内齿轮铣齿机数控伺服进给系统设计
随着制造业的发展,中小批量生产的趋势日益增强,对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求,希望市场能提供不同加工需求,迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统,并大幅度地降低维护和培训的成本,同时还要求新一代数控系统具有方便的网络功能,以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此,近10年来,随着计算机技术的飞速发展,各种不同层次的开放式数控系统应运而生,发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言,当今世界上的数控系统大致可分为4种类型:
(1)传统数控系统 如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、Siemens810系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面,但必须使用专门的开发工具(如Siemens的WS800A)耗费较多的人力,而对它的功能扩展、改变和维修,都必须求助于系统供应商。目前,这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展,传统数控系统的市场正在受到挑战,已逐渐减小。
(2)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统 如FANUC18i、16i系统、Siemens840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术,又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而,尽管它也具有一定的开放性,但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统,其体系结构还是不开放的。因此,用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大,但价格昂贵。
(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡+PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统,可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZA-TROL640CNC等.
(4) SOFT型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CD-ROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWSNT平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,与前几种数控系统相比,SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比,因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutoma-tion公司的PA8000NT等。
4.2 数控机床进给系统概述
4.2.1 伺服进给系统概述
数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。
4.2.2 伺服进给系统分类
数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种：
(1)开环伺服系统
(2)半闭环伺服系统
(3)闭环伺服系统
4. 3横向数控滑台运动设计
4.3.1 传动方案拟定
数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。
初步拟定三种传动方案：
①电机直接与丝杠相连；
②电机通过同步带的传动带动丝杠转动；
③电机通过齿轮传动带动丝杠转动。
步进电机具有如下优点 :
(1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；
(2)电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；
(3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要机械制动装置；
(4)变通电相序即可以改变电动机的转向；
(5)步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；
(6)步进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可性。
传动方案①的结构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案①；传动方案②采用同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用。所以本次设计中采用方案③的齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。
4.3.2 降速比计算
本设计选用的步进电机型号为110BF003，步距角为0.75。数控铣齿机床的脉冲当量为0.005mm。
降速比i按下式计算：
（4.1）
式中 —步进电机的步距角（°）；
—脉冲当量(mm)；
s—丝杠螺距(mm)；
取s=6㎜。
