不同切削參數(shù)下數(shù)控機(jī)床機(jī)械及伺服電機(jī)特性參數(shù)測試 (1)

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 不同切削參數(shù)下數(shù)控機(jī)床的 機(jī)械及伺服電機(jī)特性參數(shù)測試 學(xué) 生 姓 名： 杜鵬程 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)及班級： 13機(jī)設(shè)一班 學(xué) 號： 1303010125 指導(dǎo)教師： 康輝民 2016年 12月29 日專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)書學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 教研室主任 班級 13機(jī)設(shè)一班 姓名 杜鵬程 學(xué)號 1303010125 實(shí)驗(yàn)名稱：不同切削參數(shù)下數(shù)控機(jī)床的機(jī)械及伺服電機(jī)特性參數(shù)測試1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊髮W(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓C合應(yīng)用電工學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、公差配合與技術(shù)測量、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)知識，通過對零件加工

2、過程參數(shù)的不同設(shè)置，檢測其機(jī)械、電氣參數(shù)，分析零件加工過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素，具體要求如下：1> 掌握數(shù)控機(jī)床的機(jī)械-電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解數(shù)控機(jī)床的伺服控制回路及相應(yīng)的控制、檢測設(shè)備；2> 掌握數(shù)控編程技術(shù)，理解切削參數(shù)與數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 3> 理解三相電機(jī)電磁參數(shù)功率測試儀的工作原理，掌握其使用方法；4> 理解電磁參數(shù)功率測試儀所測得的電壓、電流、功率及功率因素等隨切削參數(shù)變化而變化的原理，進(jìn)而理解切削參數(shù)變化對機(jī)床能耗的影響，并掌握機(jī)床切削能耗的計(jì)算方法。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以高速銑床為實(shí)驗(yàn)對象，首先測量機(jī)床各坐標(biāo)

3、軸絲杠的直徑及長度，并弄清楚絲杠的材料；然后以奧-貝球墨鑄鐵圓臺為工件材料，對工件進(jìn)行圓周銑削，設(shè)定相應(yīng)的切削參數(shù)，并用三相功率測試儀分別對機(jī)床各坐標(biāo)軸伺服電機(jī)的電壓、電流、功率、功率因素進(jìn)行測試，進(jìn)而計(jì)算出各伺服電機(jī)的有功功率、無功功率、視在功率、電壓與電流的相位角、有效能耗、無效能耗、總能耗等特征參數(shù)，且要求每一組同學(xué)針對不同切削參數(shù)下的機(jī)械與電磁參數(shù)測量3次。33、實(shí)驗(yàn)分組機(jī)床所測坐標(biāo)軸分組高速銑床X軸1-4號Y軸5-8號Z軸9-12號電主軸13-16號高速凸輪軸磨床X軸17-20號Y軸21-24號Z軸25-28號電主軸29-33號4、任務(wù)要求1）要求實(shí)驗(yàn)原理圖1份（A3）；2）正確、完

4、整的實(shí)驗(yàn)過程述說及完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)實(shí)物接線圖；3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，推導(dǎo)每一個目標(biāo)參數(shù)的計(jì)算公式；4）每位同學(xué)需提交1份不少于20頁的包含實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)控程序、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測及實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論的說明書一份。5、實(shí)驗(yàn)原始測試數(shù)據(jù)記錄表被測數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸滾珠絲杠參數(shù)備注（被測對象）材料密度半徑r（mm）長度L（mm）X軸絲杠（ ）Y軸絲杠（ ）切削參數(shù)Z軸絲杠（ ）進(jìn)給速度v(m/s)主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）切削深度dp（mm）機(jī)床主軸（ ）加工時間t1空程時間t2總時間t3表面粗糙度Ra三相電參數(shù)測定abc電壓UX軸電機(jī)（ ）電流IY軸電機(jī)（ ）有功功率PZ軸電機(jī)（ ）功率因素主軸電機(jī)（

5、 ）6、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)參數(shù)項(xiàng)目名稱計(jì)算結(jié)果備注（被測對象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)量mY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（ ）絲杠驅(qū)動力矩M機(jī)床主軸（ ）電機(jī)輸出力矩T無功功率Q視在功率S有效能耗E1無效能耗E2總能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra指導(dǎo)老師（簽名） 學(xué) 生（簽名） 目錄1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理（實(shí)驗(yàn)方法）3、實(shí)驗(yàn)裝置（儀器設(shè)備）4、實(shí)驗(yàn)步驟5、注意事項(xiàng)6、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7、實(shí)驗(yàn)分組8、任務(wù)要求9、數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)操作過程10、數(shù)控程序11、實(shí)驗(yàn)原始測試數(shù)據(jù)記錄表12、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)參數(shù)13、數(shù)據(jù)分析計(jì)算14、實(shí)驗(yàn)結(jié)論15、思考題（分析與討論題）16、實(shí)驗(yàn)心得17、參考文獻(xiàn)不同切削參數(shù)下數(shù)控機(jī)床的機(jī)械及伺服

6、電機(jī)特性參數(shù)測試1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊髮W(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓C合應(yīng)用電工學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、公差配合與技術(shù)測量、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)知識，通過對零件加工過程參數(shù)的不同設(shè)置，檢測其機(jī)械、電氣參數(shù)，分析零件加工過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素，具體要求如下：1>掌握數(shù)控機(jī)床的機(jī)械-電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解數(shù)控機(jī)床的伺服控制回路及相應(yīng)的控制、檢測設(shè)備；2>掌握數(shù)控編程技術(shù)，理解切削參數(shù)與數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 3>理解三相電機(jī)電磁參數(shù)功率測試儀的工作原理，掌握其使用方法；4>理解電磁參數(shù)功率測試儀所測得的電壓、電流、功率及功率因素等隨

7、切削參數(shù)變化而變化的原理，進(jìn)而理解切削參數(shù)變化對機(jī)床能耗的影響，并掌握機(jī)床切削能耗的計(jì)算方法。2、 實(shí)驗(yàn)原理（實(shí)驗(yàn)方法）2.1 實(shí)驗(yàn)理論原理為了讓學(xué)生理解并掌握數(shù)控機(jī)床切削加工時，切削參數(shù)（進(jìn)給速度v、主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度dp等）變化會引起切削力F/力矩M以及表面粗糙度Ra的相應(yīng)變化，實(shí)驗(yàn)采用改變切削參數(shù)時對機(jī)床各坐標(biāo)軸及機(jī)床主軸伺服電機(jī)的電壓、電流及輸出功率進(jìn)行測試，然后依據(jù)如下公式依次計(jì)算： 給定進(jìn)給速度v求坐標(biāo)軸滾珠絲杠驅(qū)動力矩M及其轉(zhuǎn)速ns （1）（v為坐標(biāo)軸進(jìn)給線速度，m/s；ns為絲杠轉(zhuǎn)速，r/min； d為絲杠直徑，mm；r為絲杠半徑，J為絲杠的轉(zhuǎn)動慣量） （2） （為絲杠密度；

8、V為絲杠體積；L為絲杠長度） 根據(jù)測得的伺服電機(jī)有功功率P計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T （3）（P為電機(jī)輸出有功功率，kW；對機(jī)床主軸，n為轉(zhuǎn)速， 對各坐標(biāo)軸，nns，r/min） 根據(jù)測得單相的電壓U、電流I、功率因素角，計(jì)算有功功率P，無功功率Q，視在功率S （4）則總有功功率： （5）總無功功率： （6）總視在功率： （7）式中：U為線電壓，I為線電流， 為電壓與電流的相位差機(jī)床切削能耗：（t為時間） （8）2.2 實(shí)驗(yàn)檢測儀器原理三相電參數(shù)功率測試儀由三路獨(dú)立的功率采樣電路、微處理器運(yùn)算電路、顯示/鍵盤電路、USB/RS232C/RS485 通訊電路、電源電路組成。其中功率采樣電路分為電壓采樣

9、和電流采樣兩部分。電壓采樣電路采用電阻降壓，輸入極點(diǎn)浮地；電流采樣采用電流傳感器CT隔離采樣。兩者又各自包括：信號放大、自動量程處理、抗混迭低通濾波電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。由于功率采樣電路的電壓和電流采樣電路彼此獨(dú)立，故可靈活地接成單相模式、二相二線(2VT2CT) 模式、三相三線(3VT3CT) 模式、三相四線模式。其中三相四線(3 Phase 4 Wire, 3P4W)功率測量系統(tǒng)較多用于電力測量和監(jiān)控，該系統(tǒng)具有三條相線(火線)A、B、C、一條中性線N(也稱零線)。由于中性線的引入，使得電壓的公共參考點(diǎn)可以以中性線為參考點(diǎn)，能同時測量線電壓和相電壓，測量原理如圖1所示。圖1 三相四線功

10、率測量原理圖三相四線功率測量采用三功率測量通道，也稱作三相四線三元測量法。其中功率采樣電路對輸入的交流信號進(jìn)行量化采樣，后經(jīng)微處理器運(yùn)算電路進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算處理，并把測量數(shù)據(jù)顯示在面板上。三相功率測試儀的通訊接口有USB、RS232、RS485三種形式，承擔(dān)著儀器與外界如PC，PLC等的通訊任務(wù)。其中RS232和RS485在儀器內(nèi)采用了光電隔離技術(shù)，使儀器的抗雜訊干擾級別提高，可以可靠地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。三相功率測試儀各參數(shù)的測試顯示面板如圖2所示。圖2 AITEK顯示面板試驗(yàn)接線如圖3所示。圖3 三相電功率參數(shù)測試儀接線圖功率儀實(shí)物接線如圖4所示。A相電流鉗對應(yīng)A1接口，B相電流鉗對應(yīng)A2接

11、口，C相電流鉗對應(yīng)A3接口。圖4 功率儀實(shí)物接線圖電流鉗與電壓夾實(shí)物如圖5所示。圖5 電流鉗與電壓夾實(shí)物3、實(shí)驗(yàn)裝置（儀器設(shè)備） 三相電功率測試儀、數(shù)控機(jī)床、工件及相應(yīng)夾具、刀具、Aitek軟件、電腦、連接線、百分表或表面粗糙度儀等4、實(shí)驗(yàn)步驟A.將工件安裝在機(jī)床工作臺上，并上好刀具； B. 檢查各儀器設(shè)備是否能正常工作，檢查線路開關(guān)是否斷開； C. 確定數(shù)控機(jī)床無通電的情況下，按照功率儀操作使用書連接線路，功率儀接線如圖4所示，A相電流鉗與黃色電壓夾連接在機(jī)床A相電線，B相電流鉗與綠色電壓夾連接在機(jī)床B相電線，C相電流鉗與黃色電壓夾連接在機(jī)床C相電線(A，B，C三項(xiàng)電線依次自定義)，USB連

12、線連接電腦，完成功率測試平臺的搭建； D. 檢查線路無誤后，打開電源，開啟數(shù)控機(jī)床； E. 手動操作機(jī)床回零，完成數(shù)控程序的輸入或在線編輯等工作； F. 開啟三相電功率測試儀，設(shè)定參數(shù)進(jìn)入自動檢測狀態(tài)；然后啟動數(shù)控程序，讓機(jī)床進(jìn)行切削加工，在機(jī)床完成一個工序后，保存功率儀所測得的數(shù)據(jù)；修改切削參數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行測試，累計(jì)測量不少于3次；關(guān)閉機(jī)床電源，更換被測伺服電機(jī)，重復(fù)上述過程，直到數(shù)控機(jī)床的所有電機(jī)完成測試。G.導(dǎo)出數(shù)據(jù)并保存； H. 依次關(guān)閉數(shù)控機(jī)床、功率測試儀等相關(guān)設(shè)備；I. 斷開全部設(shè)備電源，清潔機(jī)床，整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備并放回原處，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。5、注意事項(xiàng)A.嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室管理制度B.嚴(yán)禁在

13、不熟悉機(jī)床、儀器設(shè)備等情況下做實(shí)驗(yàn)； C.嚴(yán)禁在儀器設(shè)備線路沒接好的情況下開啟電源；D.嚴(yán)禁在沒有斷開機(jī)床電源及機(jī)床變頻器尚有殘余電壓的情況下拆接伺服電機(jī)的連線（即嚴(yán)禁帶電操作接線）。 6、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以高速銑床為實(shí)驗(yàn)對象，首先測量機(jī)床各坐標(biāo)軸絲杠的直徑及長度，并弄清楚絲杠的材料；然后以奧-貝球墨鑄鐵圓臺為工件材料，對工件進(jìn)行圓周銑削，設(shè)定相應(yīng)的切削參數(shù)，并用三相功率測試儀分別對機(jī)床各坐標(biāo)軸伺服電機(jī)的電壓、電流、功率、功率因素進(jìn)行測試，進(jìn)而計(jì)算出各伺服電機(jī)的有功功率、無功功率、視在功率、電壓與電流的相位角、有效能耗、無效能耗、總能耗等特征參數(shù)，且要求每一組同學(xué)針對不同切削參數(shù)下的機(jī)械與電磁參數(shù)測量

14、3次。7、實(shí)驗(yàn)分組機(jī)床所測坐標(biāo)軸分組高速銑床X軸1-4號Y軸5-8號Z軸9-12號電主軸13-16號高速凸輪軸磨床X軸17-20號Y軸21-24號Z軸25-28號電主軸29-33號8、任務(wù)要求1）要求實(shí)驗(yàn)原理圖1份（A3）；2）正確、完整的實(shí)驗(yàn)過程述說及完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)實(shí)物接線圖；3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，推導(dǎo)每一個目標(biāo)參數(shù)的計(jì)算公式；4）每位同學(xué)需提交1份不少于20頁的包含實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)控程序、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測及實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論的說明書一份。9、數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)操作過程使用數(shù)控機(jī)床前需進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作（一）開機(jī) 打開外部電源開關(guān)，啟動機(jī)床電源，將操作面板上的緊急停止按鈕右旋彈起，按下操作面板上的

15、電源開關(guān)，若開機(jī)成功，顯示屏顯示正常，無報(bào)警。（二）機(jī)床回原點(diǎn)機(jī)床只有在回原點(diǎn)之后，自動方式和MDI方式才有效，未回原點(diǎn)之前只能手動操作。一般在以下情況需要進(jìn)行回原點(diǎn)操作，以建立正確的機(jī)床坐標(biāo)系：（1）開機(jī)后；（2）機(jī)床斷電后再次接通數(shù)控系統(tǒng)電源；（3）超過行程報(bào)警解除以后；（4）緊急停止按鈕按下后。實(shí)驗(yàn)操作過程（一）加工要求 根據(jù)零件材料、生產(chǎn)綱領(lǐng)、加工要求、工藝要求選擇加工設(shè)備（二）準(zhǔn)備工作加工以前完成相關(guān)準(zhǔn)備工作，包括工藝分析及工藝路線設(shè)計(jì)、刀具及夾具的選擇、程序編制等。（三）操作步驟及內(nèi)容 （1） 開機(jī)，各坐標(biāo)軸手動回機(jī)床原點(diǎn)。（2） 刀具安裝根據(jù)加工要求選擇銑刀，用彈簧夾頭刀柄裝夾后

16、將其裝上主軸。（3） 清潔工作臺，安裝夾具和工件將平口虎鉗清理干凈裝在干凈的工作臺上，通過百分表找正、找平虎鉗，再將工件裝正在虎鉗上。（4） 對刀設(shè)定工件坐標(biāo)系 用尋邊器對刀，確定X、Y向的零偏值，將X、Y向的零偏值輸入到工件坐標(biāo)系G54中 ； 將加工所用刀具裝上主軸，再將Z軸設(shè)定器安放在工件的上表面上，確定Z向的零偏值，輸入到工件坐標(biāo)系G54中。（5） 設(shè)置刀具補(bǔ)償值將刀具半徑補(bǔ)償值5輸入到刀具補(bǔ)償?shù)刂稤01。（6） 輸入加工程序?qū)⒂?jì)算機(jī)生成好的加工程序通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綑C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存中。（7） 調(diào)試加工程序把工件坐標(biāo)系的Z值沿+Z向平移100mm，按下數(shù)控啟動鍵，適當(dāng)降低進(jìn)給速度，檢查刀

17、具運(yùn)動是否正確。調(diào)整程序中進(jìn)給速度v主軸轉(zhuǎn)速n切削深度dp并將數(shù)據(jù)記錄進(jìn)表格中。（8） 自動加工把工件坐標(biāo)系的Z值恢復(fù)原值，將進(jìn)給倍率開關(guān)打到低檔，按下數(shù)控啟動鍵運(yùn)行程序，開始加工，機(jī)床加工時，適當(dāng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，并注意監(jiān)控加工狀態(tài)，保證加工正常。同時將加工時間以及三相電參數(shù)記錄進(jìn)表格中。（9） 測量工件加工面粗糙度并記錄數(shù)據(jù)。（10） 重復(fù)實(shí)驗(yàn)并得到一共3組數(shù)據(jù)。（11） 清理加工現(xiàn)場。（12） 關(guān)機(jī)。10、數(shù)控程序N0010 G90 G54;N0020 M03 S2500;N0030 G00 X0 Y20;N0040 G01 Y-175 S1000 F200;N0050 G03 X

18、20 Y-175 I20 J0 S2500 F200;N0060 G01 X58 S2500 F200;N0070 X78 Y-165;N0080 Y-30;N0090 G02 X48 Y0 I0 J30 S2500 F200;N00100 G01 X-20 F200;N00110 G00 X0 Y20;N00120 M05 M3011、實(shí)驗(yàn)原始測試數(shù)據(jù)記錄表被測數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸滾珠絲杠參數(shù)備注（被測對象）材料密度半徑r（mm）長度L（mm）X軸絲杠（）19.98mm917.7mmY軸絲杠（ ）切削參數(shù)Z軸絲杠（ ）進(jìn)給速度v(m/s)主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）切削深度dp（mm）機(jī)床主軸（ ）2

19、5002000.2加工時間t1空程時間t2總時間t3表面粗糙度Ra237”0237”0.03mm三相電參數(shù)測定abc電壓U388.12V386.10V387.33VX軸電機(jī)（）電流I2.911A2.332A1.856AY軸電機(jī)（ ）有功功率P-1033W-307.7W33.703WZ軸電機(jī)（ ）功率因素-0.915-0.3420.047主軸電機(jī)（ ）12、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)參數(shù)項(xiàng)目名稱計(jì)算結(jié)果備注（被測對象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)量mY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（ ）絲杠驅(qū)動力矩M機(jī)床主軸（ ）電機(jī)輸出力矩T無功功率Q視在功率S有效能耗E1無效能耗E2總能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra13、數(shù)據(jù)

20、分析計(jì)算d1=39.94mm d2=39.98mm d3=39.96mmr=(d1+d2+d3)/6=19.98mmL1=918.6mm L2=917.4mm L3=917.2mmL=(L1+L+2+L3)/3=917.7mmRa1=40m Ra2=10m Ra3=10mRa=( Ra1+ Ra2+ Ra3)/3=20mV=200mm/min=0.0033m/s絲桿體積絲桿質(zhì)量轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)給線速度驅(qū)動力矩輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)測得單相電壓U，電流I，功率因數(shù)計(jì)算有功功率P，無功功率Q，視無功率S。 14、實(shí)驗(yàn)結(jié)論項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)結(jié)論備注（被測對象）象）轉(zhuǎn)動慣量JX軸絲杠（ ）質(zhì)量m9.03kgY軸絲杠（ ）體積VZ軸絲杠（）絲杠驅(qū)動力矩M4.71N·m機(jī)床主軸（ ）電機(jī)輸出力矩T4.91N·m無功功率Q-1242.72w視在功率S2749.09w有效能耗E1-219.310KJ無效能耗E2195.107KJ總能耗E3-24.203KJ相位角60°15、思考題（分析與討論題） 1>如何計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J？ （為絲杠密度；V為絲杠體積；