鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小紅

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；半閉環(huán)；交流伺服系統(tǒng)；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

【分類號(hào)】TG659

根據(jù)校辦企業(yè)加工實(shí)物（鞋面定型螺釘），其產(chǎn)品為批量生產(chǎn)，產(chǎn)品主要的加工性能為，精度要求一般，效率要求較高。由于學(xué)院的機(jī)床都是07年統(tǒng)一購(gòu)置，而且機(jī)床缺乏正確的保養(yǎng)，有一批機(jī)床已報(bào)廢，根據(jù)這一現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)已報(bào)廢的數(shù)控車進(jìn)行改造，改造成專門用于鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床。通過(guò)機(jī)床的改造，其一能夠利用廢舊機(jī)床，根據(jù)實(shí)際需要，變廢為“寶”；其二能夠在改造機(jī)床的過(guò)程中提高教師的專業(yè)能力水平；其三使學(xué)生能夠參與其中，得到鍛煉。鞋面定型機(jī)螺釘加工圖紙如圖1所示：

一、鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

根據(jù)鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床的加工對(duì)象，確認(rèn)采用半閉環(huán)交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)加工零件。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理是應(yīng)用伺服電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，脈沖編碼器的選擇是裝在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，通過(guò)速度檢測(cè)器件來(lái)構(gòu)成該特定的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

二、鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

近年來(lái)，用戶對(duì)零部件的加工要求越來(lái)越高，精度的保證在通用件的使用性能上，可以提高利用率，設(shè)計(jì)出具有高效、高精度、高可靠性及高快速響應(yīng)等特性的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)。為此伺服裝置機(jī)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣就顯得尤為重要，為增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高速響應(yīng)特性，選擇更優(yōu)的伺服系統(tǒng)參數(shù)成為整個(gè)研究的重點(diǎn)。

作為加工鞋面定型機(jī)螺釘?shù)臋C(jī)床來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)考慮到干擾的影響；其次要考慮到過(guò)載的影響，再者要特別對(duì)機(jī)械振動(dòng)引起重視，因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。這些影響會(huì)減弱設(shè)備的使用期，進(jìn)而影響設(shè)備的使用壽命，因此要考慮一定的保險(xiǎn)系數(shù)。

為更好的提高教師的動(dòng)手能力和實(shí)踐教學(xué)能力，把一臺(tái)報(bào)廢的數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)改造成為適應(yīng)教學(xué)和加工一體的專用機(jī)床。為了更好的把原有數(shù)控車床改造成能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品和教學(xué)一體化機(jī)，通過(guò)生產(chǎn)產(chǎn)品的類型、尺寸等數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地計(jì)算機(jī)床的加工能力，為了滿足加工精度和加工效率的要求，對(duì)已報(bào)廢的一臺(tái)數(shù)控車床的整個(gè)伺服系統(tǒng)進(jìn)行翻新。根據(jù)加工零件特性，選擇伺服電機(jī)，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行裝配，對(duì)部分零件進(jìn)行配型，達(dá)到加工零件所需精度要求。另外這臺(tái)機(jī)床可能還有其他部分有待維修，將對(duì)這部分進(jìn)行綜合分析，得出結(jié)論，加以改造或修復(fù)。改造的原由是成本較低，與一般購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床相比可以節(jié)約50%～60%，又能促進(jìn)教學(xué)、生產(chǎn)、科研為一體的效果。特別是對(duì)機(jī)床的特性有了更進(jìn)一步的了解，對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題可以更快的維修好，具有一定的經(jīng)濟(jì)時(shí)效。

三、 鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是非常重要的部分，伺服系統(tǒng)的作用是接收來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、速度調(diào)節(jié)單元、位置調(diào)節(jié)單元、電流調(diào)節(jié)單元、檢測(cè)裝置等組成。

鞋面定型機(jī)螺釘采用的原材料是45鋼，其材料在行業(yè)當(dāng)是常用軸類零件材料。通過(guò)用機(jī)床車削加工后采用調(diào)質(zhì)或者正火等熱處理方式，能夠完善鞋面定型機(jī)螺釘?shù)那邢餍阅埽部梢詽M足鞋面定型機(jī)螺釘?shù)膹?qiáng)度及其韌性等使用要求。

根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度：600Mpa； 屈服強(qiáng)度：355Mpa；伸長(zhǎng)率：16%；收縮率：40%；沖擊功：39J；熱軋鋼：≤229HB；退火鋼：≤197HB等性能指標(biāo)，對(duì)鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床的伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

綜合考慮各系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)需要和教學(xué)要求，本機(jī)床的加工精度要求不是很高，在加工上述零件和教學(xué)中，機(jī)床的刀架需要頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)，也為了降低設(shè)計(jì)成本，選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，精度較好的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

具體方案如下：

1.研究伺服系統(tǒng)的理論，并應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)當(dāng)中；

2.對(duì)鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床的伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型，并分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行全面研究；

3.制作實(shí)體模型，實(shí)際運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行反饋，從而優(yōu)化伺服系統(tǒng)；

4.根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選型，裝配機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，電源連接，對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)行工件試切，分析數(shù)據(jù)，為達(dá)到正常的加工效果對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整；

5.按照有關(guān)要求對(duì)鞋面定型機(jī)螺釘進(jìn)行加工，經(jīng)檢測(cè)零件尺寸來(lái)檢驗(yàn)加工質(zhì)量；

6.記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行總結(jié)，形成文字稿，撰寫論文。

四、機(jī)械部分的改造方案

伺服系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成，如圖4所示，包括伺服電機(jī)、絲杠、同步輪和同步帶、滾珠絲杠副、軸承、和移動(dòng)部件等。輸入端為伺服電機(jī)的角位移，輸出為執(zhí)行元件的動(dòng)作。電機(jī)通過(guò)同步帶和同步輪相連接，滾珠絲杠螺母副帶著刀架作直線運(yùn)動(dòng)。

論文主要是根據(jù)實(shí)際機(jī)床的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)生產(chǎn)產(chǎn)品的類型、尺寸等數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地計(jì)算出該數(shù)控機(jī)床的加工能力，為了提高精度和效率。對(duì)數(shù)控車床整個(gè)伺服系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)加工零件的要求，選擇伺服電機(jī)，并對(duì)機(jī)械進(jìn)給裝置部分進(jìn)行匹配，對(duì)部分零件進(jìn)行配型，已達(dá)到所需的加工精度要求。另外對(duì)機(jī)床存在的其它故障進(jìn)行部分功能恢復(fù)。主要是進(jìn)行了鞋面定型螺釘機(jī)專用機(jī)床伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用一臺(tái)舊機(jī)床的進(jìn)行改造，根據(jù)特定的鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床要求，提出伺服系統(tǒng)、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)部分的改造方案并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得改造后的機(jī)床滿足加工要求，并對(duì)該伺服系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，分析影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的各種原因，對(duì)部分影響因素進(jìn)行對(duì)比仿真，以求該因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。最后對(duì)改造機(jī)床進(jìn)行配線、調(diào)試、試運(yùn)行，最終設(shè)計(jì)出鞋面定型機(jī)螺釘專用機(jī)床，滿足加工要求。