不同切削参数下数控机床的机械及伺服电机特性参数测试(1)

1、湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 不同切削参数下数控机床的 机械及伺服电机特性参数测试 学 生 姓 名： 杜鹏程 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 13机设一班 学 号： 1303010125 指导教师： 康辉民 2016年 12月29 日专业综合实验任务书学院 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 教研室主任 班级 13机设一班 姓名 杜鹏程 学号 1303010125 实验名称：不同切削参数下数控机床的机械及伺服电机特性参数测试1、实验目的要求学生通过本实验能够综合应用电工学、机械制造技术基础、公差配合与技术测量、控制工程基础、数控技术等专业知识，通过对零件加工

2、过程参数的不同设置，检测其机械、电气参数，分析零件加工过程中影响产品质量的各种因素，具体要求如下：1> 掌握数控机床的机械-电气结构特点，理解数控机床的伺服控制回路及相应的控制、检测设备；2> 掌握数控编程技术，理解切削参数与数控机床各坐标轴的进给速度、主轴转速、伺服电机转速及功率之间的转换关系； 3> 理解三相电机电磁参数功率测试仪的工作原理，掌握其使用方法；4> 理解电磁参数功率测试仪所测得的电压、电流、功率及功率因素等随切削参数变化而变化的原理，进而理解切削参数变化对机床能耗的影响，并掌握机床切削能耗的计算方法。2、实验内容以高速铣床为实验对象，首先测量机床各坐标

3、轴丝杠的直径及长度，并弄清楚丝杠的材料；然后以奥-贝球墨铸铁圆台为工件材料，对工件进行圆周铣削，设定相应的切削参数，并用三相功率测试仪分别对机床各坐标轴伺服电机的电压、电流、功率、功率因素进行测试，进而计算出各伺服电机的有功功率、无功功率、视在功率、电压与电流的相位角、有效能耗、无效能耗、总能耗等特征参数，且要求每一组同学针对不同切削参数下的机械与电磁参数测量3次。33、实验分组机床所测坐标轴分组高速铣床X轴1-4号Y轴5-8号Z轴9-12号电主轴13-16号高速凸轮轴磨床X轴17-20号Y轴21-24号Z轴25-28号电主轴29-33号4、任务要求1）要求实验原理图1份（A3）；2）正确、完

4、整的实验过程述说及完整的实验数据、实验实物接线图；3）根据实验目标要求，推导每一个目标参数的计算公式；4）每位同学需提交1份不少于20页的包含实验原理、实验方法、数控程序、实验数据检测及实验分析与结论的说明书一份。5、实验原始测试数据记录表被测数控机床坐标轴滚珠丝杠参数备注（被测对象）材料密度半径r（mm）长度L（mm）X轴丝杠（ ）Y轴丝杠（ ）切削参数Z轴丝杠（ ）进给速度v(m/s)主轴转速n（r/min）切削深度dp（mm）机床主轴（ ）加工时间t1空程时间t2总时间t3表面粗糙度Ra三相电参数测定abc电压UX轴电机（ ）电流IY轴电机（ ）有功功率PZ轴电机（ ）功率因素主轴电机（

5、 ）6、实验目标参数项目名称计算结果备注（被测对象）转动惯量JX轴丝杠（ ）质量mY轴丝杠（ ）体积VZ轴丝杠（ ）丝杠驱动力矩M机床主轴（ ）电机输出力矩T无功功率Q视在功率S有效能耗E1无效能耗E2总能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra指导老师（签名） 学 生（签名） 目录1、实验目的2、原理（实验方法）3、实验装置（仪器设备）4、实验步骤5、注意事项6、实验内容7、实验分组8、任务要求9、数控铣床实验操作过程10、数控程序11、实验原始测试数据记录表12、实验目标参数13、数据分析计算14、实验结论15、思考题（分析与讨论题）16、实验心得17、参考文献不同切削参数下数控机床的机械及伺服

6、电机特性参数测试1、 实验目的要求学生通过本实验能够综合应用电工学、机械制造技术基础、公差配合与技术测量、控制工程基础、数控技术等专业知识，通过对零件加工过程参数的不同设置，检测其机械、电气参数，分析零件加工过程中影响产品质量的各种因素，具体要求如下：1>掌握数控机床的机械-电气结构特点，理解数控机床的伺服控制回路及相应的控制、检测设备；2>掌握数控编程技术，理解切削参数与数控机床各坐标轴的进给速度、主轴转速、伺服电机转速及功率之间的转换关系； 3>理解三相电机电磁参数功率测试仪的工作原理，掌握其使用方法；4>理解电磁参数功率测试仪所测得的电压、电流、功率及功率因素等随

7、切削参数变化而变化的原理，进而理解切削参数变化对机床能耗的影响，并掌握机床切削能耗的计算方法。2、 实验原理（实验方法）2.1 实验理论原理为了让学生理解并掌握数控机床切削加工时，切削参数（进给速度v、主轴转速n、切削深度dp等）变化会引起切削力F/力矩M以及表面粗糙度Ra的相应变化，实验采用改变切削参数时对机床各坐标轴及机床主轴伺服电机的电压、电流及输出功率进行测试，然后依据如下公式依次计算： 给定进给速度v求坐标轴滚珠丝杠驱动力矩M及其转速ns （1）（v为坐标轴进给线速度，m/s；ns为丝杠转速，r/min； d为丝杠直径，mm；r为丝杠半径，J为丝杠的转动惯量） （2） （为丝杠密度；

8、V为丝杠体积；L为丝杠长度） 根据测得的伺服电机有功功率P计算电机的输出转矩T （3）（P为电机输出有功功率，kW；对机床主轴，n为转速， 对各坐标轴，nns，r/min） 根据测得单相的电压U、电流I、功率因素角，计算有功功率P，无功功率Q，视在功率S （4）则总有功功率： （5）总无功功率： （6）总视在功率： （7）式中：U为线电压，I为线电流， 为电压与电流的相位差机床切削能耗：（t为时间） （8）2.2 实验检测仪器原理三相电参数功率测试仪由三路独立的功率采样电路、微处理器运算电路、显示/键盘电路、USB/RS232C/RS485 通讯电路、电源电路组成。其中功率采样电路分为电压采样

9、和电流采样两部分。电压采样电路采用电阻降压，输入极点浮地；电流采样采用电流传感器CT隔离采样。两者又各自包括：信号放大、自动量程处理、抗混迭低通滤波电路、ADC模数转换器等。由于功率采样电路的电压和电流采样电路彼此独立，故可灵活地接成单相模式、二相二线(2VT2CT) 模式、三相三线(3VT3CT) 模式、三相四线模式。其中三相四线(3 Phase 4 Wire, 3P4W)功率测量系统较多用于电力测量和监控，该系统具有三条相线(火线)A、B、C、一条中性线N(也称零线)。由于中性线的引入，使得电压的公共参考点可以以中性线为参考点，能同时测量线电压和相电压，测量原理如图1所示。图1 三相四线功

10、率测量原理图三相四线功率测量采用三功率测量通道，也称作三相四线三元测量法。其中功率采样电路对输入的交流信号进行量化采样，后经微处理器运算电路进行数字运算处理，并把测量数据显示在面板上。三相功率测试仪的通讯接口有USB、RS232、RS485三种形式，承担着仪器与外界如PC，PLC等的通讯任务。其中RS232和RS485在仪器内采用了光电隔离技术，使仪器的抗杂讯干扰级别提高，可以可靠地应用于工业控制系统中。三相功率测试仪各参数的测试显示面板如图2所示。图2 AITEK显示面板试验接线如图3所示。图3 三相电功率参数测试仪接线图功率仪实物接线如图4所示。A相电流钳对应A1接口，B相电流钳对应A2接

11、口，C相电流钳对应A3接口。图4 功率仪实物接线图电流钳与电压夹实物如图5所示。图5 电流钳与电压夹实物3、实验装置（仪器设备） 三相电功率测试仪、数控机床、工件及相应夹具、刀具、Aitek软件、电脑、连接线、百分表或表面粗糙度仪等4、实验步骤A.将工件安装在机床工作台上，并上好刀具； B. 检查各仪器设备是否能正常工作，检查线路开关是否断开； C. 确定数控机床无通电的情况下，按照功率仪操作使用书连接线路，功率仪接线如图4所示，A相电流钳与黄色电压夹连接在机床A相电线，B相电流钳与绿色电压夹连接在机床B相电线，C相电流钳与黄色电压夹连接在机床C相电线(A，B，C三项电线依次自定义)，USB连

12、线连接电脑，完成功率测试平台的搭建； D. 检查线路无误后，打开电源，开启数控机床； E. 手动操作机床回零，完成数控程序的输入或在线编辑等工作； F. 开启三相电功率测试仪，设定参数进入自动检测状态；然后启动数控程序，让机床进行切削加工，在机床完成一个工序后，保存功率仪所测得的数据；修改切削参数，继续进行测试，累计测量不少于3次；关闭机床电源，更换被测伺服电机，重复上述过程，直到数控机床的所有电机完成测试。G.导出数据并保存； H. 依次关闭数控机床、功率测试仪等相关设备；I. 断开全部设备电源，清洁机床，整理实验设备并放回原处，清理实验现场。5、注意事项A.严格遵守实验室管理制度B.严禁在

13、不熟悉机床、仪器设备等情况下做实验； C.严禁在仪器设备线路没接好的情况下开启电源；D.严禁在没有断开机床电源及机床变频器尚有残余电压的情况下拆接伺服电机的连线（即严禁带电操作接线）。 6、实验内容以高速铣床为实验对象，首先测量机床各坐标轴丝杠的直径及长度，并弄清楚丝杠的材料；然后以奥-贝球墨铸铁圆台为工件材料，对工件进行圆周铣削，设定相应的切削参数，并用三相功率测试仪分别对机床各坐标轴伺服电机的电压、电流、功率、功率因素进行测试，进而计算出各伺服电机的有功功率、无功功率、视在功率、电压与电流的相位角、有效能耗、无效能耗、总能耗等特征参数，且要求每一组同学针对不同切削参数下的机械与电磁参数测量

14、3次。7、实验分组机床所测坐标轴分组高速铣床X轴1-4号Y轴5-8号Z轴9-12号电主轴13-16号高速凸轮轴磨床X轴17-20号Y轴21-24号Z轴25-28号电主轴29-33号8、任务要求1）要求实验原理图1份（A3）；2）正确、完整的实验过程述说及完整的实验数据、实验实物接线图；3）根据实验目标要求，推导每一个目标参数的计算公式；4）每位同学需提交1份不少于20页的包含实验原理、实验方法、数控程序、实验数据检测及实验分析与结论的说明书一份。9、数控铣床实验操作过程使用数控机床前需进行开关机操作（一）开机 打开外部电源开关，启动机床电源，将操作面板上的紧急停止按钮右旋弹起，按下操作面板上的

15、电源开关，若开机成功，显示屏显示正常，无报警。（二）机床回原点机床只有在回原点之后，自动方式和MDI方式才有效，未回原点之前只能手动操作。一般在以下情况需要进行回原点操作，以建立正确的机床坐标系：（1）开机后；（2）机床断电后再次接通数控系统电源；（3）超过行程报警解除以后；（4）紧急停止按钮按下后。实验操作过程（一）加工要求 根据零件材料、生产纲领、加工要求、工艺要求选择加工设备（二）准备工作加工以前完成相关准备工作，包括工艺分析及工艺路线设计、刀具及夹具的选择、程序编制等。（三）操作步骤及内容 （1） 开机，各坐标轴手动回机床原点。（2） 刀具安装根据加工要求选择铣刀，用弹簧夹头刀柄装夹后

16、将其装上主轴。（3） 清洁工作台，安装夹具和工件将平口虎钳清理干净装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平虎钳，再将工件装正在虎钳上。（4） 对刀设定工件坐标系 用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中 ； 将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。（5） 设置刀具补偿值将刀具半径补偿值5输入到刀具补偿地址D01。（6） 输入加工程序将计算机生成好的加工程序通过数据线传输到机床数控系统的内存中。（7） 调试加工程序把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下数控启动键，适当降低进给速度，检查刀

17、具运动是否正确。调整程序中进给速度v主轴转速n切削深度dp并将数据记录进表格中。（8） 自动加工把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工，机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。同时将加工时间以及三相电参数记录进表格中。（9） 测量工件加工面粗糙度并记录数据。（10） 重复实验并得到一共3组数据。（11） 清理加工现场。（12） 关机。10、数控程序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、实验原始测试数据记录表被测数控机床坐标轴滚珠丝杠参数备注（被测对象）材料密度半径r（mm）长度L（mm）X轴丝杠（）19.98mm917.7mmY轴丝杠（ ）切削参数Z轴丝杠（ ）进给速度v(m/s)主轴转速n（r/min）切削深度dp（mm）机床主轴（ ）2

19、5002000.2加工时间t1空程时间t2总时间t3表面粗糙度Ra237”0237”0.03mm三相电参数测定abc电压U388.12V386.10V387.33VX轴电机（）电流I2.911A2.332A1.856AY轴电机（ ）有功功率P-1033W-307.7W33.703WZ轴电机（ ）功率因素-0.915-0.3420.047主轴电机（ ）12、实验目标参数项目名称计算结果备注（被测对象）转动惯量JX轴丝杠（ ）质量mY轴丝杠（ ）体积VZ轴丝杠（ ）丝杠驱动力矩M机床主轴（ ）电机输出力矩T无功功率Q视在功率S有效能耗E1无效能耗E2总能耗E3相位角切削力F表面粗糙度Ra13、数据

20、分析计算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丝杆体积丝杆质量转动惯量进给线速度驱动力矩输出转矩根据测得单相电压U，电流I，功率因数计算有功功率P，无功功率Q，视无功率S。 14、实验结论项目名称实验结论备注（被测对象）象）转动惯量JX轴丝杠（ ）质量m9.03kgY轴丝杠（ ）体积VZ轴丝杠（）丝杠驱动力矩M4.71N·m机床主轴（ ）电机输出力矩T4.91N·m无功功率Q-1242.72w视在功率S2749.09w有效能耗E1-219.310KJ无效能耗E2195.107KJ总能耗E3-24.203KJ相位角60°15、思考题（分析与讨论题） 1>如何计算滚珠丝杠的转动惯量J？ （为丝杠密度；V为丝杠体积；