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1 改造原因

XB4450銑床是昆明機床廠生產的仿形銑床。其基本參數為：最大銑削長度900mm，最大銑削寬度500mm，最大銑削高度350mm。該銑床由于長時間工作，設備老化，機械傳動偏差大，造成精度不高，速度慢；單軸控制，電路復雜，操作繁瑣，性能不穩定，且效率低下。為適應現代制造工業發展，合理利用資源，進行了如下改造。

2 電氣部分改造

改造后的數控系統是由內外兩個位置環組成。其中內部閉環為轉角位置閉環，檢測元件為裝在電機軸上的光電編碼盤，驅動裝置為交流伺服電機(代替原來的可控硅控制的直流電機)，從而構成了一個輸入為θi，輸出為θ0的隨動系統。由于編碼器分辨率較高，反饋采用數字脈沖伺服，部分采用雙脈沖輸入控制，所以抗干擾能力強。內環性能穩定，同改造以前開環控制比較，旋轉精度明顯提高。外部位置環采用分辨率為0.05μm光柵尺作為線位移檢測元件，直接獲取加工中機床工作臺的位移信息。產生數字脈沖傳送給計算機，構成全閉環控制，使機床定位精度得到保證。以內環轉角隨動系統的驅動裝置驅動工作臺運動，工作臺的位移精度由線位移檢測元件決定。采用雙閉環控制不但具有全閉環系統的位置控制精度，而且具有全閉環控制的精度穩定性，有效地保證了機床的響應速度和加工精度。

1) 穩定性分析

由于內部轉角閉環不包含間隙非線性環節，因此通過合理設計該局部線性系統，可使其成為一無超調的快速隨動系統，其動態特性可近似表示為

式中：K_q——轉角閉環增益
T_q——轉角閉環時間常數

系統外環雖然包含了非線性環節，但設計控制器使

Gp(S)=Kp/S

式中 Kp——積分環節時間常數

將系統校正為Ⅰ型并合理選擇系統增益，可避免系統的頻率特性曲線與非線性環節的負倒幅曲線相交或將其包圍，從而保證系統穩定工作。顯然當T_q較小時，q₀(S)/q_i(S)=K₀，系統將具有更強的穩定性。

2) 跟隨誤差分析

采用上述方案可保證系統穩定工作，因此可忽略非線性因數的影響，求出該系統的傳遞函數

系統設計時使反饋系數Kf=1，前饋通道

上式說明，雙閉環系統具有理想的動態性能和跟隨精度。

用三菱PLC處理復雜電路邏輯關系，使得線路簡化，性能穩定，維護方便。另外，為使機床能夠滿足加工不同材料的要求，主軸使用變頻器進行無級調速，保證主軸速度變化情況下，轉矩變化小。

3 機械部分改造

首先，將X、Y、Z三方向拖板的齒輪變速箱拆去不用，電機直接通過皮帶輪、同步帶帶動滾珠絲杠，從而帶動拖板移動。因此機械結構更為簡單，減少了傳動誤差。下面以Z方向的結構為例，說明其新結構。Z軸電機根據客戶要求安裝在機床的下方。其連接方法如圖2所示。

1.電機 2、13.螺釘 3.支承座 4、9.螺母 5.同步帶 6、8漲緊套 7.同步齒輪 10.軸承 11.外隔圈 12.內隔圈 14.壓緊法蘭 15.滾珠絲桿
圖2

皮帶輪7通過漲緊套固定在電機軸上，它通過皮帶帶動帶輪8，帶輪8通過漲緊套與滾珠絲杠固定(滾珠絲杠采用一端固定，一端浮動方式的固定方式)，帶動Z向拖板升降運動。其中漲緊套機構是近幾年發展起來的一種新型無鍵連接方式，比有鍵連接更易保證精度，更易安裝，其結構、尺寸已經標準化。

4 改造結果

根據客戶反映，改造以后的銑床性能穩定，加工精度高。該機床采用三軸聯動，對于較復雜的模具曲面、異形工件均能自動加工，而且運算速度快，定位精度好，價格性能比高，適應了現代制造業的需要。