淺談專用車床數(shù)控進給系統(tǒng)

謝超 王鉑 周強

摘?要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜，改型也日益頻繁，對機床的性能、精度、自動化程度提出了越來越高的要求。在普通車床加工中，加工一些復(fù)雜外形的零件時很不方便且效率低下。因此我們需要專用的簡易數(shù)控車床來解決中小批量、對形狀及精度要求較高、生產(chǎn)周期較為緊湊的零部件，同時要保證產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，以取得良好的效益產(chǎn)出。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;專用車床;進給系統(tǒng)

1 我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀與存在問題

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜，改型也日益頻繁，對機床的性能、精度、自動化程度提出了越來越高的要求。數(shù)控機床將計算機數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，在加工小批量、高精度且形狀復(fù)雜的零部件時，只需編寫相應(yīng)加工程序而無需對機床做出改造，就能生產(chǎn)出滿足需求的產(chǎn)品。數(shù)控車床更是普遍使用的數(shù)控機床，其核心就是進給系統(tǒng)的設(shè)計。

當(dāng)前我國工業(yè)制造企業(yè)在進行舊機床改造時大都用上了國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，但將數(shù)控系統(tǒng)裝備新機床乃至用在全功能型機床上的情況就比較少，新機床一般用的都是進口的數(shù)控系統(tǒng)。由此證明，在我國工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的印象中，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠度是比較低的，技術(shù)含量也不高，產(chǎn)生的附加值少，屬于低端產(chǎn)品，不能與功能強大完善、性能可靠的進口數(shù)控系統(tǒng)相比，目前我國數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)儲備也無法為數(shù)控行業(yè)發(fā)展起到促進的作用。其主要問題有以下的幾方面：

（1）技術(shù)含量低、創(chuàng)新能力差、消化吸收能力不足。

（2）技術(shù)創(chuàng)新的環(huán)境不完善。

（3）產(chǎn)品在實際應(yīng)用中性能表現(xiàn)不穩(wěn)定。

（4）對網(wǎng)絡(luò)化的支持度不好。

1.2 當(dāng)前數(shù)控機床領(lǐng)域的發(fā)展特點

數(shù)控技術(shù)對于與國計民生高度相關(guān)的行業(yè)（諸如輕工、汽車及醫(yī)療等等）的發(fā)展都做出了不可磨滅的貢獻，因為這些行業(yè)的設(shè)備基本都已經(jīng)實現(xiàn)了高度的數(shù)字化。當(dāng)前數(shù)控機床領(lǐng)域的發(fā)展有如下特點：

（1）速度以及精度不斷提升。

（2）可靠性及穩(wěn)定性不斷提升。

（3）數(shù)控車床設(shè)計 CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化。

（4）功能越來越多并且一體化。

（5）高度智能化、靈活化和集成化。

2 車床進給系統(tǒng)方案

數(shù)控機床的進給系統(tǒng)不僅對定位精度要求極高，還需要保證靈敏的動態(tài)響應(yīng)，系統(tǒng)對于指令信號要做出準確靈敏的反應(yīng)。為了能夠保證數(shù)控機床各方面的質(zhì)量及特性符合實際應(yīng)用要求，要求進給系統(tǒng)能達到無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率以及有適宜的阻尼等。

進給系統(tǒng)的組成方案為電機+齒輪減速+滾珠絲杠傳動。將滾珠絲杠的一端進行固定，一端簡支。采用消隙齒輪和貼塑導(dǎo)軌以提高精度。進給系統(tǒng)采用一級齒輪減速即可滿足要求，但為了節(jié)約空間，橫向進給系統(tǒng)采用二級齒輪減速傳動。

（1）滾珠絲杠滾珠絲杠由于效率高、發(fā)熱量低、速度與精度均較高、剛性好、可逆性、長壽命、能耗低、同步性、高靈敏度、無間隙、易于維護等等優(yōu)勢，故而在當(dāng)前數(shù)控機床進給伺服機構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，越來越廣泛地得以普及。為了達到數(shù)控機床高速給進、高精度定位、極致平穩(wěn)和靈敏響應(yīng)方面的應(yīng)用需求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并且需要事先進行嚴格的校核計算。在選擇滾珠絲杠時，需要從尺寸規(guī)格、支承方式、部件精度等等多個方面進行考慮。滾珠絲杠的承載能力可以用額定的動載荷或靜載荷來加以衡量。在實際制造加工系統(tǒng)設(shè)計時，一般是采用額定動載荷來進行選擇，并校核其臨街轉(zhuǎn)速和剛度。對數(shù)控機床，需核算其轉(zhuǎn)動慣量。為了中和掉因為工作時溫度升高而引起的絲杠拉升，從而確保滾珠絲副杠的精度及剛度，在安裝絲杠軸時，可適度進行預(yù)拉伸。

（2）齒輪間隙的消除在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，減速齒輪需要保證嚴格的精度與平穩(wěn)性，同時需要注意的是齒輪間的傳動間隙也需要盡可能予以消除。否則會讓進給系統(tǒng)發(fā)生反向時，減速齒輪的響應(yīng)時間晚于指令信號發(fā)出時間，這會導(dǎo)致精度不足的結(jié)果。

（3）雙片直齒輪錯齒調(diào)整法。先將兩片薄齒輪（記為1號、2號）套裝在一起，同另一個寬齒輪進行3相嚙合。1號與2號齒輪端面裝有凸耳（記為4號及5號）并用拉簧6聯(lián)結(jié)，彈簧6的拉力可以讓1號與2號齒輪發(fā)生錯齒，即相對轉(zhuǎn)動，令其左右吃面與寬齒輪齒槽的左右齒面，消除齒側(cè)間隙。

3 數(shù)控裝置的選型

CNC裝置的分類：

（1）按硬件制造方式專機數(shù)控和PC數(shù)控。專機數(shù)控由數(shù)控系統(tǒng)廠家生產(chǎn)，布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，專用性強，硬件無通用性;PC數(shù)控以工業(yè)PC機或一般PC機為硬件平臺，由CNC機床廠插入控制卡和軟件。

（2）按電路板插接方式大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。大板式結(jié)構(gòu)由主板（微機基本系統(tǒng)+位置控制電路等）+子板（擴展存儲器板+PLC板+圖形控 制板+電源單元等）組成;模塊化結(jié)構(gòu)由控制單元母板+功能模板（CNC控制板+位置控制板+PLC板+圖形板+通訊板+位置檢測板等）組成，硬件與軟件都按功能模塊化。

（3）按CPU數(shù)量單CPU結(jié)構(gòu)和多CPU結(jié)構(gòu)。單CPU結(jié)構(gòu)由CPU+總線+存儲器+各種接口+位置控制器組成。CPU集中控制、分時處理完成所有數(shù)控功能和管理功能;多CPU結(jié)構(gòu)中每個CPU子系統(tǒng)分別完成不同的子任務(wù)，各子系統(tǒng)間通過通信（共享總線或共享存儲器）協(xié)調(diào)動作，完成數(shù)控任務(wù)。

參考文獻：

[1]李海梅，等.數(shù)控車床編程技術(shù).機械工業(yè)出版社，2002.

[2]任玉田.機床計算機數(shù)控技術(shù).北京理工大學(xué)出版社，2002.

[3]畢承恩，等.現(xiàn)代數(shù)控機床（上、下冊）.機械工業(yè)出版社，1993.

[4]成大先.機床設(shè)計手冊第三版第五卷.化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

[5]曹琰.數(shù)控機床應(yīng)用與維護.電子工業(yè)出版社，1994.

[6]張超英.數(shù)控車床.化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[7]高峰.數(shù)控機床課程設(shè)計指導(dǎo)書.西安理工大學(xué)，2006.

[8]周春國，等.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.西安理工大學(xué)，2003.