摘要：将XB4450仿型铣床改造成四轴三联动数控铣床，并采用交流伺服驱动。配上数控分度头可以加工齿轮、蜗轮等复杂机械零件，同时应用数字化全闭环控制方法，使其具有很高的加工精度。
1 改造的必要性
国内某厂为了满足加工需要、节省资金、委托我们将该厂闲置的XB4450仿型铣床改造为四轴三联动的数控铣床以满足加工曲线、曲面类零件。改造后的数控铣床具有立式和卧式双重功能，能实现四轴三联动。改造方案简单易行、改造性价比较高。同时厂方为了达到更高精度，要求我们尝试着使用数字化全闭环高精度控制技术，在改造后的XB4450仿型铣床上进行应用之后，取得了满意的效果。
2 数控化改造方案
2.1 原机床基本动作
XB4450 仿型铣床是一种利用靠模近似加工简单平面曲线的精密铣床，主轴靠一个双速电机驱动，通过机械调速装置可实现18种不同的速度变化。主轴进给由一个直流电机驱动，可以在一定范围内调速，机床主轴箱的升降由一个电机驱动，来控制刀具的上下移动，主轴箱上有靠模仪座、刹车机构、操作面板等。工作台由一台直流电机驱动。
2.2 改造方案
（1）主轴进给直流电机改为交流伺服电机，精确控制主轴进给量（Z轴）。
（2）主轴箱升降驱动电机改为交流伺服电机，精确控制刀具上下移动（r轴）。
（3）工作台直流电机改为交流伺服电机，精确控制工作台往复运动（X轴）。
（4）在肋板上安装竖向工作台，并配数控分度头（C轴），改造后具有立式和卧式双重数控铣床功能，实现四轴三联动。
（5）主轴进给、主轴箱升降、工作台传动的丝杠全部换成精度较高的滚珠丝杠。
（6）在工作台移动和主轴箱升降两个方向安装直线光栅，形成全闭环控制，以提高机床加工精度。
（7）原机床主轴靠一个双速电机驱动，通过机械调速装置可实现18种不同的速度变化，基本上满足使用要求。
改装后传动系统如图1。
1.主轴箱升降伺服电机 2.工作台伺服电机 3.数控分度头 4.刀具进给伺服电机
图1 改造后的铣床传动系统
3 数字化全闭环位置控制系统
改造后系统采用全闭环伺服系统，由于进给丝杠的拉压、扭转刚度以及摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素，若各参数配置不当，将会引起振荡，造成不稳定现象从而影响定位精度，为了满足系统稳定性，所以采用全闭环。在全闭环伺服控制系统中，对位置检测元件和反馈元件的选择很关键。直线光删具有检测精度高、重复性好、抗干扰能力强，耐油耐污及维护简单等优点。全闭环伺服系统工作原理：安装在工作台上的光栅位置检测装置测量出工作台的实际位移x1，产生反馈脉冲F1 输入到位置偏差检测器，并与位置指令脉冲pp相比较，并产生偏差脉冲pe。此偏差脉冲位置控制信号经放大器和数模转换器后加放大输出工作电压Uc，与编码器反馈电压Ug比较和放大后，产生伺服电机控制电压Um，驱动电机旋转，从而带动滚珠丝杠旋转，通过丝杠螺母副使工作台输出位移。
数字化全闭环位置控制方法就是在对机床运动部件进行数字式驱动的基础上，引入直接检测运动部件最终位移的数字式测量环节，以充分获取和利用系统信息，从反馈控制的角度对机床各坐标的运动进行数字化控制，由此构成包括各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统。这样，该系统不但可使运动部件的定位精度由检测环节的测量精度决定，而且可对各种干扰和非线性因素对运动部件位移产生的影响进行有效的动态校正，使任何时刻运动的实际位移总是跟随指令值变化，从而保证机床各坐标具有很高的动、稳态精度。其数字化全闭环控制系统的组成如图2所示。
图2 数字化全闭环位置控制系统的组成
该系统采用光栅作为线位移检测装置直接获取机床工作台的位移信息，此信息经过前置处理后得到相位差为90‘的两路位移脉冲信号，其频率与工作台的移动速度成正比，其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。位移脉冲被送人可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。系统中位置控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈之差，按预先设计的数字化控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移严格跟随指令值变化。数字化全闭环位置控制系统的动态结构图如图3所示。
图3 数字化全闭环位置控制系统的动态结构图
为使闭环系统具有较快的动态性能并且跟踪斜坡输入无稳态误差，采用PID调节器作为位置控制器，其实现算法为：
（1）
式中：Uk为第k采样周期控制器的输出；ek为第k采样周期系统输入与输出之间的跟随误差；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
实际调试时发现，系统动态过程的超调往往过大，有时甚至不能正常工作。为解决该问题，对式（1）中的积分作用进行分离控制。即当系统处于过渡过程，跟踪误差较大时，取消积分控制，以保证稳定工作。当系统进入稳态跟踪过程时，加入积分控制，以保证跟踪斜坡输入的稳态差为0。由此得到的控制算法为：
（2）
式中：Ki为积分系数，
；Kd为微分系数，
；S为控制积分作用的开关变量，其取值为
（3）
式中：Δ为稳态跟踪区间。
4 结论
（1）将XB4450仿型铣床进行数控化伺服改造后，可实现三轴联动，能加工复杂的曲面，还可以加工齿轮、蜗轮等复杂型面机械零件。
（2）改造方案简单易行，操作方便。其加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。
（3）改造后的XB4450数控铣床控制精度可以达到J0.005mm。
