摘要：將XB4450仿型銑床改造成四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，并采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。配上數(shù)控分度頭可以加工齒輪、蝸輪等復(fù)雜機(jī)械零件，同時(shí)應(yīng)用數(shù)字化全閉環(huán)控制方法，使其具有很高的加工精度。

1 改造的必要性

     國內(nèi)某廠為了滿足加工需要、節(jié)省資金、委托我們將該廠閑置的XB4450仿型銑床改造為四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床以滿足加工曲線、曲面類零件。改造后的數(shù)控銑床具有立式和臥式雙重功能，能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。改造方案簡單易行、改造性價(jià)比較高。同時(shí)廠方為了達(dá)到更高精度，要求我們嘗試著使用數(shù)字化全閉環(huán)高精度控制技術(shù)，在改造后的XB4450仿型銑床上進(jìn)行應(yīng)用之后，取得了滿意的效果。

2  數(shù)控化改造方案

2.1  原機(jī)床基本動(dòng)作
    XB4450 仿型銑床是一種利用靠模近似加工簡單平面曲線的精密銑床，主軸靠一個(gè)雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械調(diào)速裝置可實(shí)現(xiàn)18種不同的速度變化。主軸進(jìn)給由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)速，機(jī)床主軸箱的升降由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，來控制刀具的上下移動(dòng)，主軸箱上有靠模儀座、剎車機(jī)構(gòu)、操作面板等。工作臺(tái)由一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2  改造方案
（1）主軸進(jìn)給直流電機(jī)改為交流伺服電機(jī)，精確控制主軸進(jìn)給量（Z軸）。

（2）主軸箱升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)改為交流伺服電機(jī)，精確控制刀具上下移動(dòng)（r軸）。

（3）工作臺(tái)直流電機(jī)改為交流伺服電機(jī)，精確控制工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)（X軸）。

（4）在肋板上安裝豎向工作臺(tái)，并配數(shù)控分度頭（C軸），改造后具有立式和臥式雙重?cái)?shù)控銑床功能，實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。

（5）主軸進(jìn)給、主軸箱升降、工作臺(tái)傳動(dòng)的絲杠全部換成精度較高的滾珠絲杠。

（6）在工作臺(tái)移動(dòng)和主軸箱升降兩個(gè)方向安裝直線光柵，形成全閉環(huán)控制，以提高機(jī)床加工精度。

（7）原機(jī)床主軸靠一個(gè)雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械調(diào)速裝置可實(shí)現(xiàn)18種不同的速度變化，基本上滿足使用要求。    

    改裝后傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1。

1.主軸箱升降伺服電機(jī)  2.工作臺(tái)伺服電機(jī)  3.數(shù)控分度頭  4.刀具進(jìn)給伺服電機(jī)
圖1  改造后的銑床傳動(dòng)系統(tǒng)

3  數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)

     改造后系統(tǒng)采用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，由于進(jìn)給絲杠的拉壓、扭轉(zhuǎn)剛度以及摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素，若各參數(shù)配置不當(dāng)，將會(huì)引起振蕩，造成不穩(wěn)定現(xiàn)象從而影響定位精度，為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以采用全閉環(huán)。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對位置檢測元件和反饋元件的選擇很關(guān)鍵。直線光刪具有檢測精度高、重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)，耐油耐污及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)工作原理：安裝在工作臺(tái)上的光柵位置檢測裝置測量出工作臺(tái)的實(shí)際位移x1，產(chǎn)生反饋脈沖F1 輸入到位置偏差檢測器，并與位置指令脈沖pp相比較，并產(chǎn)生偏差脈沖pe。此偏差脈沖位置控制信號(hào)經(jīng)放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器后加放大輸出工作電壓Uc，與編碼器反饋電壓Ug比較和放大后，產(chǎn)生伺服電機(jī)控制電壓Um，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副使工作臺(tái)輸出位移。

     數(shù)字化全閉環(huán)位置控制方法就是在對機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行數(shù)字式驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，引入直接檢測運(yùn)動(dòng)部件最終位移的數(shù)字式測量環(huán)節(jié)，以充分獲取和利用系統(tǒng)信息，從反饋控制的角度對機(jī)床各坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化控制，由此構(gòu)成包括各種誤差源和非線性環(huán)節(jié)的數(shù)字化全閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，該系統(tǒng)不但可使運(yùn)動(dòng)部件的定位精度由檢測環(huán)節(jié)的測量精度決定，而且可對各種干擾和非線性因素對運(yùn)動(dòng)部件位移產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)校正，使任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位移總是跟隨指令值變化，從而保證機(jī)床各坐標(biāo)具有很高的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)精度。其數(shù)字化全閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2  數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的組成

     該系統(tǒng)采用光柵作為線位移檢測裝置直接獲取機(jī)床工作臺(tái)的位移信息，此信息經(jīng)過前置處理后得到相位差為90‘的兩路位移脈沖信號(hào)，其頻率與工作臺(tái)的移動(dòng)速度成正比，其數(shù)量為工作臺(tái)實(shí)際位移量除以脈沖當(dāng)量。位移脈沖被送人可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值即表示了工作臺(tái)的當(dāng)前實(shí)際位置。系統(tǒng)中位置控制器的作用是，根據(jù)位置給定值與位置反饋之差，按預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制規(guī)律控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，以保證工作臺(tái)位移嚴(yán)格跟隨指令值變化。數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3  數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

    為使閉環(huán)系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)性能并且跟蹤斜坡輸入無穩(wěn)態(tài)誤差，采用PID調(diào)節(jié)器作為位置控制器，其實(shí)現(xiàn)算法為：

  （1）

     式中：U_k為第k采樣周期控制器的輸出；e_k為第k采樣周期系統(tǒng)輸入與輸出之間的跟隨誤差；K_p為比例系數(shù)；T_i為積分時(shí)間常數(shù)；T_d為微分時(shí)間常數(shù)。

     實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的超調(diào)往往過大，有時(shí)甚至不能正常工作。為解決該問題，對式（1）中的積分作用進(jìn)行分離控制。即當(dāng)系統(tǒng)處于過渡過程，跟蹤誤差較大時(shí)，取消積分控制，以保證穩(wěn)定工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)跟蹤過程時(shí)，加入積分控制，以保證跟蹤斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)差為0。由此得到的控制算法為：

  （2）
    式中：Ki為積分系數(shù)，；K_d為微分系數(shù)，；S為控制積分作用的開關(guān)變量，其取值為

   （3）

    式中：Δ為穩(wěn)態(tài)跟蹤區(qū)間。

4  結(jié)論

（1）將XB4450仿型銑床進(jìn)行數(shù)控化伺服改造后，可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，能加工復(fù)雜的曲面，還可以加工齒輪、蝸輪等復(fù)雜型面機(jī)械零件。

（2）改造方案簡單易行，操作方便。其加工能力、自動(dòng)化水平和加工精度明顯提高。

（3）改造后的XB4450數(shù)控銑床控制精度可以達(dá)到J0.005mm。