流道而不断挤压工件表面, 使工件表面质量不断提高。磨料流机床的液压系统一直是国外保密的重要技术资料, 虽然国内的有些高校和科研机构也自主开发了自己的磨料流机床, 不过作为主要传动系统的液压系统都没有被列为设备研发的重点。

图1为磨料流机床工作原理图。当机床工作时, 上液压缸通过活塞杆推动上磨料缸, 磨料通过密封腔体加工工件后流入到下磨料缸中, 下磨料缸通过活塞杆推动下液压缸而实现液压油的回油。由此工作过程可知, 上液压缸与下液压缸的进油、回油过程间接受到上、下磨料缸工作过程的影响, 首先上、下磨料缸的往复运动不能与上、下液压缸的进回油出现运动过程的干涉;其次还要完成上、下液压缸与上、下磨料缸进出料系统的同步往复运动。

另一方面, 如果密封腔体内磨料的容积发生变化, 则会导致液压系统的振动与爬行, 使液压系统供油不稳及传动不准确, 所以在设计磨料流机床的液压系统时, 还应考虑由于密封腔体容积变化而对液压系统产生的影响。

分析磨料流机床内磨料的运动过程可以看出, 使密封腔内磨料容积发生变化的原因如下:①由于进料缸与出料缸所装介质均为具有弹性的可压缩磨料, 因此在液压缸压力的作用下, 磨料由于被挤压而产生弹性变形;②由于磨料在密封腔体流道中的泄漏, 因此磨料流机床的液压系统在设计过程中应考虑由于磨料的压缩和泄漏而产生的软体外负载的体积变化。

1-上液压缸;2-活塞;3-上磨料缸;4-磨料;5-工件;6-下磨料缸;7-下液压缸

最后, 由于工件尺寸及工件表面的特殊形貌影响, 磨料流机床的液压传动系统还应该与磨料流机床的机械系统很好地装配到一起。这就要求磨料流机床的液压传动系统对于大尺寸及特殊流道的机械部分有一定的兼容性, 不会发生由于工件尺寸形貌的变化而对液压传动系统产生过高的要求。

2 具有补油装置的磨料流液压传动系统

2.1 补油装置液压传动系统工作过程

针对磨料流机床液压系统的特性及需求, 特设计出依靠补油箱进行补油的液压传动系统, 如图2所示。其进磨料运动过程为:泵1→三位四通电磁换向阀2左位→单向阀4→进料油缸5无杆腔→进料油缸5有杆腔→补油箱11。使进料油缸推动进磨料缸内磨料运动, 通过磨料推动出磨料缸活塞运动, 出磨料缸通过活塞推动出料油缸运动, 此时回磨料缸动作。其回磨料运动过程为:补油油箱11→出料油缸8有杆腔→出料油缸8无杆腔→溢流阀9→三位四通电磁换向阀2左位→回油箱。

以上为电磁换向阀左位工作时液压传动系统的进、回油过程, 当电磁换向阀右位工作时, 则磨料缸回程的运动过程与进程相反, 从而实现磨料流机床的反复磨削运动。其中补油箱容积V由下式确定:

V=π (R2-r2) h。

其中:R为进料油缸半径;r为活塞杆半径;h为进料油缸有效工作长度。

2.2 补油装置液压传动系统分析

分析以上进回油过程可知, 首先, 此依靠补油箱进行补油的液压系统在磨料流流动过程中, 进料油缸的液压油回到补油箱中, 而出料油缸的进油腔是依靠出料缸活塞杆的挤压而产生的腔体内真空将液压油吸入到出料油缸的进油腔内, 是一种可以根据密封腔体的变化来随时调节补油油量的柔性传动液压系统。依靠此系统的特点可以消除液压传动过程中的爬行与振动, 使系统平稳可靠。

另外利用磨料流机床加工的工件, 一般形状复杂, 若所加工工件较大, 则相应的机械部分也会相应增大, 那么采用此液压传动系统能使执行元件完成完整的工作进给, 只需要一套相对应的进回油系统, 就能实现进料缸与出料缸的同步运动, 不产生干涉, 成本较低, 而且通过溢流阀来调节回油路背压的大小, 可以有效地控制所加工工件的磨削压力, 实现材料的去除。此外, 该液压系统采用变量泵进行调压, 操作方便, 功率损耗低。

大部分磨料流机床在加工大型复杂曲面时, 磨料流只能单向流动, 而采用此柔性传动的液压系统, 可以通过液压系统中阀类元件的控制来实现磨料流的双向流动, 有利于磨料的有效回收, 提高了机械加工效率。

2.3 磨料流机床磨料压力的确定

液压系统中所需要的压力由外负载决定, 此外负载一方面来自于磨料与磨料缸体壁面间的摩擦力, 另一方面来自于加工工件时所产生的摩擦阻力。由磨削原理可知, 磨削过程中材料的去除, 一方面由于磨削时的法向压力的作用, 另一方面是取决于磨削速度的快慢。那么在加工较硬材料时, 若要实现材料的去除, 所需要的压力要远远大于磨料与磨料缸体间的摩擦力及加工工件时的摩擦阻力, 所以应该在此磨料流机床的液压传动系统中设置可调节的溢流阀来调节系统背压, 从而实现系统内压力的可调, 在加工工件时, 可根据材料特性选择合适的加工工艺参数。

在已知加工工件所需要的压力后, 磨料缸内磨料的压力与液压系统的压力关系可由下式得到:

undefined。

其中:D0为推料油缸直径;D1为磨料缸直径;p0为液压系统工作压力;p1为磨料压力。

3 结论

通过以上分析可知, 利用补油箱供油的液压系统可以实现液压缸与磨料缸的同步无干涉运动, 而且此传动系统适合于磨料的柔性工作过程, 可以实现磨料的双向进给, 提高了加工效率, 并可加工大尺寸的工件及复杂形状的工件, 所以此液压系统在磨料流机床的开发推广中具有一定的价值。

摘要：详细分析了磨料流机床的液压传动系统应满足的功能及在运动过程中所遇到的问题, 并提出了利用液压补油箱进行补油, 从而实现可加工任意尺寸工件的双向磨料流机床的液压传动系统。此液压系统能够消除磨料流机床在加工过程中由于磨料本身的压缩及液压油泄漏而产生的爬行和振动现象, 并且此系统成本低, 设计简单。

关键词：磨料流机床,液压系统,补油箱补油

参考文献

[1]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[2]雷天觉.液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社, 1998.

机床系统 篇8

1 进给伺服系统的结构原理

图1为采用全闭环控制的数控机床的进给伺服系统的结构图, 目前大部分高速机床都采用此类控制结构。此种闭环进给系统包括位置控制单元、位置检测单元和速度控制单元等部分。位置检测单元测得执行部件的实际位置DA, 位置控制单元将位置指令D0与DA的差值!D乘以增益常数kN, 经变换后, 得到速度指令电压UP。将UP与测速发电机的反馈电压Uc的差值!U通过速度控制器乘以增益常数KA, 得到伺服电机的电枢电压U, 它控制电机旋转速度。指令位置D0与实际位置DA相等时, 即位置偏差值!D为0时, UP与U均为0, 系统停止工作, 执行部件到达指令所要求的位置。所以整个系统在偏差不为0时, 始终处于不断调整阶段, 因此, 增益系数在整个进给过程中, 对系统快速到达指定位置起着至关重要的作用。

2 系统增益对进给伺服系统的影响

如果考虑系统各组成环节的固有频率, 往往比整个系统固有频率高很多, 则该系统可以简化成如图2所示。其传递函数为:

式中, T为系统的时间常数, T=1/ks

若系统执行一个速度为F的恒速位置指令, 则有xc (t) =Ft且xc (S) =F/S2。

两边进行拉氏反变换得速度和加速度分别为:

2.1 系统增益对加速度的影响

根据定义, T为时间常数, 且T=1/ks, 可见系统的增益ks越大, 则时间常数越小, 达到指令速度的时间越短。即系统响应快或灵敏度高。但是由式 (5) 可知, 系统在刚启动的一瞬间, 即t=0时的加速度为Fks。可见系统的加速度与系统的增益ks成正比例, 即系统增益大, 则加速度大。当然启动时, 系统所受的惯性力也就越大, 因此, 系统的增益不能太大。

2.2 系统增益对位置误差的影响

令系统的位置误差为xe′,

xe′ (S) =xc (S) -x0 (S) =F·S-2-F·S-2· (1+TS) -1

则xe′ (t) =xc (t) -x0 (t) =FT (1-e-t/T)

当t→∞时得稳态位置误差为xe′=FT=F/ks

可知当速度F一定时, 系统增益ks越大则稳态位置误差越小, 即系统的跟随误差越小。

综上所述, 在确定系统的灵敏度、系统增益和系统的加速度这3个因素的数值时, 要综合考虑。

3 结语

伺服系统中的增益系数大都是预先设定好的, 在系统进给过程中不能随着其它系统参数的变化而合理地调节, 例如, 全闭环时, 由于机械连接的刚性不好, 在移动时, 特别是加减速的时候, 会产生振动, 主要是机械检测的位置反馈和电动机测得的速度反馈之间不一致, 必须减小位置增益, 但位置增益减小了则系统的响应时间就会增加, 必然会影响系统的速度和加速度, 系统的稳态误差也会随位置增益的减小增大, 使得系统的跟随精度下降。因此, 单纯使用传统的PID控制方法进行控制时, 在参数的选定上只能折衷处理, 很难达到高速高精度的控制要求。

数控机床电气系统故障分析方法 篇9

数控机床控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、PLC单元以及数据I/O单元等组成。较新的数控系统还包括一个通讯单元, 它可完成CNC、PLC的内部数据交换和远程网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动模块和电机。位置测量系统主要是采用光栅或伺服电机上安装的增量式位移编码器。

数控系统的主要特点是: (1) 可靠性要求高。数控设备加工精度高, 一旦系统发生故障, 会造成加工质量和成本的提高; (2) 工作环境要求高。数控设备的加工精度受现场温度、湿度、辐射影响明显。有些高精密机床要求单独隔离以便于机床环境温度、辐射和湿度调节。而绝大多数的数控机床安装基础都设置防震沟与外界隔离; (3) 接口电路复杂。控制系统与各驱动模块、检测装置以及执行单元等进行数据实时通讯, 接口单元较多, 电路比较复杂。

2 故障的分析与诊断

故障分析是维修的第一步, 设备维护人员应主要从以下方面入手。

(1) 调查有何异常。如异常噪音、电机过热、误动作等。操作者应尽量保持设备的故障状态, 如液晶屏的报警信息、故障指示灯的显示, 各部件的停止位置等。 (2) 初步判断故障原因。反推一下故障原因可能导致的设备故障动作或过程, 对故障原因进行初步判断。 (3) 确定维修步骤。有些故障液晶显示屏或指示灯会有代码提示, 对照设备维修手册或使用说明书, 查出该故障的多种可能原因, 然后综合分析, 逐一排查。 (4) 有些故障机床可能没有报警提示, 或报警信息是错误的, 尤其是早期制造的机床, 这就需要维修人员对该机床的控制系统有较深的了解和实践经验, 透过现象找出本质原因。

数控系统电气故障的诊断方法有很多, 在设备检修时往往需要将多种方法综合利用, 逐一排查。数控系统电气故障的常用诊断方法如下。

(1) 直观检查。这是就是利用感官进行故障初步分析。

(1) 望:目视机床各部件是否处于正常状态 (例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等) , 各电控装置 (如数控系统、温控装置、润滑装置等) 有无报警指示, 查看有无保险烧断, 元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落, 各操作元件位置正确与否等等。 (2) 闻:通过嗅觉检查执行单元、驱动部件或控制部件是否有过热而导致的糊味。 (3) 问:向现场人员询问故障产生的过程、故障发生时设备的状况或动作。 (4) 切:检查各接口电路板、电缆插头是否松动, 设备执行部件是否温度较高, 散热风扇风冷效果是否正常等。

(2) 仪器检查。使用检测仪表如万用表、示波仪、红外测温仪等, 对电源, 电机绕组及信号线进行检查, 对相关直流及脉冲信号, 对设备部件温度等进行测量分析。

(3) 信号与报警指示分析法。

(1) 软件报警:在故障发生时, 数控系统通过检测判断会通常都会在操作面板上的液晶屏上显示相应的报警信息或故障代码。维修人员还可以通过P L C程序检查相关元素的执行状态推测故障原因。 (2) 硬件报警:数控系统、伺服系统以及一些主要电子线路板上一般会有一组反应硬件状态的发光二极管指示灯, 根据指示灯的组合状态和相应的设备手册可以方便地获知硬件故障内容、故障原因以及排除方法。 (3) 备件置换:当故障分析结果集中于某一印制电路板上时, 由于电路集成度较高, 为了缩短停机时间, 在有相同备件的条件下可以先将备件换上, 然后再去检查修复故障板。 (4) 交叉换位法:在没有备件, 或部件拆卸检查比较困难的情况下, 可以将系统中相近或相兼容的两个部件或板卡互换, 例如XYZ伺服电机故障, X、Y坐标的指令板或伺服板的故障, 都可以通过交换排查法判断故障板或故障部位。应用这种换位法应特别注意, 不仅要确定硬件接线的正确插接, 还要将一系列的跳线开关或参数设置在正确的状态, 否则可能造成新的故障隐患。 (5) 参数调整:数控系统、PLC及伺服驱动系统在设备厂家安装、调试初期, 根据机床当时的电气、机械性能对一些参数进行了调整设置, 以满足机床加工要求。这些参数使机床总体加工效果达到最佳状态。但随着机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化, 最初的参数设置不再适应机床的工作性能, 所以需要重新调整相关参数进行优化。 (6) 接口状态检查:现代数控系统多将PLC集成于其中, 而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与I/O接口信号的传输错误或丢失相关的, 这些接口信号有的可以在相应的接口板和I/O板上有指示灯显示, 有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示, 而所有的接口信号都可以用PLC编程器调出。 (7) 特殊处理法:当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段, 其中软件含量越来越丰富, 有时软件逻辑的设计中可能出现一些内部冲突, 导致系统出错, 例如死机现象。这种故障现象可以采取特殊手段来处理, 比如整机断电, 稍作停顿后再开机, 故障会自动消除。

3 故障排除实例

(1) 伺服电机转速不稳或震动, 常伴随有对应电流表显示偏大。故障原因有三中可能。

(1) 电机严重过载, 原因一般为加工进刀量太大且不均衡或机床存在机械卡阻或机械润滑效果差。 (2) 伺服电机上的编码器故障, 一般原因为编码盘污染或由于机床长时间震动导致编码器与读数头相对位置发生变化, 进而导致速度编码器反馈数据出错。 (3) 变频器或功率模块滤波输出部位出现故障导致输出高次谐波电流太多

(2) 数控系统位置环故障。

(1) 位置环报警。可能是位置测量回路开路;测量元件损坏;接近开关与感应对象的相对最短距离发生移动导致检测不到信号等。 (2) 坐标轴在没有指令的情况下产生运动。可能是漂移过大;位置环或速度环接成正反馈;反馈接线开路;测量元件损坏。

(3) 机床坐标找不到零点。可能是零方向在远离零点;编码器损坏或接近开路;光栅零点标记移位;回零减速开关失灵。

(4) 机床动态特性变差, 工件加工质量下降, 甚至在一定速度下机床发生振动。造成这一现象的原因很可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重或者导轨润滑不充分甚至磨损造成的;对于电气控制系统来说一般是由于伺服系统调整不当, 各轴增益系统不相等或与电机匹配不合适引起, 解决办法是进行最佳化调节。此外, 液压系统工作不正常也可能造成加工质量下降。

(5) 停机故障。这里有两种可能的情况:一种情况是如前所述的相关软件设计中的问题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障, 一般情况下机床断电后重新通电便会消失;另一种情况是由环境条件引起的, 如强力干扰 (电网或周边设备) 、温度过高、湿度过大等。数控机床大多功能具备联锁功能, 当系统检测到某一部件有异常, 如关键部件散热风扇坏, 模块温度过高等常常会造成系统停机报警。

参考文献

[1]刘希金, 等.机床数控系统故障检测及维修[M].兵器工业出版社, 1995.

机床振动扫频系统设计与研究 篇10

关键词 机床振动；扫频系统；工作原理；设计；扫频试验

中图分类号 TP368 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0198-02

在对机床进行动力学研究的过程中，需要对机床进行各种必要的机械振动方面的测试与诊断。由于在传统的机床振动测试方法中，所运用到的测试仪器存在灵活性低、携带不便、造价成本过高的缺点，使得机床振动测试的应用受到一定的限制。随着科学技术的不断进步，机械振动的测试技术得以日益提升，机械振动的测试技术也得到了广泛的应用和发展。

1 机床振动扫频系统设计的理论基础

稳态正弦信号、瞬态信号、纯随机信号及周期信号是模态试验中最常见的四种激励信号。稳态正弦测试是简谐激振的一种主要形式，它是指在选定的频率段范围及振动坐标内，将一定量级的简谐激振力施加在测试对象的结构上，以便能够将激振力、响应信号准确地测试出来。稳态正弦信号具有较强的激励能量，能够有效地集中到单一频率上，因此，测量信号的信噪比相对较高，测试准确度高，更重要的是测试信号的幅值与频率易于控制。具体通过单自由度振动系统进行详细的

说明。

单自由度振动系统振动微分方程式为：

mx+cx+kx=f（t） （1）

其中：m表示单自由度振动系统的系统质量；c表示系统中的粘性阻尼系数；k表示振动系统中的刚度。

假设系统作用的简谐激励为：

f（t）=Fejωt （2）

其中，F表示系统中的激励幅值；ω表示系统中的激励频率。而此时，稳态位移响应x=Xejωt

从（1）（2）两式中可以得出，在简谐激励的作用下，其系统位移频响函数主要是稳态位移响应与激励幅值的比值，也就是：

H（ω）= （3）

由上述方程式可以看出，系统位移频响函数主要取决于m，c，k三个参数，因而可以通过改变参数ω的方式来得到频响曲线。

频响函数的测试原理主要是通过FFT 将采集到的离散序列、激振信号及振动信号直接转换成频域信号、自功率谱及互功率谱。而机床振动扫频的测试实验原理与此相同，都需将激励频率加以改变才能绘制好频响曲线。

2 机床振动扫频系统设计的实验方案

2.1 系统设计的实验原理

本设计实验以PXI-1042Q机箱为主体，通过计算机硬件系统、PXI-6251数据采集板卡、BNC-2120屏蔽接线盒以及PXI 模块化仪器等研制出一个机床振动测试系统。该测试系统的实验原理主要是利用软件系统将正选扫频信号直接发出，然后由PXI-6251数据采集板卡将正选扫频信号转化成模拟电压信号，接着由BNC-2120 屏蔽接线盒将其信号传递到功率放大器，激振器接受功率放大后，其电信号就会出现不同频率、波形、幅值的激励值，但均可通过软件系统加以控制。同时，在激振器与测试对象的相连部位，通过阻抗头CL-YD-331A能够将加速度与力信号直接输出到电荷放大器上，再通过A/D的 转换处理，并在软件系统中对其信号予以一定的处理，如响应信号平均处理、工程单位换算处理等。待以上所有的过程全部完成后，便可得到频率响应函数的幅值频率曲线及相位频率曲线。需注意的是，对于每一次的测试结果必须以文件方式进行保存，这样可边读取边进行曲线生成的数据分析。该系统的实验原理图如图1所示。

2.2 软件系统设计

图2 激振参数设置

该软件系统的最大优点在于具有产生扫频信号、处理采集信号、数据导出及频域分析的功能。在系统的初始化阶段，将会选择不同通道来设置信号输入输出值，如以方波、三角波或正弦波三种中的任意一种作为激励信号，同时将信号的幅值相应的设置好。在参数的设置界面的设置过程中，会将加速度传感器的灵敏度和力传感器灵敏度考虑到设置范围内，同时生成的系统实验曲线将会按照工程单位换算方法将统一换算成国际标准单位值。此外还将通过参数菜单设置好初始激振频率、截止频率及两者的频率间隔，激振参数设置如图2所示。系统中的正弦波形的输出频率范围在0 KHz-10 KHz之间，加速度与力信号的采样频率范围也在

0 KHz-10 KHz不断变化。在激振中，将会有位移幅值频域图、时域响应图、相位频域图得以生成，这些图可为机床振动扫频的实验过程分析提供一定的指导作用，不过若要充分进行数据分析，需在指定路径导出试验数据后方可进行。

3 机床振动扫频试验与对比

图3 幅值频谱图与与之对应的相位频谱图

此次机床振动扫频测试系统的测量工作主要在长度为440 mm，对直径为40 mm的镗杆动态特性中进行。所需要的实验仪器如下所示：灵敏度为3.09 PC/N的加速度计，灵敏度为4.49 PC/ms^2的力传感器，JZK-5的激振器、CL-YD-331A和阻抗头，其参数设置如上图2所示，采样时钟频率和扫频采样频率达到10?000 Hz，初始频率为50 Hz，扫描频段要50 Hz-650 Hz之间，以0.5 Hz的间隔进行一次扫描。

镗杆的支撑方式主要通过刀架固定镗杆一端，另一端可自由悬臂，由于试验要求的频率较高，因此激振器固定方式可以采用弹性固定的方法，以柔性的胶绳进行悬挂，并确保阻抗头与激振器及镗杆之间的连接，但是阻抗头与镗杆之间的连接方式最好采用双头螺钉的刚性连接方式，这样能够保证阻抗头与激振器之间是以弹性杆存在的。

如图3所显示的镗杆位移幅值频谱图，第一阶段显示的位移幅值频率约为147 Hz，第二阶位移幅值频率约为347 Hz，第三阶段位移幅值频率约为599 Hz，而其振动峰值恰好在此时达到了最大，从与之相对应的相位频谱图可以看出，其相位差为90°，完全与单自由度振动理论相符合。

为了确保测量的准确性，本文对此实验测量进行验证，在条件相同的情况下，通过B&K的3560C信号分析仪及与之相配套的pulse的锤击模态进行了试验，结果发现，前三阶段的固有频率值如下所示：第一阶段为148.5 Hz，第二阶351 Hz，第三阶589 Hz。将扫频系统与B&K锤击试验之间的结果进行对比分析如表1，不难发现，前三阶的固有频率相差率基本处在1.5%以内，这充分说明了机床振动扫频实验系统的测量准确性与精度较高。

参考文献

[1]山静明等人.缓冲系统振动特性的扫频测试[J].包装工程,2002,23(4).