經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)濟型,數(shù)控車床,進給,伺服系統(tǒng),設(shè)計 數(shù)控機床 數(shù)控機床是20世紀50年代初期發(fā)展起來的一種應用數(shù)控技術(shù)解決機械加工過程的新型自動化機床。隨著現(xiàn)代機械制造業(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)以及計算機集成制造系統(tǒng)(ＣIＭＳ)的基礎(chǔ)裝備之一。作為數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控技術(shù)是機械專業(yè)的工科大學生必備的專業(yè)技能之一。 一、數(shù)控機床的組成 機床的數(shù)控技術(shù)包括機床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)，其組成見表： 數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床主機組成。現(xiàn)對各組成部分簡介如下： 1、控制介質(zhì) 數(shù)控機床加工時，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)?？刂平橘|(zhì)是存儲數(shù)控加工所需的全部動作和刀具相對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、磁帶及磁盤等，也可通過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)、自動控制技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、監(jiān)控檢測技術(shù)、軟件工程技術(shù)和機械加工工藝知識。數(shù)控機床正是它的控制下，按照給定的程序自動地對機械零件進行加工。自20世紀50年代數(shù)控機床問世以來，數(shù)控裝置已由NC發(fā)展到CNC。特別是微處理器和微型計算機在數(shù)控裝置上成功的應用后，使計算機數(shù)控裝置的性能和可靠性不斷提高，成本不斷下降，其高性能價格比促進了數(shù)控機床的迅速發(fā)展。 裝置由硬件和軟件組成。CNC的硬件為一專用計算機，由軟件來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，通過改變軟件很容易更改或擴展其功能。 裝置的基本功工作有：輸入、譯碼、刀具補償、進給速度處理、插補、位置控制、處理、顯示和診斷等，它具備的主要功能如下： (1) 多坐標控制（多軸聯(lián)動） (2) 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補； (3) 多種程序輸入（人機對話、手動數(shù)據(jù)輸入，由上級計算機及其它計算機設(shè)備的借口輸入），以及編輯和修改。 (4) 信息轉(zhuǎn)換； (5) 補償（刀具半徑補償，刀具長度補償，傳動間隙補償，螺距誤差補償?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) 機床伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床的連接環(huán)節(jié)，它是以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，用來接受數(shù)控裝置（或計算計）插補生成的進給脈沖或進給位移量，驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)運動。它包括主軸驅(qū)動單元（主要是速度控制）、進給驅(qū)動單元、主軸電機和進給電機等。一般來說，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)要求有良好的快速相應性能，進給速度范圍要大，靈敏而準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、測量反饋裝置 該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中。它由檢測元件和相應的電路組成，其作用主要是檢測速度和位移，并將信息反饋回控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制。無測量反饋裝置的系統(tǒng)成為開環(huán)系統(tǒng)。常用的測量元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁尺及激光位移監(jiān)測系統(tǒng)。 5、機床主機 主機是數(shù)控機床的主體，包括床身、箱體、導軌、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)有下面幾個特點： （1） 由于采用了高性能的主軸進給伺服驅(qū)動裝置，簡化了數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)，傳動鏈較短。 （2） 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應連續(xù)自動化加工。 （3） 較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌、靜壓導軌等。 二、 數(shù)控機床的特點 1、工對象改型的適應性強 由于在數(shù)控機床上改變加工件時，只需要重新編制程序，更換一條新的穿孔紙帶或者手動輸入就能實現(xiàn)對零件的加工。它不同于傳統(tǒng)的機床，不需要制造、更換許多工具、夾具和模具，更不需要重新調(diào)整機床。因此數(shù)控機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)準備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費用。對于使用點位控制系統(tǒng)的多孔零件的加工，當需要修改設(shè)計，改變其中某些孔的位置和尺寸時，只需局部修改增刪孔帶的相應部分，花費很短的生產(chǎn)準備時間就可以把修改后的新產(chǎn)品制造出來，為產(chǎn)品結(jié)果的不斷攻心提供了有利條件。 精度高 數(shù)控機床是按以數(shù)字形式給出的指令進行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當量普遍達到了0.001mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機床能達到較高的加工精度。對于中小型數(shù)控機床，定位精度普遍可達到0.03mm，重復定位精度為0.01mm.。因為數(shù)控及傳動系統(tǒng)與機床的結(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)控機床的自動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，鉆模板的坐標誤差造成的影響也不復存在。又由于加工中排除切削的條件得以改善，可以進行有效的冷卻，被加工孔的精度及表面質(zhì)量都有所提高。對于復雜零件的輪廓加工，在編制程序是已考慮到對進給速度的控制，可以做到在曲率變化時，刀具沿輪廓的切向進給速度基本不變，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間包括機動時間和輔助時間兩部分。數(shù)控機床能夠有效的減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般機床高得多。數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍比普通機床的范圍大，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)控機床進行大切削用量的強力切削，有效的節(jié)省了機動時間。數(shù)控機床移動部件的快速移動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動速度，消耗在快進、快退和定位的時間要比一般機床的少得多。 數(shù)控機床在更換被加工零件是幾乎不需要重新調(diào)整機床，而零件又都安裝在簡單的定位加緊裝置中，用于停機進行零件安裝調(diào)整的時間可以節(jié)省不少。 數(shù)控機床的加工精度比較穩(wěn)定，在穿孔帶經(jīng)過校驗以及刀具完好的情況下，一般只作首件校驗或工序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗。因而可以減少停機檢驗的時間。因此數(shù)控機床的利用系數(shù)比一般機床的高得多。 在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控加工中心機床時，在一臺機床上實現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率的提高更為明顯。 操作者的勞動強度 數(shù)控機床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了安放穿孔帶或操作鍵盤，裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到相應的改善。例如電子工業(yè)中印刷電路板的鉆孔，如果在臺式鉆床上進行手動加工，單調(diào)頻繁的手工操作很容易造成工人視覺的極度疲勞，從而產(chǎn)生不少差錯，因此通常很難進行一小時以上的連續(xù)操作。當采用高速數(shù)控鉆床時，就能根本的改善操作者的勞動條件。 良好的經(jīng)濟效益 使用數(shù)控機床加工零件時，分攤在每個零件上的設(shè)備費用是較昂貴的。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用，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。 使用數(shù)控機床，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上以后可以減少調(diào)整、加工和檢驗時間，減少了直接生產(chǎn)費用。另一方面，由于數(shù)控機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)省了工藝裝備費用。還由于數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，使生產(chǎn)成本進一步降低。 6、有利于生產(chǎn)管理 用數(shù)控機床加工零件，能準確的計算零件的加工工時，并有效的簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 數(shù)控機床使用數(shù)字信息與標準代碼輸入，最適宜于與數(shù)字計算機聯(lián)系，目前已成為計算機輔助設(shè)計、制造及管理一體化的基礎(chǔ)。 三、數(shù)控機床的應用范圍 數(shù)控機床確實存在一般機床不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點是以一定條件為前提的。數(shù)控機床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。數(shù)控機床通常最適合加工具有以下特點的零件： 品種小批量生產(chǎn)的零件 圖1表示了三類機床的零件加工數(shù)量與綜合費用的關(guān)系。從圖中看出零件加工批量的增大對于選數(shù)控機床是不利的。原因在于數(shù)控機床設(shè)備費 用高昂，與大批量生產(chǎn)采用的專用機床相比，其效率還不夠高。 2、結(jié)構(gòu)比較復雜的零件 圖2表示了三類機床的被加工零件復雜程度與零件 批量大小的關(guān)系。通常數(shù)控機床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復雜，在非數(shù)控機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 在國防與尖端工業(yè)部門中，零件頻繁改型的必要性是眾所周知的。在民用工業(yè)部門中引入了競爭機制，市場上銷售的產(chǎn)品也必須不斷更新，這就為數(shù)控機床提供了用戶。它節(jié)省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。 價值昂貴，不允許報廢的關(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)本身的復雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務，往往不能及時排除設(shè)備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產(chǎn)費用。 位置控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的一個重要部分，現(xiàn)在介紹其控制的具體原理。 位置控制伺服機構(gòu)，將施加在當?shù)弥笓]站里操作輪上的運動在某個遙遠的地方再現(xiàn)出來。輸入運動可被用來將一個很重的物體移動到一個期望的位置上，于是指令的功率放大與精確再現(xiàn)是必不可少的。 信號可以通過機械連接或通過液壓導管、氣動導管或電纜直接傳送。與機械連接不同，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。當它被應用時，機械輸入與輸出信號首先被轉(zhuǎn)換成一定比例的電信號，然后通過導線將其傳送到比較裝置上，比較裝置會產(chǎn)生一個正比于誤差的信號。 低功率的誤差信號被送到放大器，放大器從外部電源獲得功率并將可控的功率傳送到電動機。 傳感器與比較器元件的組合構(gòu)成了誤差監(jiān)測器，放大器就是控制器，電動機與它的變速箱構(gòu)成了輸出元件。如果電動機是用電的，那么放大器可以是純電的。若電動機是液壓的或氣動的，那么放大器必須是電-液的或電-氣的。 需強調(diào)的是，這個系統(tǒng)的任務就是供可旋轉(zhuǎn)的物體盡可能的復現(xiàn)操作輪的運動。先考慮當物體一開始處于靜止狀態(tài)，操作輪的位置被非常快的轉(zhuǎn)動一個角度后，將會出現(xiàn)什么情況。該物體一開始沒有速度并且輸出位置是零，于是一個信號k 立刻會出現(xiàn)在放大器的輸入端上；放大器的輸出被傳送到電動機上，電動機隨后驅(qū)動這個物體使誤差減少。當接近時，誤差變得很小，于是傳送到電動機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所要求的位置,既然此時比大，誤差變負，電動機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，可能會產(chǎn)生達到給定位置或進一步超過給定值的現(xiàn)象。只有當完全一致時，放大器的輸入才為零，電動機被迫朝一個方向或另一個方向轉(zhuǎn)動直至所有的運動都停止。因此只有放大器的輸入信號為零時（即當輸入為質(zhì)量權(quán)與指令一樣時），電動機才會停止工作。 從上面的討論我們可以知道，除非精心設(shè)計，否則相當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)計工作都與產(chǎn)生一個穩(wěn)定的系統(tǒng)有關(guān)。當然，使黨的穩(wěn)定性僅僅是幾個要求中的一個。另一項要求是如實的復現(xiàn)各類輸入信號。圖4所使得系統(tǒng)不可能在任何程度上復現(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動構(gòu)成。那么這個系統(tǒng)將具有震蕩的瞬態(tài)相應，物體中會穩(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小的角度滯后。輸入與輸出位置之間的細微差別將具有這樣的數(shù)量級，使得電機產(chǎn)生一個足以使物體克服摩擦力矩并以所需的速度轉(zhuǎn)動的輸出力矩。誤差不能為零，否則電動機將會停止并且新的誤差又會重新產(chǎn)生。 因此很明顯，在靜止條件下當輸出自動地與指令一致時，在動態(tài)條件下，輸出運動只會逼近指令的運動。然而這個逼近程度通常相當高，足以克服許多物理問題。例如，某些型自動制的仿行銑床的跟蹤精度已達到0.0001英寸。 定位控制系統(tǒng)的另一項任務是在負載劇烈變化干擾下，它必須有能力保持輸出位置與指令相等。例如，無論是否存在隨即陣風，發(fā)射架必須要與期望方向保持一致。如果進行正確的設(shè)計，圖4所市的位置控制系統(tǒng)將能過實現(xiàn)相當好的調(diào)整用以抵消這類負載的擾動，但是一個固定的負載擾動將會在輸出和指令之間不可避免的產(chǎn)生一個小的角偏差。在系統(tǒng)中，如果這種角偏差不容許的，那么必須用更復雜類型的控制器。 - 17 -