基于數控設備系統的設計研究

張傳琦 蔡傳兵

（襄陽國網合成絕緣子有限責任公司，襄陽 441057）

1 數控設備的構成

數控設備主要由數控系統、電氣系統及機械系統等構成。其中，數控系統主要是針對機床而言，相當于人的大腦及神經系統，對整個數控機床起著決定性作用；電氣系統主要控制機床的通信和電機的運動協調；機械系統是指人們主要從機床結構入手，為了實現某種特定功能而采取的不同運動結構和方式。

1.1 數控系統

人們可以利用上位機，通過軟件直接讀取運行參數。其中，系統故障代碼顯示各種報警信息，以便使人判斷出系統的故障原因。

1.2 導軌副

X軸、Y軸和Z軸方向采用滑動導軌的方式進行運動，導軌與滑塊之間必須要潤滑，一般采用黃油、機油等介質。人們通常采用振動傳感器并將其安放到滑塊上，測量導軌的運行狀態和磨損程度，以便及時調整和更換。

1.3 絲杠副

絲杠副主要起到工作臺定向移動的作用，由于工作臺的運動部件在工作中受到負載的影響，其在X、Y、Z三個方向上會發生不同程度的振動。一般采用溫度、位移等多功能傳感器來測試零部件的變化，以判斷是否需要更換和調整。

1.4 主軸系統

該系統的主軸組件由電機、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傳感器來測量主軸的運動精度、軸承磨損和齒輪嚙合程度。

1.5 伺服系統

本設計的伺服系統由一個主軸電機和兩個進給電機構成。其中，三個電機都是通過相關的傳感器來監測電機的實際負載和功率的大小。

1.6 潤滑系統

潤滑系統主要通過液壓系統提供動力，對整個數控系統提供潤滑，減少設備的磨損，延長使用壽命，一般采用壓力計、流量計等傳感器來檢測潤滑系統的壓力和流量大小。

2 數控設備系統的進給裝置

在數控設備的多軸聯動控制過程中，每一個軸都由電機進行控制，在計算機軟件的控制下，將多個驅動軸的電機進行控制，使其構成一個系統，從而實現單軸或者多軸的控制。單軸伺服進給裝置結構示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該伺服進給裝置主要由聯軸器、絲杠、直線運動工作臺和其他輔助部件構成。其工作原理為：通過計算機控制系統發出脈沖信號給伺服電機，伺服電機收到信號后，根據脈沖個數來做出相應的運動。伺服電機與絲杠通過聯軸器連接在一起，使得絲杠伺服電機具有相同的運動，其大小Δl可以根據式（1）計算出來。

圖1 單軸伺服進給裝置結構

式中，θ為伺服電機角位移；ε為絲杠導程；n為指令脈沖個數；k為伺服控制系統比例系數，與伺服控制系統的硬件結構有關，伺服電機每接收2κ脈沖旋轉一周。

3 數控設備系統伺服電機的選取

在數控設備系統的設計過程中，伺服驅動裝置是數控設備系統的核心，伺服電機的選擇必須要滿足以下兩個條件：一是所有電動機必須滿足單軸驅動的負載要求；二是從多個方面選擇合適的電機類型和尺寸，如成本、重量、體積、精度等技術參數。伺服電機進給控制流程如圖2所示。

圖2 進給控制流程

電機的輸出轉矩及功率的選取一般根據負載的要求，也就是滾珠絲杠的驅動所需要的力矩。外部負載產生的摩擦扭矩的計算公式為：

式中，Fα為切削力與工作臺摩擦阻力之和；η為滾珠絲杠的效率，可取0.9。

預緊產生的摩擦扭矩，通過式（3）可以計算：

式中，μ為預緊螺母內部的摩擦系數，μ=0.1～0.3，Ph為絲杠的導程。因此，滾珠絲杠的驅動力矩，即電機輸出的轉矩為：

電機穩定運行時的轉矩Tl，則換算到電機軸的負載轉矩為：

式中，η為機械系統的效率；Tl為負載軸轉矩，N·m；Nl為負載軸轉速，r/min；Nm為電機軸轉速，r/min。

電機的功率一般按式（5）計算：

式中，Tt為機械系統負載軸轉矩；Nt伺服電機的轉速；η為機械系統的效率。

4 結語

目前，我國對數控設備系統的設計研究尚有許多不完善的地方，尤其是復雜的零部件和精度要求較高的零部件，普通數控機床很難達到要求。本文對數控設備的設計研究旨在提高數控設備的性能，降低數控設備的制造成本，延長其使用壽命，減少維護的工作量和時間，更快地向創新型國家邁進。