数控机床的数控系统的制作方法

本发明属于数控机床改进技术领域，具体涉及一种数控机床的数控系统。

背景技术：

大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。数控装置是数控机床的核心。它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令。

随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。

1、高速、高精度

高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不仅是要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。

高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。

2、“开放式”

要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构。系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。

3、智能化

所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征，自动感知加工系统得内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、背吃刀量、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

（1）在数控系统中引进自适应控制技术自适应控制实在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数

（2）设置故障自诊断功能

（3）具有人机对话自动编程功能

（4）应用图像识别和声控技术

4、复合化

复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现一机多能，最大限度的提高机床的开机率和利用率。

5、高可靠性

高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。

6、多种插补功能

数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插部等。

7、人机界面的友好

现有多工位数控机床的数控系统并不能同时兼具以上各优点。

技术实现要素：

针对目前现有多工位数控机床的数控系统仍然存在的缺陷和问题，本发明提供一种数控机床的数控系统。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种数控机床的数控系统，包括减速机构、丝杠螺母副以及引导和支承执行部件的导轨，通过在进给链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙，在承担全部工作负载的条件下，伺服系统低速趋近速度达0.1mm/min；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象，使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，消除传动间隙，减小反向死去误差，利用脉冲编码器输出信号，将这些信号作为位移测量脉冲以及经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。

ac伺服电动机经同步带轮和同步带带动滚珠丝杠回转，其上螺母带动刀架沿滑板的导轨移动，实现x轴的进给运动。电动机轴与同步带轮用键连接。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母进行预紧。其后支承为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母进行预紧。这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，但是可以保证和提高丝杠的轴向刚度。脉冲编码器安装在伺服电动机的尾部。有缓冲块，在出现意外碰撞时起保护作用。

数控车床z轴进给传动装置。ac伺服电动机经同步带轮以及同步带传到滚珠丝杠上，有螺母带动滑板连同刀架沿床身的矩形导轨移动，实现z轴的进给运动。电动机轴与同步带轮之间用锥环无键连接，锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，法兰的端面压迫外锥环，使其向外膨胀，内锥环受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与同步带轮连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，使连接配合面无间隙，对中性较好。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。

滚珠丝杠的左支承由三个角接触球轴承组成。其中右边两个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由螺母进行预紧。滚珠丝杠的右支承为一个圆柱滚子轴承，只用于承受径向载荷，轴承间隙用螺母来调整。滚珠丝杠的支承形式为左端固定，右端浮动，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。丝杠上有缓冲挡块，起超程保护作用。

采用消除间隙的联轴器及有间隙措施的传动副的方式消除传动间隙，减小反向死去误差。

设计中z轴和x轴进给传动机构中的减速机构都使用同步带传动，利用齿形带的同步与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，同步带无需特别张紧，以便降低在轴和轴承上的载荷，

设计采用“单螺母变导程自预紧”预紧方式，循环方式为“外循环插管式”，结构特征为“导珠管埋入式”，所选z轴丝杠型号为cbm2510-3。

设计中z轴使用左端固定，右端浮动的支承方式，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地；x轴使用两端固定的支承形式来保证和提高丝杠的轴向刚度。

设计中采用接触角为60°的双向推力球轴承，它能承受很大的轴向力。装配时只要用螺母和端盖境内外环压紧，就可以获得出厂时已经调整好的预紧力。

在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中装有制动装置。常有的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服电动机。

另外，滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。如用接触式或非接触式的密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革防护罩，以防尘土及硬性杂质进入丝杠。

数控车床的进给系统采用伺服电动机驱动，通过滚珠丝杠螺母带动刀架移动，所以刀架的快速移动和进给运动均为同一传动路线。

设计数控车床的进给传动系统分x轴进给传动和z轴进给传动。x轴进给由功率为0.9kw的交流伺服电动机驱动，经20/24的同步带轮传动到滚珠丝杠上，螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6mm。

z轴进给也是由交流伺服电动机驱动，经24/30的同步带轮传动到滚珠丝杠上，其上螺母带动滑板移动。该滚珠丝杠螺距为10mm,电动机功率为1.8kw。

滚珠丝杠前支承德轴承座用螺钉固定在滑板上。滑板导轨中镶条用来调整刀架与滑板导轨的间隙。

因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30°，回转刀架的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止其下滑，故机床依靠ac伺服电动机的电磁制动来实现自锁。

本发明中进给传动系统具有以下优点：

1、采用以摩擦得传动副。如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小磨擦力。

2、选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。

3、缩短传动链以及用预紧的方法提高系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等方法来提高转动系统的刚度。

4、尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器，采用有消除间隙措施的传动副等。

附图说明

图1是x轴进给装置示意图。

图2是图1中a-a剖面结构示意图。

图3是图1中b-b剖面结构示意图。

图4是x轴进给装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，对采用步进电动机驱动的开环控制系统尤其如此。无论对点位、直线控制系统，还是轮廓控制系统，传动精度和定位精度都是表征数控机床性能的主要指标。设计中，通过在进给链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等方法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。由此可见，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服传动机构的精度，是影响工作精度的主要因素。

伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达到3~6000mm/min。为了完成精密定位，伺服系统得低速趋近速度达0.1mm/min；为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达15m/min。在多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方向的运动速度也要配合适当；这是对数控系统合伺服进给系统提出的共同要求。

快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高进给系统的快速响应特性。

进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各个传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此应尽量消除传动间隙，减小反向死去误差。设计中可采用消除间隙的联轴器及有间隙措施的传动副等方法。

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振的。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，及各传动部件保持其原来制造精度的能力。设计中各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠和传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。

数控机床属于高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂件的生产加工，机床的开机率相应就高，因此，进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。

位置检测是cnc系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，如有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。

为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。一般要求测量元件的分辨率在0.0001mm~0.01mm之内，测量精度为0.001mm~0.02mm，运动速度为0m/min~24m/min。

数控机床对位置检测装置的要求如下：

（1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；

（2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求；

（3）使用维护方便，适应机床工作环境；

（4）成本低。

2、位置检测装置的分类

按工作条件和测量要求的不同，测量方式也有不同的划分方法。

（1）直接测量和间接测量

测量传感器按形状可以分为直线性和回转型。若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标，即直线型传感器测量直线位移，回转型传感器测量角位移，即该测量方式为直接测量。典型的直接测量装置为光栅、感应同步器或磁尺、编码盘。

若回转型传感器测量的角位移只是中间量，由它再推算出与之对应的工作台直线位移，那么该测量方式为间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动链两者的精度。典型的间接测量装置为编码盘及旋转变压器。

（2）增量式测量和绝对式测量

按测量装置编码的方式可以分为增量式测量和绝对式测量。增量式测量的特点是只测量位移增量，即工作台每移动一个测量单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。典型的增量式测量装置为光栅和增量式光电码盘。

绝对式测量的特点是被测的任一点的位置都有一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值。典型的绝对式测量装置为接触式码盘及绝对式光电码盘。

（3）数字式测量和模拟测量

数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。数字式测量的特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示出理，典型的数字式测量装置有光电码盘、接触式码盘、光栅等。

模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示。如用电压变化，相位变化来表示。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器、磁栅等。

数控机床常用的各种位置检测装置如表所示：

此次设计数控车床主轴和进给装置的位置检测装置采用脉冲编码器，它是一种旋转式脉冲发生器。下面对脉冲编码器进行介绍：

（二）脉冲编码器

1、脉冲编码器的分类

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角转化为脉冲。是数控机床上应用广泛的位置检测装置，同时也作为速度检测装置用于速度检测。

根据脉冲编码器的结构，脉冲编码器分为光电式、接触式、电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其它两种。数控机床上常用的是光电式脉冲编码器。

脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。数控机床上常用的脉冲编码器每转的脉冲数有：2000p/r、2500p/r和3000p/r等。在高速、高精度的数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码器，如：20000p/r、25000p/r和30000p/r等。

2、光电脉冲编码器的工作原理

当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗条纹。光电元件接受这些明暗相间的光信号，转换为交替变化的电信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号a和b，a和b信号的相位相差90°。经放大整形后变成方波形成两个光栅的信号。光电编码器还有一个“一转脉冲”，称为z相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。

脉冲编码器输出信号有a、a、b、b、z、z等信号，这些信号作为位移测量脉冲以及经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。

数控机床的进给传动机构，包括减速机构、丝杠螺母副以及引导和支承执行部件的导轨等。

此次设计中z轴和x轴进给传动机构中的减速机构都使用同步带传动，它是一种新型的带传动，它利用齿形带的同步与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动和链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且同步带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；同步带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率高，在数控机床上亦有应用。

数控车床的进给传动系统是控制x、z坐标轴的伺服系统的主要做成部分。它将伺服电动机的旋转运动转化为刀架的直线运动，而且对移动精度要求很高，x轴最小移动量为0.0005mm(直径编程)，z轴最小移动量为0.001mm。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。另外，消除丝杠螺母的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。

数控车床的进给系统采用伺服电动机驱动，通过滚珠丝杠螺母带动刀架移动，所以刀架的快速移动和进给运动均为同一传动路线。

此设计数控车床的进给传动系统分x轴进给传动和z轴进给传动。x轴进给由功率为0.9kw的交流伺服电动机驱动，经20/24的同步带轮传动到滚珠丝杠上，螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6mm。

z轴进给也是由交流伺服电动机驱动，经24/30的同步带轮传动到滚珠丝杠上，其上螺母带动滑板移动。该滚珠丝杠螺距为10mm,电动机功率为1.8kw。

如图1所示是数控车床x轴进给传动装置的结构图。如图所示，ac伺服电动机经同步带轮和同步带带动滚珠丝杠回转，其上螺母带动刀架沿滑板的导轨移动，实现x轴的进给运动。电动机轴与同步带轮用键连接。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母进行预紧。其后支承为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母进行预紧。这种丝杠两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，但是可以保证和提高丝杠的轴向刚度。脉冲编码器安装在伺服电动机的尾部。图中有缓冲块，在出现意外碰撞时起保护作用。

a-a剖面图表示滚珠丝杠前支承德轴承座用螺钉固定在滑板上。滑板导轨如b-b的剖视图所示为举行导轨，镶条用来调整刀架与滑板导轨的间隙。

因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30°，回转刀架的自身重力使其下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁阻止其下滑，故机床依靠ac伺服电动机的电磁制动来实现自锁。

数控车床z轴进给传动装置如图2所示。ac伺服电动机经同步带轮以及同步带传到滚珠丝杠上，有螺母带动滑板连同刀架沿床身的矩形导轨移动，实现z轴的进给运动。电动机轴与同步带轮之间用锥环无键连接，锥面相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，法兰的端面压迫外锥环，使其向外膨胀，内锥环受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与同步带轮连接在一起。这种连接方式无需在被连接件上开键槽，而且两锥环的内外圆锥面压紧后，使连接配合面无间隙，对中性较好。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。

滚珠丝杠的左支承由三个角接触球轴承组成。其中右边两个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由螺母进行预紧。滚珠丝杠的右支承为一个圆柱滚子轴承，只用于承受径向载荷，轴承间隙用螺母来调整。滚珠丝杠的支承形式为左端固定，右端浮动，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。丝杠上有缓冲挡块，起超程保护作用。b向视图中的螺钉将滚珠丝杠的右支承轴承座固定在床身上。

图中2所示，z轴进给装置的脉冲编码器与滚珠丝杠相连接，直接检测丝杠的回转角度，从而提高系统的z向进给的精度控制。