基于數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張傳琦 蔡傳兵

（襄陽國(guó)網(wǎng)合成絕緣子有限責(zé)任公司，襄陽 441057）

1 數(shù)控設(shè)備的構(gòu)成

數(shù)控設(shè)備主要由數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，數(shù)控系統(tǒng)主要是針對(duì)機(jī)床而言，相當(dāng)于人的大腦及神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)床起著決定性作用；電氣系統(tǒng)主要控制機(jī)床的通信和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；機(jī)械系統(tǒng)是指人們主要從機(jī)床結(jié)構(gòu)入手，為了實(shí)現(xiàn)某種特定功能而采取的不同運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和方式。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)

人們可以利用上位機(jī)，通過軟件直接讀取運(yùn)行參數(shù)。其中，系統(tǒng)故障代碼顯示各種報(bào)警信息，以便使人判斷出系統(tǒng)的故障原因。

1.2 導(dǎo)軌副

X軸、Y軸和Z軸方向采用滑動(dòng)導(dǎo)軌的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌與滑塊之間必須要潤(rùn)滑，一般采用黃油、機(jī)油等介質(zhì)。人們通常采用振動(dòng)傳感器并將其安放到滑塊上，測(cè)量導(dǎo)軌的運(yùn)行狀態(tài)和磨損程度，以便及時(shí)調(diào)整和更換。

1.3 絲杠副

絲杠副主要起到工作臺(tái)定向移動(dòng)的作用，由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件在工作中受到負(fù)載的影響，其在X、Y、Z三個(gè)方向上會(huì)發(fā)生不同程度的振動(dòng)。一般采用溫度、位移等多功能傳感器來測(cè)試零部件的變化，以判斷是否需要更換和調(diào)整。

1.4 主軸系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主軸組件由電機(jī)、齒輪箱和主軸組件組成。在主軸前端和齒輪箱，人們可以通過放置振動(dòng)傳感器來測(cè)量主軸的運(yùn)動(dòng)精度、軸承磨損和齒輪嚙合程度。

1.5 伺服系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)由一個(gè)主軸電機(jī)和兩個(gè)進(jìn)給電機(jī)構(gòu)成。其中，三個(gè)電機(jī)都是通過相關(guān)的傳感器來監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載和功率的大小。

1.6 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)主要通過液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，對(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)提供潤(rùn)滑，減少設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，一般采用壓力計(jì)、流量計(jì)等傳感器來檢測(cè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力和流量大小。

2 數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的進(jìn)給裝置

在數(shù)控設(shè)備的多軸聯(lián)動(dòng)控制過程中，每一個(gè)軸都由電機(jī)進(jìn)行控制，在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，將多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的電機(jī)進(jìn)行控制，使其構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)單軸或者多軸的控制。單軸伺服進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該伺服進(jìn)給裝置主要由聯(lián)軸器、絲杠、直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)和其他輔助部件構(gòu)成。其工作原理為：通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)收到信號(hào)后，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)來做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)與絲杠通過聯(lián)軸器連接在一起，使得絲杠伺服電機(jī)具有相同的運(yùn)動(dòng)，其大小Δl可以根據(jù)式（1）計(jì)算出來。

圖1 單軸伺服進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)

式中，θ為伺服電機(jī)角位移；ε為絲杠導(dǎo)程；n為指令脈沖個(gè)數(shù)；k為伺服控制系統(tǒng)比例系數(shù)，與伺服控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)，伺服電機(jī)每接收2κ脈沖旋轉(zhuǎn)一周。

3 數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)伺服電機(jī)的選取

在數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的核心，伺服電機(jī)的選擇必須要滿足以下兩個(gè)條件：一是所有電動(dòng)機(jī)必須滿足單軸驅(qū)動(dòng)的負(fù)載要求；二是從多個(gè)方面選擇合適的電機(jī)類型和尺寸，如成本、重量、體積、精度等技術(shù)參數(shù)。伺服電機(jī)進(jìn)給控制流程如圖2所示。

圖2 進(jìn)給控制流程

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及功率的選取一般根據(jù)負(fù)載的要求，也就是滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)所需要的力矩。外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩的計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)α為切削力與工作臺(tái)摩擦阻力之和；η為滾珠絲杠的效率，可取0.9。

預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦扭矩，通過式（3）可以計(jì)算：

式中，μ為預(yù)緊螺母內(nèi)部的摩擦系數(shù)，μ=0.1～0.3，Ph為絲杠的導(dǎo)程。因此，滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩，即電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩為：

電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩Tl，則換算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

式中，η為機(jī)械系統(tǒng)的效率；Tl為負(fù)載軸轉(zhuǎn)矩，N·m；Nl為負(fù)載軸轉(zhuǎn)速，r/min；Nm為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r/min。

電機(jī)的功率一般按式（5）計(jì)算：

式中，Tt為機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載軸轉(zhuǎn)矩；Nt伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；η為機(jī)械系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)語

目前，我國(guó)對(duì)數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究尚有許多不完善的地方，尤其是復(fù)雜的零部件和精度要求較高的零部件，普通數(shù)控機(jī)床很難達(dá)到要求。本文對(duì)數(shù)控設(shè)備的設(shè)計(jì)研究旨在提高數(shù)控設(shè)備的性能，降低數(shù)控設(shè)備的制造成本，延長(zhǎng)其使用壽命，減少維護(hù)的工作量和時(shí)間，更快地向創(chuàng)新型國(guó)家邁進(jìn)。