淺談專(zhuān)用車(chē)床數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)

謝超 王鉑 周強(qiáng)

摘?要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜，改型也日益頻繁，對(duì)機(jī)床的性能、精度、自動(dòng)化程度提出了越來(lái)越高的要求。在普通車(chē)床加工中，加工一些復(fù)雜外形的零件時(shí)很不方便且效率低下。因此我們需要專(zhuān)用的簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床來(lái)解決中小批量、對(duì)形狀及精度要求較高、生產(chǎn)周期較為緊湊的零部件，同時(shí)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(jī)床;專(zhuān)用車(chē)床;進(jìn)給系統(tǒng)

1 我國(guó)數(shù)控車(chē)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 我國(guó)數(shù)控車(chē)床的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

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

當(dāng)前我國(guó)工業(yè)制造企業(yè)在進(jìn)行舊機(jī)床改造時(shí)大都用上了國(guó)產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，但將數(shù)控系統(tǒng)裝備新機(jī)床乃至用在全功能型機(jī)床上的情況就比較少，新機(jī)床一般用的都是進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)。由此證明，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的印象中，國(guó)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(qiáng)大完善、性能可靠的進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)相比，目前我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)儲(chǔ)備也無(wú)法為數(shù)控行業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)的作用。其主要問(wèn)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(shí)際應(yīng)用中性能表現(xiàn)不穩(wěn)定。

（4）對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的支持度不好。

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

數(shù)控技術(shù)對(duì)于與國(guó)計(jì)民生高度相關(guān)的行業(yè)（諸如輕工、汽車(chē)及醫(yī)療等等）的發(fā)展都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，因?yàn)檫@些行業(yè)的設(shè)備基本都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度的數(shù)字化。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展有如下特點(diǎn)：

（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(chē)床設(shè)計(jì) CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化。

（4）功能越來(lái)越多并且一體化。

（5）高度智能化、靈活化和集成化。

2 車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)方案

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)不僅對(duì)定位精度要求極高，還需要保證靈敏的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，系統(tǒng)對(duì)于指令信號(hào)要做出準(zhǔn)確靈敏的反應(yīng)。為了能夠保證數(shù)控機(jī)床各方面的質(zhì)量及特性符合實(shí)際應(yīng)用要求，要求進(jìn)給系統(tǒng)能達(dá)到無(wú)間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率以及有適宜的阻尼等。

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

（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(zhǎng)壽命、能耗低、同步性、高靈敏度、無(wú)間隙、易于維護(hù)等等優(yōu)勢(shì)，故而在當(dāng)前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，越來(lái)越廣泛地得以普及。為了達(dá)到數(shù)控機(jī)床高速給進(jìn)、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(jìn)行嚴(yán)格的校核計(jì)算。在選擇滾珠絲杠時(shí)，需要從尺寸規(guī)格、支承方式、部件精度等等多個(gè)方面進(jìn)行考慮。滾珠絲杠的承載能力可以用額定的動(dòng)載荷或靜載荷來(lái)加以衡量。在實(shí)際制造加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般是采用額定動(dòng)載荷來(lái)進(jìn)行選擇，并校核其臨街轉(zhuǎn)速和剛度。對(duì)數(shù)控機(jī)床，需核算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了中和掉因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)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(shí)，可適度進(jìn)行預(yù)拉伸。

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

（3）雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法。先將兩片薄齒輪（記為1號(hào)、2號(hào)）套裝在一起，同另一個(gè)寬齒輪進(jìn)行3相嚙合。1號(hào)與2號(hào)齒輪端面裝有凸耳（記為4號(hào)及5號(hào)）并用拉簧6聯(lián)結(jié)，彈簧6的拉力可以讓1號(hào)與2號(hào)齒輪發(fā)生錯(cuò)齒，即相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(lèi)：

（1）按硬件制造方式專(zhuān)機(jī)數(shù)控和PC數(shù)控。專(zhuān)機(jī)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(zhuān)用性強(qiáng)，硬件無(wú)通用性;PC數(shù)控以工業(yè)PC機(jī)或一般PC機(jī)為硬件平臺(tái)，由CNC機(jī)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(jī)基本系統(tǒng)+位置控制電路等）+子板（擴(kuò)展存儲(chǔ)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(cè)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(chǔ)器+各種接口+位置控制器組成。CPU集中控制、分時(shí)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(gè)CPU子系統(tǒng)分別完成不同的子任務(wù)，各子系統(tǒng)間通過(guò)通信（共享總線或共享存儲(chǔ)器）協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成數(shù)控任務(wù)。

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