導葉球面數控加工裝置的研制

摘 要：通過數控改造，提高原有設備的加工能力，降低成本，并能夠達到提高產品質量，且提高了生產效率。

關鍵詞：導葉球面；數控刀架；交流伺服電機

1 前言

貫流式水輪機是我國近年來開發出的新產品，其結構復雜，很多部件形狀是球形、錐形、加工困難。為了達到工藝要求，我們對C9020落地車鏜床進行了改造，配上數控刀架，使機床具備數控加工能力，成為一臺經濟型數控車鏜床。

2 研究內容

導葉球面數控加工裝置能夠加工貫流式水輪機導葉瓣體兩端球面和兩端軸頸，以及其它球形、曲面形工件。導葉瓣體端面和葉片臂膀屬于斷續切削。該裝置在橫向行程為600mm，在縱向行程為1000mm，利用數控系統對刀架縱向進給機構和橫向進給機構進行半封閉環控制。縱向、橫向進給機構采用了一級齒輪減速，并且定期人工調整螺釘緊固辦法消除齒輪間的間隙。電機每轉一周行程為4mm。最小設定單位0.001mm，編碼器發出2048脈沖。驅動元件采用交流伺服系統，電機型號為44C22，額定功率4.4KW，額定轉速1500轉/分。轉動系統采用滾珠絲杠；上下導軌面粘貼耐磨涂料5mm。其示意圖為：

3 方案的比較和選擇

數控化改造較多的采用步進電機作為驅動元件。步進電機的優點是結構簡單、體積小、重量輕、容易調試。缺點是沒有過載能力、高速時扭矩下降、起動頻率低、容易丟步。采用交流伺服電機的半閉環控制，調速范圍廣、過載能力強。采用反饋控制能補償機械傳動系統的部分誤差。經過比較，綜合了成功率、加工精度等因素，決定選用交流伺服半閉環控制。

4 部分設計和計算

4.1 切削力的計算：

從上面的計算可知：數控刀架在加工過程中，Z方向的變形或者說刀頭與工件加工點的位置上刀頭下移0.0107mm。

根據Z方向的計算方法可以同樣計算出，Y方向的變形量為0.0236mm。

根據計算結果，刀架在工作過程中Z方向的變形比較大，因此在設計中加強了Z方向剛度減少變形量。

5 數控刀架精度和誤差的補償

在數控機床上加工零件時，從零件圖上的信息開始直到加工成零件的全過程，每個環節的誤差都會影響到工件的加工精度。第一類誤差在編程階段產生近似計算誤差、分割點坐標計算誤差、插值誤差、尺寸圓整誤差以及編程誤差。編程誤差大小與數控機床的脈沖數量有一定關系。

第二類誤差在直接加工零件的過程中產生，這類誤差常常是主要的。整個工藝系統（數控機床-刀具-夾具-工件毛坯）內部的種種因素都會影響零件的加工精度。這些因素包括：調整誤差；安裝誤差；切削過程中的受力變形和熱變形；刀具的磨損等等。此外，零件的加工精度還受到工藝系統外部環境的影響。以上各種因素中，數控機床的精度對零件的加工精度超差起決定性作用。

對數控精度的要求包括：機床幾何精度、運動精度、位置精度以及靜剛度、抗振性等靜態和動態性能指標。一般，位置精度是數控機床最重要的，也是最具有該機床特征的一項指標，它由數控機床的控制系統和機械系統兩部分綜合作用形成。在輪廓控制系統中，還要保證一定的輪廓跟隨精度。

5.1 定位精度主要評定以下三項：

5.3 定位精度分析及提高定位精度的措施

5.3.1 開環系統的定位精度

該數控刀架采用半閉環系統，定位精度主要取決于減速齒輪、滾珠絲杠螺母副的傳動誤差。因此采取提高齒輪副的加工精度、齒輪中心距可調整機構減少齒輪副的傳動誤差；滾珠絲杠選取定值預緊力的滾珠絲杠螺母副；采用鑄塑式塑料導軌減少導軌副的誤差。

5.3.2 矢動量的來源及消除措施

在傳動系統中各種機構間隙、結構件的彈性變形等綜合形成反響運動時的是動量，是定位誤差中系統性誤差的一個主組成部分。減少矢動量，可以從以下幾方面采取措施：

①減少、消除各種機械間隙，裝配時預加載荷；減少絲杠傳動件的彈性變形，增大軸徑尺寸，有效地減少變形。

②減少相對運動件之間的摩擦力

③采用誤差補償法，減少矢動量的常值系統性誤差。原理就是人為地制造一個大小相等、方向相反的誤差去補償修正原有的誤差。該數控系統選用了軟件補償法，消除誤差。誤差的補償，采用等間距取值列表形式。

6 結束語

數控機床較好的解決形狀復雜、精密工件的加工問題，但對于被加工工件形狀簡單、專用性比較強、噸位比較大的情況下，可通過數控改造，提高原有設備的加工能力，成本又不高。該設備已投入使用，效果非常好，能夠達到工藝要求，大大提高了生產率。因此，普通機床的數控改造是非常必要的，而且是大有可為的。