数控机床驱动分析

数控机床驱动分析（精选6篇）

数控机床驱动分析 篇1

摘要：阐述了数控机床交流伺服驱动单元容量选择的一般方法,分析了计算负荷惯量、负荷转矩、加减速转矩的计算过程,以及初步确定机械齿轮比和核算惯量、转矩的原则。

关键词：负荷惯量,负荷转矩,加减速转矩,惯量匹配,机械齿轮比

伺服单元容量的确定,必须综合考虑负荷惯量、负荷转矩、要求的定位精度、要求的最高速度,建议按下述步骤考虑。

1 计算负荷惯量、负荷转矩、加减速转矩

1.1 扭矩计算

负载扭矩是由于驱动装置的摩擦力和切削力所引起

M-电动机轴转矩;F-使机械部件沿直线方向移动所需力;L-电动机转一圈时,机械移动距离。

2πM是电动机以扭矩M转一圈时电动机所做的功,而FL是以F力机械移动L距离时所做的机械功。

在实际机床上,由于存在传动效率和摩擦系数因素,滚珠丝杠克服外部载荷P做等速运动所需力矩,如图1。

伺服进给驱动系统一例

应按下式计算:

M1-等速运动时的驱动力矩(N·mm);双螺母滚珠丝杠的预紧力矩(N·mm);Fa0-预紧力(N),通常预紧力取最大轴向工作负荷Fmax的1/3,即Fa0=1/3Fmax,当Fmax难于计算时,可采用Fa0=(0.1～0.12)Ca(N)。

Ca-滚珠丝杠副的额定载荷;hsp-丝杠导程(mm);K-滚珠丝杠预紧力矩系数,取0.1-0.2;p-加在丝杠轴向的外部载荷(N),P=F+μW;F-作用于丝杠轴向的切削力(N);W-法向载荷(N),W=W1+P1;W1-移动部件重力(N),包括最大承载重力;P1-有夹板夹持时(如主轴箱)的夹板夹持力;μ-导轨摩擦系数,粘贴聚四氟乙烯板的滑动导轨副μ=0.09,有润滑条件时,μ=0.03-0.05,直线滚动导轨μ=0.003-0.004;η1-滚珠丝杠的效率,取0.90-0.95;MB-支撑轴承的摩擦力矩,亦叫启动力矩(N·m),可以从滚珠丝杠专用轴承样本中找到;Z1-齿轮1的齿数;Z2-齿轮2的齿数。

最后按满足下式的条件选伺服电动机;

式中Ms是伺服电动机的额定转矩。

1.2 惯量匹配计算

通常在电动机惯量JM与负载惯量JL(折算至电动机轴)或总惯量Jr之间,推荐下列匹配关系:

电动机的转子惯量JM可从产品样本中查到。

(1)回转体的惯量

滚珠丝杠、联轴节、齿轮、齿形皮带轮等,均属于回转体。

γ-回转体材料的密度(kg·m2);D-回转体直径(cm);L-回转体长度(cm);g-重力加速度,g=980cm/s2。

(2)直线运动物体的惯量

W-直线运动物体的重力(N);L-电动机转一圈时物体移动的距离(cm),若电动机与丝杠直连,则L=丝杠导程hsp。

(3)减速传动时折算到电机轴上的惯量,齿轮、齿形皮带传动减速时,折算到电机轴上的惯量。

负载惯量计算参看图,折算到电机轴上的负载惯量JL为:

JG1-齿轮1的惯量(kg·m2);JG2-齿轮2的惯量(kg·m2);JS-滚珠丝杠的惯量(kg·m2)。

1.3 定位加速时的最大转矩M的计算

nm-快速移动的电机转速(r/min);ta-加速、减速时间(s),按ta≈3/ks,取150～200ms;ts-系统的开环增益,通常取8～25s-1,加工中心一般取ks=20s-1左右;ML-负载转矩(N·m)。

若是M小于伺服电机的最大转矩Mmax,则电机能以所取的时间常数进行加速和减速。

2 初步确定机械齿轮比

根据要求的最高速度和电机的最高转速计算出最大机械减速比,用此减速比和电机的最小回转单位核算能否满足最小位置单位的要求,如果位置精度要求较高,可增大机械减速比(实际最高速度降低)或选用转速更高的电机。

3 核算惯量和转矩

用机械减速比把负荷惯量和负荷转矩折算到电机轴上,折算出的惯量应不大于电机转子惯量的5倍;折算出的负荷转矩、有效转矩应不大于电机额定转矩。如果不能满足上述要求,可采取增大机械减速比(实际最高速度降低)或选用容量更大的电机。

数控机床驱动分析 篇2

【关键词】职业任务驱动 教学模式 数控课程

一、职业任务驱动教学法的内涵与意义

职业任务驱动教学法是建立在建构主义教学理论基础上的教学方法,在整个教学过程中,以完成一个个具体的任务为线索,把教学内容巧妙地隐含在每个任务之中,并在完成任务的同时培养学生的创新意识和创新能力以及自主学习的习惯,引导他们学会如何去发现,如何去思考,如何去寻找解决问题的方法,最终让学生自己提出问题,并解决问题。这种方法的特点是:教师通过巧妙地设计教学任务,将要讲授的数控知识蕴含于任务之中,使学生通过完成任务达到掌握所学知识的目的。为学生提出了由表及里、逐层深入、逐步求精的学习途径,便于由浅入深、循序渐近地学好数控知识和技能。这种方法给予学生是一个一个的成就感,从而避免了“只见树木,不见森林”的教学模式给学生带来的满头雾水和一脸茫然的结局,有利于充分调动学生学习的积极性,满足学生的学习欲望,培养学生自主学习、独立分析和解决问题的能力,同时使学生体验到探索、发现、创新的喜悦。

二、数控技术教育现状

数控技术的广泛应用,给传统制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来深刻的变化,亦对传统的机电类专业人材的培养带来新的挑战。通过对数控技术类教育现状的调研发现,虽然各类职业学校加大了培养数控人才的力度,但始终不能满足我国数控人才的需求,主要存在以下問题:

(1)培养目标不明确。由于数控教育是新的事物,没有可借鉴的经验,各校只能参考相关专业的教学计划、教材等,因此,培养出来的人才规格不明确。

(2)实验基地缺乏。学校的教学效果的好坏,实验基地是不可缺少的环节,如果只停留在纸上谈兵,则很难达到预期目标。但是,由于各中专的财力不够,要建设一个够用、完善的实验基地,不是一说就能办好的

(3)课程体系不合理。根据中专教育的趋势,应加强学生动手能力的培养,理论课与实训课课时应为1比1。但由于以上一些原因,在时间上保证了,质量却无法保证。另外,对传统的机、电专业课程和内容已显得较为陈旧。

三、职业任务驱动教学模式在数控课程中的应用

1.创设情境,呈现任务

良好的开始是成功的一半。在上每节课之前,教师都应该重视并精心设计教学情境,考虑如何巧妙地把任务展示给学生。情境设计应包含下列因素:所要完成的任务;相关的案例:信息资源;协作机会。

在数控专业教学过程中.我们应尽可能引入一些,学生感兴趣的零件来进行实例加工教学。由其对于刚刚接触数控专业的学生,他们对于通过数控机床实际加工出产品是非常感兴趣的,但同时我们也应注意到学生的基础太差,对于这样一个新领域,还显得很束手无策,这时就要求教师进行必要的教学。由“任务”引出教学重点、难点,把所需的知识点教给学生后,鼓励、引导学生自主完成“任务”。

2.明确任务,制定方案

小组分好后,各小组成员就可以分头行动,首先就是要确定本组的具体任务。教师的重要职责就是引导学生回答这么一个问题:你到底想利用数控来做什么?经过小组讨论,联系上一环节中讨论过的任务主题,选择一个适合本小组的任务。教师要做好宏观调控,如果任务类别相同,则要求有不同的任务主题和设计风格。有时小组任务可能在上一环节中在教师的指导下己经安排好了,那么这一步就可以省略。

3.自主合作,解决任务

这一阶段是整个学习过程的核心阶段,学生将投入最多的时间与精力来设计、开发、解决各自的任务。在此过程中,教师可以为学生提供少量以前学生设计的数控作品供他们观摩,同时提醒学生不要简单模仿、重复创意。在这一过程中,教师应主动去观察学生,发现学生解决任务时出现的问题,教师可以做适当的个别指导或共同问题的集中“解答”,但要注意好分寸,要引而不发、点到为止(比如,“你可以回忆我们以前经历过的……”、“你可以看看书上关于……的介绍”、“问题的关键可能是……”,而不是“你应该这样……”),充分相信学生的学习能力和解决问题的能力,鼓励学生积极思考、共同讨论和利用软件的帮助功能解决面临的问题,不要做贸然的帮助和过多的干扰。这个阶段也是学生的创造性思维最容易冒“火花”的时候,教师要及时抓住学生的闪光点,鼓励学生大胆创新,寻求不同的方法、不同的内容、不同的设计。

4.经验交流,总结提高

让完成好的学生将作品展示、讲评、提出不同看法和实现方法,教师对完成任务的案例进行必要的总结和评价,将本次任务实现过程中需要学生掌握的新的知识点再度提炼出来,提醒学生在今后的学习过程中要熟练运用和掌握,并且能够举一反三。

四、结论

采用职业任务驱动教学方式要求教师应认真、科学地解读新课标,明确新课标对自身提出的新要求。“以学生为中心”,结合各方面实际情况,合理地为学生设计“任务”,鼓励学生参与到任务设计中来,使任务真正能够“驱动”学生有效地进行学习。

参考文献:

[1]任务驱动教学模式在数控加工实践教学中的运用 顾海明 机械职业教育 2009/11 

[2]任务驱动教学法在数控加工实习教学中的应用 熊勇 泸州职业技术学院学报 2009/03 

数控机床驱动分析 篇3

1 故障现象

该数控机床为捷克SKODA公司生产的数控200镗床:数控部分经过改造后采用SIEMENS840C系统、外置PLC控制方式;主轴和进给轴采用原SKODA公司配置的直流伺服系统。机床自1998年安装、改造以来一直存在各种故障, 处于半使用半停机的状态, 后来经过对机床控制原理的熟悉, 随着在维护过程中经验的不断积累, 该机床运行也比较正常。偶尔出现故障, 在维修中也有章可循, 较快地解决故障问题。但在这段时间里机床正常使用时, X轴出现了1160#ORDl2Contour monitoring报警。按复位键可以将报警消除, 重新运行X轴, 反复出现同样的报警, 造成机床不能正常运行。

2 故障检查

(1) 从参数上对机床数据进行调试

该报警为NC内部报警, 是由数控系统对进给轴运行过程进行监控所产生的报警。其主要原因有两点:1) 以大于MD3360参数中设定的运行速度, 超过了MD 3320参数中设定的允许公差带;2) 在升速或者制动阶段, 在由伺服增益系数指定的时间内, 轴没有达到规定的速度[1]。考虑到机床运行一段时间, 某些参数或者伺服驱动系统特性会改变, 影响机床正常的速度控制。为了分清数据问题还是机床外部的问题, 对X轴参数NC—MDaxis:monitoring目录下的机床数据中MD3320设定的允许公差带进行调整, 把原来的3 mm调整为5 mm, 开动X轴时把进给比率调到50%运行, 又出现同样的报警。说明故障仍然存在, 恢复原来的数据, 排除了机床数据所引起的问题。

(2) 针对伺服驱动系统的故障, 逐步对控制部分进行检查

对于机床的数控硬件部分, 集成度高, 相对其他控制部分出现的故障机会不大。从进给过程中来分析, 速度控制是由数控中的位置偏差计数器输出经D/A转换后, 输出0~10 V的模拟给定信号给驱动系统, 再由驱动单元对伺服电机进行驱动, 控制电机向消除偏差的方向旋转, 直到偏差为零时, 电机停止运动, 到达指定位置。如果驱动系统存在问题时, 也同样会产生该报警。于是对驱动系统进行了检查, 发现驱动系统中U、V相已经烧断主回路的熔断器。从进给驱动系统分析, 该直流伺服驱动系统采用两组代号为Y1、Y2共12个晶闸管、L1~L4电抗器和各个控制模块组成, 实现反并联可逆有环流调速。各个控制环节都是以模块的形式分开布置, 板后通过软线连接。根据原理图, 由代号为Y6组成的总控制环节主要包括:V-25B模块为速度给定和比较环节、控制调节由Z-17控制、电流环是由V-26A控制、脉冲分配和脉冲输出分别由G-15、G-16模块实现;由代号为Y7模块提供各个控制模块所需要的电源和同步信号。其中K-08检测模块发光二极管亮时, 为系统正常状态指示。

出现熔断器熔断 (熔断器为250 A, 说明系统主回路中瞬时电流大, 而造成主回路电流大的原因主要有:1) 驱动器电源短路;2) 直流伺服电机换向器出现短路;3) 可控硅击穿形成短路;4) 驱动器存在故障[1]。逐项进行检查:电源进线正常, 电机换向器表面也光滑, 各个碳刷也接触良好, 没有短路的痕迹;在可控硅输出端不接电机并且把各个可控硅的阻容吸收器拆开的情况下, 用500 V摇表逐个对可控硅进行测量, 电阻值为40~100 MΩ之间。说明电机、可控硅都没有问题;对于驱动控制模块则采用交换的方法, 把Y轴驱动控制模块按顺序逐块地更换到X轴。于是重新换上相同安培的熔断器, Y轴试运行正常, 说明原来X轴的各个模块没有问题。X轴手动、加工都没有出现问题, 可是没过多久, 又出现了相同报警、熔断器熔断的现象 (这就给我们查找故障和测试带来了一定的困难) , 而且还发现K—08检测模块指示灯不亮了。

(3) 根据控制模块的故障现象, 采用相应的措施对各个信号进行检测

为了避免熔断器再次熔断, 取得在正常运行时, 速度比率为30%时的电流为12 A的情况下, 考虑用断路器来暂时替代熔断器。因为断路器瞬时脱扣电流为额定电流的5~10倍, 选20 A的断路器, 其最大瞬时脱扣电流200 A小于晶闸管的额定电流, 可以起到短路保护作用[2]。经过反复的试车观察, 故障出现了随机性, 而且还有个特点:在运行或起动时会随机产生1160报警, 但断路器没有断开;有时在停止进给时, 不但产生1160报警, 而且断路器断开了。针对K-08检测模块的各个信号, 从板后进行检测如图1。

在系统正常时所测量的各输入端点信号如下:21、25都为15 V;9、17、13都是7.5 V。根据所测量的电压, 再与Z轴K-08检测模块各个信号进行相比较, 电压值完全相同, 这就带来一个疑问:驱动模块都交换试过了, 难道在系统出现故障时检测到某个信号在变化。带着这个问题, 通过反复的观察, 发现在开机启动的过程中, K-08检测模块单元的发光二极管突然灭了, 也就是说控制逻辑电路输出高电平使T2导通, B1继电器动作, 短接了发光二极管。马上对其各个输入端进行检测, 测得9、13端的电压值分别为7.5 V, 而17端的电压值仅为1 V, 约几十秒后又为7.5 V。根据原理图, 17、13端的信号为同步输入检测信号, 为了验证该信号的变化特点, 利用示波器再对17端的波形进行监测, 波形如图2;经过一段时间监测, 发现其波形突变为一直线, 如图3所示, 也就是说17端电压值仅为1V。

3 故障分析

根据以上检查结果, 17端的信号来自Y7模块板, 该模块板固定在同步变压器上, 安装在整个驱动器后面, 所以X轴与Y轴驱动模块交换试车时没有把Y7模块板调换。Y7模块板主要功能为系统提供稳压电源和各相同步电源的信号, 由此看来驱动器主回路的电流大原因:是由于Y7模块中同步控制信号17端电压值过低, 造成同步脉冲信号丢失引起的。为了使到晶闸管在每个周期都在相同的控制角α触发导通, 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压也就是电源同步, 并与电源波形保持固定的相位关系。因为主回路采用反并联可逆有环流调速, 由于两组晶闸管都参于工作, 为了防止在两组晶闸管之间出现直流环流, 当一组晶闸管工作在整流状态时, 另一组工作在待逆变状态。

在调速过程中, 同步信号丢失引起触发脉冲控制逻辑出错, 造成触发脉冲丢失。那么, 在起动或进给时, 晶闸管工作在整流状态, 由于触发脉冲丢失, 使已导通晶闸管会在经过自然换向点自行关断后, 晶闸管输出断续, 形成直流电压、电流减小, 电机速度降低, 引起在升速或者运行阶段, 在由伺服增益系数指定的时间内, X轴在进给过程中没有达到规定的速度, 从而产生1160报警;而在停机时, 晶闸管工作在逆变状态, 电动机运行在发电机状态, 导通的晶闸管始终承受着正向反压, 这时晶闸管触发控制电路必须在适当时刻使导通的晶闸管受到反压而被迫关断。由于触发脉冲的丢失, 使已导通的晶闸管就会因得不到反压而继续导通, 并逐渐进入整流状态, 其输出电压与电动势成顺极性串联, 形成短路, 所以总是把交流侧熔断器烧断。而对于1160报警, 正因为熔断器熔断, 属于缺相运行, 所以产生该报警。

4 故障解决

Y7模块的输入信号是由同步变压器检测到的三相电源信号, 各相分别独立控制, 同步信号经阻容滤波后由MAA741进行放大, MZHl45逻辑反相输出。U相的电路简图如图4所示。

把Y7模块板拆下后, 初步测量各个元件并没有发现什么问题, 该板在使用过程中出现波形不正常, 通电时会产生随机故障。为了进一步判断该模块的故障所在, 采用外供电源独立测试Y7模块的办法:在Y7模块加上±15 V电源, 利用信号发生器在Ui端输入正弦波信号, 再用示波器检测各个点的波形。经过详细的观察, 其中MAA741运算放大器输出端6的波形为正负方波, 但是时间略长一些则变为无方波输出, 而且呈高电平状态。6端输出高电平, U相输出则为低电平。排除了电路中C7电容有可能存在故障后, 在此, 可以确定MAA741运算放大器有问题:由于放大器特性发生了变化或者受到温度的影响, 在输入信号不变的情况下, 其输出电压会突变[2]。最终确定故障所在, 根据原理图中MAA741运算放大器的各个外引线, 通过详细地查《常用电子元件手册》对应把该放大器集成更换为LM741后, 重新对各点进行测试, 输出波形正常, 没有出现突变的现象, 说明故障已经排除。于是装上Y7模块板通电试运行, 再也没有出现1160 ORDl2 Contour monitoring轮廓监控报警, 系统恢复了正常运行。

5 结束语

通过这次对伺服驱动系统典型故障的处理, 给了维护数控设备工作方面一个启示:对故障的处理重点在于诊断。以理论指导实践, 根据不同的故障原因, 利用手中的器件采取相应的措施和办法进行分析和排除, 从而去确定故障所发生的部分, 这样才能进一步解决问题。而在寻找故障过程中的应变和分析能力一方面靠经验的积累, 更重要的是决定于对系统的了解和掌握程度, 这也要求维修人员要不断地进行学习与探索, 从而提高自身的知识和专业水平。

摘要：数控200镗床因为数控系统报警而不能正常工作, 根据报警的提示, 综合分析了故障可能发生的部位, 逐步对控制系统进行检查、排除。最终解决了伺服驱动系统中, 因运算放大器引起的同步脉冲丢失造成的故障, 从而保证了数控机床的正常运行。

关键词：数控机床,伺服驱动系统,监测,同步信号

参考文献

[1]王佩夫.数控机床故障诊断及维护[M].北京:机械工业出版社, 2000.

数控机床驱动分析 篇4

一、任务驱动教学法的基本理论

任务驱动教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法。传统教学中，所奉行的教学理念是：教师讲解有关知识，学生理解并练习，通过测试反馈，再纠正，达到学习目的。采用任务驱动教学法，就要转变为以任务为主线、教师为主导、学生为主体，将所要学习的新知识隐含在一个或几个任务之中，以完成任务作为教学活动的中心；将再现式教学转变为探究式学习，学生在完成任务动机的驱动下，通过对任务进行分析、讨论，努力完成任务。在老师的指导、帮助下，每一位学生都能根据自己对当前问题的理解，找出哪些是已学知识、哪些是新知识，运用共有的知识和自己特有的经验提出方案、解决问题。与传统的教学法相比，任务驱动教学法更注重以学生需求为本位，强调学生的实践能力和完成任务的能力。

二、教学的实施

1.教师创设真实的教学情境

技工教育以让学生掌握技能操作为主，为使学生能在一种与实习教学内容一致的情景中学习，还必须进行相应场景的准备。创设情境需要教师为学生创设真实的教学情境，激发学生探究新知，让学生带着真实的任务去探索思考，使学习直观性和形象化。生动直观的形象，能有效地激发学生联想，唤起学生原有认知结构中有关的知识、经验及表象。这有利于培养学生主动学习的习惯，有利于展学生的潜能，进而激发学生的创新意识。

2.确定任务内容

考虑到现在的技校学生学习积极性普遍不高，在确定任务内容时，应由易到难，前后相连，层层深入，自始至终引导学生通过完成特定的实际任务获得和积累相应的学习经验，品尝成功的喜悦，从而提高学生的学习兴趣和积极性。另外，考虑到学生的差异和实习的特点及难易程度，设计一个明确、能够考核的基本任务，以及一个操作难度较高的提高任务。基本任务是任务中较简易掌握和完成的，要求学生必须完成；而提高任务，是为那些学习有余力、有探索精神的学生准备的有发挥空间的任务。

3.划分小组

由于下车间实习的班级人数较多，必须对学生进行分组。分组前，对学生做深入的调查研究，如学生的表现、各科学习成绩等，做到心中有数。采用互补的方式进行分组，即成绩好的与差的学生分为一组。这样有利于差生的转化。各小组根据指定的任务，由组长带领全组成员完成零件图样分析、加工工艺分析，分配各成员的工作，包括数据处理、程序编制、程序校验、仿真加工、修整程序、刀具选择、刃磨、安装工件、加工工件、测量、记录、修正等，必须做到全组每位学生均有负责的一个或多个子任务，在任务完成的过程中，保证人人参与。如果编制的程序出现了问题，模拟仿真时，学生就要想办法去解决；对刀出现了问题，使加工零件报废或加工出的零件不合格，学生就要寻找出错的原因并改正方法。通过相互帮助、相互学习、取长补短，使每一位学生都能掌握学习内容，都获得学习成功的体验，从而达到对学习内容的深刻理解和领悟，增强学习信心。

4.学生自主探索完成“任务”

教师的主导地位体现在对学生任务完成过程中的方向、方法上的导向及任务完成后对任务及时客观评价；教师在指导学生实习注意事项和难点后，就应尽快将任务交给学生小组来单独或共同完成，要注重对学生自主学习能力的培养。教师要进行及时跟踪检查，了解和掌握学生的实习效果并及时进行记录；教师还要加强引导，启发学生的求异思维和发散思维，引导学生少走弯路，正确思考问题、解决问题。例如，加工一零件，教师简要分析图样，分析需要哪些加工指令，然后要求学生根据制图、公差、数控加工工艺等有关知识，进行工艺处理、数学处理、加工程序的编制和校验。另外，还要对刀具的选择、刃磨、安装，正确使用数控机床及附件、编制程序和校验程序、仿真加工及程序修整、机械加工、质量检测与评价等问题进行解决，激发学生自主学习与探究学习的动机，增强学生参与知识建构的积极性与自觉性。总之，让学生积累经验，激发学生自主学习的积极性与热情，并通过实际操作，自主探索并完成任务，加深对理论知识的理解。

5.注重积极的任务评价

任务完成结果的多样性，是学生个体思维及个体能力、不同方法的体现。教师根据结果进行分析引导学生学习、思考、分析操作过程，从而得出结论，以比较彼此的优缺点。首先，对学生加工的零件进行评分；然后组织学生集中起来进行讨论和总结。先在小组内进行互相评价总结，让学生看一看其他同学是如何完成该任务的，在方法上和自己有什么不同，以集思广益、开拓思路；然后，由教师进行评价总结，要对学生的能力进行客观评价，关注学生在获取知識的过程中的发展变化以及学生参与教学活动的态度，对学生基础薄弱环节进行补充、详解、强调。在任务完成基础上，教师对不足之处进行总结和引导，提出要求。这样，可以照顾大多数，又能因人而异，使不同层次的同学都能获益，使教材内容得到进一步的强化。评价是实施任务驱动的关键之一，积极的评价机制有利于激发学生的学习热情，保持浓厚的学习兴趣，能对学生的下一轮学习产生强大的动力。

任务驱动教学法，突出以人为本的思想，突出实践性和体验性原则，通过教学任务实现真实的师生互动，融入情感因素，训练策略意识，提高技能素质。任务驱动法能够使学生在学习过程中成为学习的主体。实践证明，这样的教学方法对学生的综合能力的提高是有益的。与工厂相仿的教学情境，培养了学生的动手能力和规范作业能力，有助于形成良好的职业意识；分工合作培养了学生的组织能力和团队精神，让学生体验自信，学会学习，学会合作，磨练意志，为以后的发展奠定坚实的基础。

数控机床驱动分析 篇5

随着计算机软硬件技术的快速发展, 以多领域建模与协同仿真技术为核心的虚拟样机越来越受到人们的青睐, 而多体系统尤其是刚柔耦合多体系统的建模与仿真是应用这项技术的前提和基础。目前, 多刚体系统建模理论已经相当成熟, 相反多柔体系统的建模成为一个研究热点。多柔体系统动力学由于本身存在大范围的刚体运动, 又存在弹性变形运动, 因此多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析方法及有限元分析方法有着密切关系。多刚体理论认为机构具有绝对的刚度, 即使机械运动过程中结构件自身的变形也可以忽略。事实上, 由于自身的材料属性以及联结方式的影响, 往往具有一定的柔性。这样就会影响到构件的动态特性, 产生噪声和振动等。因此柔性体会对整个系统的运动产生重要影响。

目前“旋转电机+滚珠丝杠”的进给驱动方式在数控机床进给驱动系统中得到了广泛的应用。通过电动机驱动滚珠丝杠转动, 再通过丝杠螺母带动工作台实现直线进给。本文以数控成形磨齿机进给驱动为研究对象, 如图1是数控成形磨齿机X轴滚珠丝杠进给驱动的结构图。由于滚珠丝杠是一种细长的低刚度元件, 在工作时由于受到驱动力的作用会产生较大的轴向变形及扭转变形, 另外工作台重量相对于丝杠也比较大, 加减速过程中会产生较大的惯性力, 这样就会影响进给驱动系统的传动精度。然而进给驱动系统是机床的重要组成部分, 它的动态特性直接影响机床的加工精度。因此把滚珠丝杠作为柔性体, 建立多柔体系统的模型, 更贴近于实际。以提高仿真的精度。

1 柔性体动力学方程的建立

多柔体系统的运动描述方式采用相对坐标描述方法, 如图2所示

柔性体上任一点P, 其位置向量是

r=r0+A (sp+up)

式中r是P点在惯性坐标中的位置向量;r0是浮动坐标系远点在惯性坐标系中的位置向量;A是方向余弦矩阵;sp是柔性体未变形时P点在浮动坐标中的位置向量;up为相对变形量。

1.1 柔性体系统的动能

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因此动能的广义坐标形式可写为

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1.2 势能

W=∫vργpgdV+0.5ξTKξ

1.3 能量损失和阻尼

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设ξ是 (6+M) 维的广义坐标, 柔性体的运动方程从下列拉格朗日方程导出:

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其中, ψ为约束方程;λ为对应于约束方程的拉氏乘子;ξ为如式定义的广义坐标;Q为投影到ξ上的广义力;L为拉格朗日项, 定义为L=T-W 将求得的T, W, Γ带入式 (1) , 得到最终的运动微分方程为:

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其中undefined为柔性体的广义坐标及其时间导数;undefined为柔性体的质量矩阵及其对时间的导数;undefined为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数, 它是一个 (M+6) × (M+6) × (M+6) 维张量, M为模态数。

2 进给驱动系统联合仿真模型的建立

2.1 Solidworks和ADAMS数据传递

首先利用三维CAD软件建立机构的三维模型, 定义简单的约束和运动关系。通过solidworks与Adams专业接口文件parasolid (*.xmt_txt) 将实体模型导入ADAMS, 考虑到减小模型数据的大小, 在不影响精度的情况下对机构所有细小特征, 包括导圆、导角、小孔等进行适当的简化, 去除键槽和螺纹等一些细节信息。忽略丝杠与轴承、丝杠与螺母之间的接触问题等。在ADAMS中添加载荷和相关的约束使之成为机床的多刚体动力学模型如图3所示。

本文选用SANYO电机P60B15300HXS, 其基本输出特性如表1所示。

由计算可得其转动角速度:

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滚珠丝杠的导程为10mm, 根据丝杠与螺母的转换关系, 得到工作台的运动速度:

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则工作台在0.5秒内移动的位移为:

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通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图4、5所示:

2.2 ANSYS建立柔性体模型

在ADAMS中建立刚柔耦合模型时, 因ADAMS本身不具有单元划分等有限元分析的相关能力, 其所使用的模态中性文件MNF必须借助其他有限元软件来完成。

(1) 通过Solidworks建立模型保存为Parasolid (*x_t) 并导入ANSYS。

(2) 对实体模型进行单元类型、材料属性、实常数定义、网格划分, 以及在柔性体与刚性体的联接处interface nodes点的建立。通过这些interface nodes生成的mark点与其他刚性体外接点联接, 建立刚性区域。通过模态计算, 运用ANSYS的宏命令ADAMS.MAC生成建立柔性体的模态中性文件mnf。此文件包含了模型的节点的质量和转动惯量、几何信息、模态的广义质量和广义刚度等。生成的中性文件确保单位和ADAMS刚性模型的单位一致, 否则会造成结果偏差, 然后直接读取到ADAMS软件中。

2.3 ANSYS和ADAMS刚柔耦合模型的建立

ADAMS中柔性体是通过导入模态中性文件来完成, 模型中要保存构件刚性体和柔性体, 并通过有效或无效来设定它们属性。模态中性文件导入ADAMS后原刚形体上的运动副、载荷会自动转移到柔性体上。新的柔性体会继承原来刚形体的一些特征, 如颜色、图标、尺寸、初始速度、模态位移等。需要注意的是:柔性体上不能添加移动副或平面内运动的虚约束, 需要通过建立一个无质量的连接物体将其他构件连接起来, 然后把约束加到这个无质量的连接物体上。得到进给传动系统的虚拟样机刚柔耦合模型如图6所示:

通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图7、8所示:

3 仿真计算及结果分析

由ADAMS的仿真结果, 可以得到进给驱动的速度、位移曲线, 从理论结果和仿真结果可以看出, 多刚体建模时机床的位移和速度和理论值一样, 也验证了多刚体建模的正确性。

通过刚性体和刚柔耦合结果对比, 机床的位移曲线是一致的。由图5可以看出工作台的曲线为一条匀速的曲线.图8工作台在运动过程中尽管传动装置的速度是匀速的, 与刚性体模型仿真结果相比, 产生误差的主要原因是刚柔耦合分析中考虑了滚珠丝杠的弹性变形, 但被驱动的部件由于变形就出现了走的快或走的慢及跳跃式的运动, 速度的波动会使工作台产生“爬行”现象, 爬行现象主要产生和进给系统的刚度有关。进给速度越低工作的时候就会产生爬行。当高速运动时更会造成机床的振动, 影响了机床的平稳性进而影响了被加工零件的加工精度。

4 结论

刚柔耦合动力学模型建模结合了多刚体和多柔体系统动力学建模。尽管过程很复杂。但从计算结果看, 滚珠丝杠的弹性变形对机床扰动影响巨大, 仿真结果也更符合实际。所以对机床动力学建模时, 把滚珠丝杠当做柔性体来处理, 更符合实际情况, 仿真结果更为精确。更能反映机床的动态特性。

摘要：高速高精度数控加工技术在数控加工行业占有非常重要的位置, 然而机床扰动是影响加工精度的重要因素, 滚珠丝杠进给传动作为机床的重要组成部分直接影响着机床的工作特性。以滚珠丝杠进给传动系统为研究对象, 利用Solidworks、Ansys、Adams建立机床整机的刚柔耦合多体动力学模型, 得到机床的动态特性曲线。通过与刚性体模型仿真结果作对比, 验证刚柔耦合建模方法的可行性, 为机床构件的结构设计优化提供依据。

关键词：刚柔耦合,多体动力学,可行性

参考文献

[1]韩清凯, 罗忠.机械系统多体动力学分析、控制与仿真[M].北京:科技出版社, 2010.

[2]陈立平, 张云清, 任卫群, 覃刚等.机械系统动力学分析及AD-AMS应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[3]秦为前等.基于ADAMS和ANSYS的高速冲床执行机构动态仿真分析[J].锻压技术, 2011, 36 (6) .

[4]许涛, 王建平.基于Pro/E、ANSYS和ADAMS的动力学联合仿真研究[J].机械工程与自动化, 2009, (3) .

数控机床驱动分析 篇6

关键词：机床电气控制技术 任务驱动 课程教学改革

任务驱动教学法将以老师为中心传授知识的传统教学模式转变为以学生为中心完成工作任务的教学新模式，实现理实一体教学，这种方法将重现式教学转变为探究式学习，学生根据自身实际情况及对问题的理解程度，根据已具备的理论知识及操作能力提出实施方案去解决问题，在探究、思考、讨论及实施任务的过程中掌握知识与技能，这种教学模式对培养学生分析问题、解决问题、团队协作及工程实践等综合能力和职业素质有更直接的平台和机会。机床电气控制技术课程是机电一体化技术专业的一门专业核心技能课程，也是笔者所在学院的一门教学改革立项项目课程，其内容具有很强的操作性与实践性，也具有一定的综合性，非常适合采用任务驱动教学法，因此，我们对机床电气控制技术课程教学方式的改革过程中应用任务驱动教学法进行了探索与实践，取得了一定的教学成效。

一、教学内容的选取及任务的设计

合理有效应用任务驱动教学法的前提关键是要精心、谨慎的对工作任务进行设计，我们结合专业群的职业岗位需求，以机电一体化技术专业人才培养方案为指导，对机床电气控制技术课程内容进行了认真的分析与选取，结合根据教学内容与课程教学目标进行工作任务的设计，并提炼出典型工作任务，将学生必须掌握的理论知识融入到所设计的工作任务中去。为了达到工作任务的合理、科学、可行，我们对工作任务的设计主要考虑到了以下几点：一是知识点的密切相关性，任务能够涵盖课程必需的知识点，让学生通过任务的完成过程获得系统的知识与技能。二是兴趣的密切相关性，要激发学生的学习动机，让学生体会到工作任务完成的结果有价值、有意义、有成就感。三是明确的操作性，设置的任务在教学时长内学生能够完成。经过调研、分析、研究，我们将课程内容分成了5个项目，25个工作任务，如图1所示。

以5种常见的普通机床为载体，通过“项目引领、工作任务驱动”的教学模式完成对机床电气控制系统的安装与调试、故障分析与排除等任务。任务的设计体现了以学生为主体、教师为主导；由简到难、由单一到综合，将课程项目内容知识与技能融入到每一个工作任务中，以达到对学生知识目标、能力目标及素质目标的培养要求。

二、任务驱动教学法在课程教学中的实施过程

实施任务驱动教学的过程也是学生完成任务的过程、是获得专业知识与技能的过程、是相关能力培养的过程，也是课堂教学组织过程的重要组成部分。在这个过程中，教师行为与学生行为要进行有效的结合，方能保证任务的顺利开展与完成。本课程实施任务驱动的过程中，教师教学过程的主要行为是：展示案例或直接提出任务主题，描述任务结果；对学生指导与引导并对任务完成过程进行有效控制；注重学生对新知识的与技能的掌握，引导学生对知识与技能的迁移；激励学生的创造能力、学习能力。学生学习过程的行为主要体现在：获悉任务，观看案例，认真思考，在老师的指导下完成任务的设计或决策，如进行机床电气故障检修时，制定故障排除步骤，需要准备哪些知识与工具，为任务的实施做好准备；与小组成员进行合作与讨论，分工协作，如进行电气故障检修任务，2人一组，一人操作观察，另一人观察记录，共同探讨；将新知识应用与工作任务中，有创造性的解决问题完成任务，并注重职业素质的培养。机床电气控制技术课程应用任务驱动教学法体现以上教师行为与学生行为的教学组织过程主要分为任务提出、任务分析、任务实施、评价总结等阶段，如图2所示。

以车床电气控制系统故障检修的某个任务为例：

1.任务提出阶段，以学生比较熟悉的工程实际案例引入（如主轴电动机突然不能连续运转），通过视频展示，激发学生学习动机。

2.任务分析阶段，学生操作机床设备，调查研究故障现象，根据车床基本知识及电气控制相关知识对故障现象进行剖析，制定任务实施计划与步骤。

3.任务相关知识的学习，学生查阅资料，教师引导讲解在任务分析过程中遇到新知识。

4.任务的实施阶段，根据故障排除步骤逐步完成故障的检测与修复，教师演示、指导，让学生在一定时间内有效完成任务，这样他们才会有成就感，才有学习的干劲。

5.总结评价阶段，制定好故障排除检修评价表及相关技术资料，让学生根据自己完成任务的综合情况及技术资料的填写情况进行自评或互评，做到查漏补缺，教师则对学生的综合表现及结果进行总结评价，给予鼓励与表扬，同时针对存在的共性问题进行总结。

为了有效实施任务驱动教学法的教学改革，达到很好的教学效果，教师的教学方式必须发生改变，首先是传授知识的途径从传统的教师传授转变为学生自主学习探究；教师的职能由讲授为中心的教学转变为引导者、帮助者、咨询者，甚至是学习伙伴。这就需要教师在任务实施前、实施中及实施后都要做足功夫，让教学效果达到最大效益化。

三、任务驱动教学法在课程教学中的应用效果

任务驱动教学法的显著特点是“以任务为主线，以学生为主体”，改变了以往的教师单方面灌输知识、学生被动学习的局面，学生通过完成任务掌握专业理论知识与技能，在决策、思考和完成任务的动态过程中有机地进行主动学习与协作学习。这种方式使得枯燥难懂的机床电气控制技术课程知识转变为生动的学习内容，有效的培养了学生的职业能力、学习能力及实践创新能力。

任务驱动教学法将机床电气控制技术课程的知识与技能全面贯穿于工作任务的实施中，体现了以完成任务为主的多维互动式教学新理念、新模式，学生学习积极性和主动性有了很大提高，通过问题的解决来建构知识，将理论付诸实践，提高了学生学以致用、分析问题、解决问题的能力。

任务驱动教学法使机床电气控制技术课程教学内容不再是封闭的、预设的、固定不变的，而是开放的、灵活的，这就满足了不同层次、不同基础、不同接受能力的学生学习的需要，满足了一部分学生学习训练的满足感，也成就了一部分学生学习结果的成就感，让每一个学生都处于积极学习的状态中。

总之，机床电气控制技术课程教学改革实施任务驱动教学法达到了很好的教学效果，学生不再感觉到课程的难学、难懂，看到复杂的电气图纸，接到任务不再退缩与逃避，而是勇往直前，积极动手，主动学习。

参考文献：

[1]白晓虎.机床电气控制课程任务驱动教学法实践[J].沈阳农业大学学报，2015，（05）.

[2]祁舒慧，徐涛.任务驱动教学法在教学中的研究与实践[J].职业技术，2011，（04）.