經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車(chē)床,進(jìn)給,伺服系統(tǒng),設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床是20世紀(jì)50年代初期發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用數(shù)控技術(shù)解決機(jī)械加工過(guò)程的新型自動(dòng)化機(jī)床。隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)向更高層次發(fā)展，它已成為柔性制造單元(ＦＭＣ)、柔性制造系統(tǒng)(ＦＭＳ)以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ＣIＭＳ)的基礎(chǔ)裝備之一。作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控技術(shù)是機(jī)械專業(yè)的工科大學(xué)生必備的專業(yè)技能之一。 一、數(shù)控機(jī)床的組成 機(jī)床的數(shù)控技術(shù)包括機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)，其組成見(jiàn)表： 數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測(cè)量反饋裝置和機(jī)床主機(jī)組成?，F(xiàn)對(duì)各組成部分簡(jiǎn)介如下： 1、控制介質(zhì) 數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，所需的各種控制信息要靠某種中間載體攜帶和傳輸，這種載體稱作控制介質(zhì)。控制介質(zhì)是存儲(chǔ)數(shù)控加工所需的全部動(dòng)作和刀具相對(duì)于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序。 控制介質(zhì)有多種，如穿孔帶、穿孔卡、磁帶及磁盤(pán)等，也可通過(guò)通信接口直接輸入所需各種信息，采用何種控制介質(zhì)則取決于數(shù)控裝置的類型。 2、 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，是高技術(shù)密集型產(chǎn)品。它集成了微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)、軟件工程技術(shù)和機(jī)械加工工藝知識(shí)。數(shù)控機(jī)床正是它的控制下，按照給定的程序自動(dòng)地對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行加工。自20世紀(jì)50年代數(shù)控機(jī)床問(wèn)世以來(lái)，數(shù)控裝置已由NC發(fā)展到CNC。特別是微處理器和微型計(jì)算機(jī)在數(shù)控裝置上成功的應(yīng)用后，使計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的性能和可靠性不斷提高，成本不斷下降，其高性能價(jià)格比促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展。 裝置由硬件和軟件組成。CNC的硬件為一專用計(jì)算機(jī)，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，通過(guò)改變軟件很容易更改或擴(kuò)展其功能。 裝置的基本功工作有：輸入、譯碼、刀具補(bǔ)償、進(jìn)給速度處理、插補(bǔ)、位置控制、處理、顯示和診斷等，它具備的主要功能如下： (1) 多坐標(biāo)控制（多軸聯(lián)動(dòng)） (2) 實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)； (3) 多種程序輸入（人機(jī)對(duì)話、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入，由上級(jí)計(jì)算機(jī)及其它計(jì)算機(jī)設(shè)備的借口輸入），以及編輯和修改。 (4) 信息轉(zhuǎn)換； (5) 補(bǔ)償（刀具半徑補(bǔ)償，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，傳動(dòng)間隙補(bǔ)償，螺距誤差補(bǔ)償?shù)龋? (6) 多種加工方式選擇； (7) 故障自診顯示； (8) 通信和聯(lián)網(wǎng)。 3、伺服系統(tǒng) 機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床的連接環(huán)節(jié)，它是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，用來(lái)接受數(shù)控裝置（或計(jì)算計(jì)）插補(bǔ)生成的進(jìn)給脈沖或進(jìn)給位移量，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。它包括主軸驅(qū)動(dòng)單元（主要是速度控制）、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)要求有良好的快速相應(yīng)性能，進(jìn)給速度范圍要大，靈敏而準(zhǔn)確的跟蹤指令功能和轉(zhuǎn)速，在較大范圍內(nèi)有良好的工作穩(wěn)定性?，F(xiàn)在用的是直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，且交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)。 4、測(cè)量反饋裝置 該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中。它由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，其作用主要是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋回控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制。無(wú)測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)成為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。常用的測(cè)量元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺及激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 5、機(jī)床主機(jī) 主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、箱體、導(dǎo)軌、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)有下面幾個(gè)特點(diǎn)： （1） 由于采用了高性能的主軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)鏈較短。 （2） 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應(yīng)連續(xù)自動(dòng)化加工。 （3） 較多地采用高效傳動(dòng)件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等。 二、 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1、工對(duì)象改型的適應(yīng)性強(qiáng) 由于在數(shù)控機(jī)床上改變加工件時(shí)，只需要重新編制程序，更換一條新的穿孔紙帶或者手動(dòng)輸入就能實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的加工。它不同于傳統(tǒng)的機(jī)床，不需要制造、更換許多工具、夾具和模具，更不需要重新調(diào)整機(jī)床。因此數(shù)控機(jī)床可以很快的從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單件、小批量以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利。它縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費(fèi)用。對(duì)于使用點(diǎn)位控制系統(tǒng)的多孔零件的加工，當(dāng)需要修改設(shè)計(jì)，改變其中某些孔的位置和尺寸時(shí)，只需局部修改增刪孔帶的相應(yīng)部分，花費(fèi)很短的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間就可以把修改后的新產(chǎn)品制造出來(lái)，為產(chǎn)品結(jié)果的不斷攻心提供了有利條件。 精度高 數(shù)控機(jī)床是按以數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量普遍達(dá)到了0.001mm，而且進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床能達(dá)到較高的加工精度。對(duì)于中小型數(shù)控機(jī)床，定位精度普遍可達(dá)到0.03mm，重復(fù)定位精度為0.01mm.。因?yàn)閿?shù)控及傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)床的結(jié)構(gòu)都具有很高的剛度和熱穩(wěn)定性，而且提高了它的制造精度，特別是數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)加工方式避免了生產(chǎn)者的人為操作誤差，同一批加工零件的尺寸一致性好，產(chǎn)品合格率高，加工質(zhì)量十分穩(wěn)定。 在采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)的鉆孔加工中，由于不需要使用鉆模板與鉆套，鉆模板的坐標(biāo)誤差造成的影響也不復(fù)存在。又由于加工中排除切削的條件得以改善，可以進(jìn)行有效的冷卻，被加工孔的精度及表面質(zhì)量都有所提高。對(duì)于復(fù)雜零件的輪廓加工，在編制程序是已考慮到對(duì)進(jìn)給速度的控制，可以做到在曲率變化時(shí)，刀具沿輪廓的切向進(jìn)給速度基本不變，被加工表面就可獲得較高的精度和表面質(zhì)量。 3、產(chǎn)率高 零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間兩部分。數(shù)控機(jī)床能夠有效的減少這兩部分時(shí)間，因而加工生產(chǎn)率比一般機(jī)床高得多。數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通機(jī)床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大切削用量的強(qiáng)力切削，有效的節(jié)省了機(jī)動(dòng)時(shí)間。數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的快速移動(dòng)和定位均采用了加速與減速措施，因而選用了很高的空行程運(yùn)動(dòng)速度，消耗在快進(jìn)、快退和定位的時(shí)間要比一般機(jī)床的少得多。 數(shù)控機(jī)床在更換被加工零件是幾乎不需要重新調(diào)整機(jī)床，而零件又都安裝在簡(jiǎn)單的定位加緊裝置中，用于停機(jī)進(jìn)行零件安裝調(diào)整的時(shí)間可以節(jié)省不少。 數(shù)控機(jī)床的加工精度比較穩(wěn)定，在穿孔帶經(jīng)過(guò)校驗(yàn)以及刀具完好的情況下，一般只作首件校驗(yàn)或工序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗(yàn)。因而可以減少停機(jī)檢驗(yàn)的時(shí)間。因此數(shù)控機(jī)床的利用系數(shù)比一般機(jī)床的高得多。 在使用帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控加工中心機(jī)床時(shí)，在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時(shí)間，生產(chǎn)效率的提高更為明顯。 操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度 數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了安放穿孔帶或操作鍵盤(pán)，裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度均可大為減輕，勞動(dòng)條件也得到相應(yīng)的改善。例如電子工業(yè)中印刷電路板的鉆孔，如果在臺(tái)式鉆床上進(jìn)行手動(dòng)加工，單調(diào)頻繁的手工操作很容易造成工人視覺(jué)的極度疲勞，從而產(chǎn)生不少差錯(cuò)，因此通常很難進(jìn)行一小時(shí)以上的連續(xù)操作。當(dāng)采用高速數(shù)控鉆床時(shí)，就能根本的改善操作者的勞動(dòng)條件。 良好的經(jīng)濟(jì)效益 使用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 使用數(shù)控機(jī)床，在加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，在零件安裝到機(jī)床上以后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間，減少了直接生產(chǎn)費(fèi)用。另一方面，由于數(shù)控機(jī)床加工零件不需要手工制作模型，凸輪、鉆模板及其它工夾具，節(jié)省了工藝裝備費(fèi)用。還由于數(shù)控機(jī)床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，使生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。 6、有利于生產(chǎn)管理 用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確的計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效的簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床使用數(shù)字信息與標(biāo)準(zhǔn)代碼輸入，最適宜于與數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)系，目前已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及管理一體化的基礎(chǔ)。 三、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)床確實(shí)存在一般機(jī)床不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)是以一定條件為前提的。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類型的機(jī)床，也不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床通常最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件： 品種小批量生產(chǎn)的零件 圖1表示了三類機(jī)床的零件加工數(shù)量與綜合費(fèi)用的關(guān)系。從圖中看出零件加工批量的增大對(duì)于選數(shù)控機(jī)床是不利的。原因在于數(shù)控機(jī)床設(shè)備費(fèi) 用高昂，與大批量生產(chǎn)采用的專用機(jī)床相比，其效率還不夠高。 2、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 圖2表示了三類機(jī)床的被加工零件復(fù)雜程度與零件 批量大小的關(guān)系。通常數(shù)控機(jī)床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在非數(shù)控機(jī)床上加工是需要有昂貴的工藝裝備（工具、夾具和模具）的零件。 繁改型的零件 在國(guó)防與尖端工業(yè)部門(mén)中，零件頻繁改型的必要性是眾所周知的。在民用工業(yè)部門(mén)中引入了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的產(chǎn)品也必須不斷更新，這就為數(shù)控機(jī)床提供了用戶。它節(jié)省了大量的工藝裝備費(fèi)用，使綜合費(fèi)用下降。 價(jià)值昂貴，不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件 需要最少生產(chǎn)周期的急需零件 廣泛推廣數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大，由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時(shí)排除設(shè)備故障，將會(huì)在一定程度上影響機(jī)床的利用率，這些因素都會(huì)增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。 位置控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要部分，現(xiàn)在介紹其控制的具體原理。 位置控制伺服機(jī)構(gòu)，將施加在當(dāng)?shù)弥笓]站里操作輪上的運(yùn)動(dòng)在某個(gè)遙遠(yuǎn)的地方再現(xiàn)出來(lái)。輸入運(yùn)動(dòng)可被用來(lái)將一個(gè)很重的物體移動(dòng)到一個(gè)期望的位置上，于是指令的功率放大與精確再現(xiàn)是必不可少的。 信號(hào)可以通過(guò)機(jī)械連接或通過(guò)液壓導(dǎo)管、氣動(dòng)導(dǎo)管或電纜直接傳送。與機(jī)械連接不同，最迅速的傳送方式是電連接，這是非常普遍的，盡管并不總是如此。當(dāng)它被應(yīng)用時(shí)，機(jī)械輸入與輸出信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換成一定比例的電信號(hào)，然后通過(guò)導(dǎo)線將其傳送到比較裝置上，比較裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于誤差的信號(hào)。 低功率的誤差信號(hào)被送到放大器，放大器從外部電源獲得功率并將可控的功率傳送到電動(dòng)機(jī)。 傳感器與比較器元件的組合構(gòu)成了誤差監(jiān)測(cè)器，放大器就是控制器，電動(dòng)機(jī)與它的變速箱構(gòu)成了輸出元件。如果電動(dòng)機(jī)是用電的，那么放大器可以是純電的。若電動(dòng)機(jī)是液壓的或氣動(dòng)的，那么放大器必須是電-液的或電-氣的。 需強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)就是供可旋轉(zhuǎn)的物體盡可能的復(fù)現(xiàn)操作輪的運(yùn)動(dòng)。先考慮當(dāng)物體一開(kāi)始處于靜止?fàn)顟B(tài)，操作輪的位置被非常快的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后，將會(huì)出現(xiàn)什么情況。該物體一開(kāi)始沒(méi)有速度并且輸出位置是零，于是一個(gè)信號(hào)k 立刻會(huì)出現(xiàn)在放大器的輸入端上；放大器的輸出被傳送到電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)隨后驅(qū)動(dòng)這個(gè)物體使誤差減少。當(dāng)接近時(shí)，誤差變得很小，于是傳送到電動(dòng)機(jī)上的功率也隨著減小。所涉及的系統(tǒng)通常是物體恰好超過(guò)所要求的位置,既然此時(shí)比大，誤差變負(fù)，電動(dòng)機(jī)使物體停止并且改變方向。在物體最終穩(wěn)定在所要求的位置之前，可能會(huì)產(chǎn)生達(dá)到給定位置或進(jìn)一步超過(guò)給定值的現(xiàn)象。只有當(dāng)完全一致時(shí)，放大器的輸入才為零，電動(dòng)機(jī)被迫朝一個(gè)方向或另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)直至所有的運(yùn)動(dòng)都停止。因此只有放大器的輸入信號(hào)為零時(shí)（即當(dāng)輸入為質(zhì)量權(quán)與指令一樣時(shí)），電動(dòng)機(jī)才會(huì)停止工作。 從上面的討論我們可以知道，除非精心設(shè)計(jì)，否則相當(dāng)有可能在期望位置附近震蕩加劇而不是快速衰減。震蕩加劇的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，因此在控制工程中的許多設(shè)計(jì)工作都與產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)有關(guān)。當(dāng)然，使黨的穩(wěn)定性僅僅是幾個(gè)要求中的一個(gè)。另一項(xiàng)要求是如實(shí)的復(fù)現(xiàn)各類輸入信號(hào)。圖4所使得系統(tǒng)不可能在任何程度上復(fù)現(xiàn)輸入位置突然變化。另一類輸入指令可能由恒角速度的操縱輪運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。那么這個(gè)系統(tǒng)將具有震蕩的瞬態(tài)相應(yīng)，物體中會(huì)穩(wěn)定在與指令相同的速度上，但是在位置上角度輸入有一個(gè)小的角度滯后。輸入與輸出位置之間的細(xì)微差別將具有這樣的數(shù)量級(jí)，使得電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)足以使物體克服摩擦力矩并以所需的速度轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出力矩。誤差不能為零，否則電動(dòng)機(jī)將會(huì)停止并且新的誤差又會(huì)重新產(chǎn)生。 因此很明顯，在靜止條件下當(dāng)輸出自動(dòng)地與指令一致時(shí)，在動(dòng)態(tài)條件下，輸出運(yùn)動(dòng)只會(huì)逼近指令的運(yùn)動(dòng)。然而這個(gè)逼近程度通常相當(dāng)高，足以克服許多物理問(wèn)題。例如，某些型自動(dòng)制的仿行銑床的跟蹤精度已達(dá)到0.0001英寸。 定位控制系統(tǒng)的另一項(xiàng)任務(wù)是在負(fù)載劇烈變化干擾下，它必須有能力保持輸出位置與指令相等。例如，無(wú)論是否存在隨即陣風(fēng)，發(fā)射架必須要與期望方向保持一致。如果進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，圖4所市的位置控制系統(tǒng)將能過(guò)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)好的調(diào)整用以抵消這類負(fù)載的擾動(dòng)，但是一個(gè)固定的負(fù)載擾動(dòng)將會(huì)在輸出和指令之間不可避免的產(chǎn)生一個(gè)小的角偏差。在系統(tǒng)中，如果這種角偏差不容許的，那么必須用更復(fù)雜類型的控制器。 - 17 -