鞋面定型機螺釘專用機床的進給伺服系統設計

張小紅

關鍵詞：數控機床；半閉環；交流伺服系統；靜態特性；動態響應特性

【分類號】TG659

根據校辦企業加工實物（鞋面定型螺釘），其產品為批量生產，產品主要的加工性能為，精度要求一般，效率要求較高。由于學院的機床都是07年統一購置，而且機床缺乏正確的保養，有一批機床已報廢，根據這一現狀，通過對已報廢的數控車進行改造，改造成專門用于鞋面定型機螺釘專用機床。通過機床的改造，其一能夠利用廢舊機床，根據實際需要，變廢為“寶”；其二能夠在改造機床的過程中提高教師的專業能力水平；其三使學生能夠參與其中，得到鍛煉。鞋面定型機螺釘加工圖紙如圖1所示：

一、鞋面定型機螺釘專用機床進給伺服系統的設計理念

根據鞋面定型機螺釘專用機床的加工對象，確認采用半閉環交流進給伺服系統加工零件。半閉環伺服系統的工作原理是應用伺服電機帶動移動部件的運動，脈沖編碼器的選擇是裝在電動機內部，通過速度檢測器件來構成該特定的半閉環控制系統，如圖2所示。

二、鞋面定型機螺釘專用機床進給伺服系統的設計思路

近年來，用戶對零部件的加工要求越來越高，精度的保證在通用件的使用性能上，可以提高利用率，設計出具有高效、高精度、高可靠性及高快速響應等特性的數控機床已經成為世界各國研究的重點。為此伺服裝置機構靜動態特性的優劣就顯得尤為重要，為增強系統的穩定性和高速響應特性，選擇更優的伺服系統參數成為整個研究的重點。

作為加工鞋面定型機螺釘的機床來說，首先應考慮到干擾的影響；其次要考慮到過載的影響，再者要特別對機械振動引起重視，因為振動會對零件的疲勞強度產生影響。這些影響會減弱設備的使用期，進而影響設備的使用壽命，因此要考慮一定的保險系數。

為更好的提高教師的動手能力和實踐教學能力，把一臺報廢的數控車床的伺服系統進行重新設計，設計改造成為適應教學和加工一體的專用機床。為了更好的把原有數控車床改造成能夠適應實際生產產品和教學一體化機，通過生產產品的類型、尺寸等數據可以準確地計算機床的加工能力，為了滿足加工精度和加工效率的要求，對已報廢的一臺數控車床的整個伺服系統進行翻新。根據加工零件特性，選擇伺服電機，對機械部分進行裝配，對部分零件進行配型，達到加工零件所需精度要求。另外這臺機床可能還有其他部分有待維修，將對這部分進行綜合分析，得出結論，加以改造或修復。改造的原由是成本較低，與一般購置新的數控機床相比可以節約50%～60%，又能促進教學、生產、科研為一體的效果。特別是對機床的特性有了更進一步的了解，對使用過程中出現的問題可以更快的維修好，具有一定的經濟時效。

三、 鞋面定型機螺釘專用機床進給伺服系統的設計方案

數控機床中，伺服系統是非常重要的部分，伺服系統的作用是接收來自數控裝置的脈沖信號并將其轉換為機床移動部件的運動，由伺服電機、驅動信號控制轉換電路、電力電子驅動放大模塊、速度調節單元、位置調節單元、電流調節單元、檢測裝置等組成。

鞋面定型機螺釘采用的原材料是45鋼，其材料在行業當是常用軸類零件材料。通過用機床車削加工后采用調質或者正火等熱處理方式，能夠完善鞋面定型機螺釘的切削性能，也可以滿足鞋面定型機螺釘的強度及其韌性等使用要求。

根據材料抗拉強度：600Mpa； 屈服強度：355Mpa；伸長率：16%；收縮率：40%；沖擊功：39J；熱軋鋼：≤229HB；退火鋼：≤197HB等性能指標，對鞋面定型機螺釘專用機床的伺服系統的設計提供了依據。

綜合考慮各系統的優缺點，根據生產需要和教學要求，本機床的加工精度要求不是很高，在加工上述零件和教學中，機床的刀架需要頻繁轉動，也為了降低設計成本，選擇結構相對簡單，精度較好的半閉環控制系統。

具體方案如下：

1.研究伺服系統的理論，并應用于數控機床系統當中；

2.對鞋面定型機螺釘專用機床的伺服系統進行設計，建立數學模型，并分析系統的穩態和動態性能，進而對該系統進行全面研究；

3.制作實體模型，實際運動，檢測數據，對數據進行分析，并進行反饋，從而優化伺服系統；

4.根據設計要求對伺服電機進行選型，裝配機械結構部分，電源連接，對機床進行調試，進行工件試切，分析數據，為達到正常的加工效果對機床進行調整；

5.按照有關要求對鞋面定型機螺釘進行加工，經檢測零件尺寸來檢驗加工質量；

6.記錄有關數據，進行總結，形成文字稿，撰寫論文。

四、機械部分的改造方案

伺服系統的機械構成，如圖4所示，包括伺服電機、絲杠、同步輪和同步帶、滾珠絲杠副、軸承、和移動部件等。輸入端為伺服電機的角位移，輸出為執行元件的動作。電機通過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動。

論文主要是根據實際機床的數據進行優化，通過生產產品的類型、尺寸等數據可以準確地計算出該數控機床的加工能力，為了提高精度和效率。對數控車床整個伺服系統進行改造。根據加工零件的要求，選擇伺服電機，并對機械進給裝置部分進行匹配，對部分零件進行配型，已達到所需的加工精度要求。另外對機床存在的其它故障進行部分功能恢復。主要是進行了鞋面定型螺釘機專用機床伺服系統的設計，并運用一臺舊機床的進行改造，根據特定的鞋面定型機螺釘專用機床要求，提出伺服系統、伺服電機、機械傳動部分的改造方案并進行重新設計，使得改造后的機床滿足加工要求，并對該伺服系統的靜態響應特性和動態響應特性進行模擬仿真，通過系統的單位階躍響應曲線，分析影響系統穩定性的各種原因，對部分影響因素進行對比仿真，以求該因素對系統穩定性的影響規律。最后對改造機床進行配線、調試、試運行，最終設計出鞋面定型機螺釘專用機床，滿足加工要求。