基于国产数控机床机电匹配性研究.pdf

基于国产数控机床机电匹配性研究 童国荣 孙 正宏 朱 宏杰 王战勇 汉川数控机床股份公司， 陕西 汉中 7 2 3 0 0 3 摘要 国家数控机床专项“ 汉川机床采用国产数控 系统加工大型机床零件应用示范工程” 之科研任务“ 国 产数控机床机 电匹配性研究” 。其 实质是数控机床进给 系统 的转矩匹配和惯量匹配问题之研究。 数控机床进给 系统的惯量 匹配严重地影响着数控机床的性能、 功能以及精度保持性、 性能稳定性 ， 文 章对此进行了分析研究。 关键词 数控机床转矩匹配-惯量匹配 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A S t u d y o f e l e c t r o me c h a n i c a l ma t c h i n g b a s e d o n d o me s t i c CNC ma c h i n e T O N G G u o r o n g ， S U N Z h e n g h o n g ， Z HU Ho n g j i e 。 WA N G Z h a n y o n g H a n c h u a n C N C Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， H a n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C H N A b s t r a c t “ S t u d y o f e l e c t r o m e c h a n i c a l m a t c h i n g b a s e d o n d o me s t i c C N C m a c h i n e ’ ’ i s t h e s p e c i a l p r o j e c t o f n a t i o n a l C N C m a c h i n e“ t h e d e mo n s t r a t i o n p r o j e c t o f H a n l a n d m a c h i n e a d o p t s d o m e s t i c C N C s y s t e m t o ma c h i n i n g l a r g e ma c hi ne p a rts ”．Es s e n t i a l l y，i t i s t h e s t u d y o f t o r q u e ma t c h i n g a n d i n e r t i a ma t c h i n g i n f e e d i n g s y s t e rn ，t h e i n e r t i a ma t c h i ng o f f e e d i n g s y s t e m s e r i o u s l y a f f e c t t h e p e r f o r ma n c e，f u n c t i o n，a c c u r a c y p r e s e r - v a t i o n a n d p e r f o r ma n c e s t a bi l i t y o f CNC ma c hi ne ．Th i s p a p e r a na l y z e d a bo u t t he p r o b l e m． Ke y wo r d sCNC Ma c h i n e；T o r q u e Ma t c hi n g；I n e r t i a Ma t c h i n g 国家数控机床专项“ 汉川机床采用 国产数控系统 加工大型机床零件应用示范工程” 提 出了“ 国产数控 机床机 电匹配性研究 ” 的科研任务 ， 其 目的主要是解 决数控机床进给系统的性能 、 功能以及精度保持性 、 性 能稳定性问题。那种受传统机床设计 思维 的影 响， 只 重视转矩匹配 ， 而忽视惯量匹配， 从而严重影响整机性 能 ， 是导致数控机床不能适应高速精密加工要求 的核 心问题 ， 本文据此展开分析研究 。 l 数控机床 的机 电匹配性 问题 的 引入 从有关的文献资料⋯可知 ， 较高 的“ 伺 服精度” 和 优异“ 瞬态 响应特性 ” 是 当今高速高精度大 型数控 机 床设计的追求 目标 ， 这就需要我们贯彻优 先考虑惯量 匹配 ， 转矩虽有所过剩 ， 但惯量匹配达到最佳状态这一 设计理念 ， 这对于提高数控机床零件加工几何精度 和 表面粗糙度 、 提高加工效率是相 当有利 的。从 牛顿定 律 可知 ．， 即 t， 车 M 一 Ⅱ ． 式 中 孕 为 角 加 速 度 ； M 为 电 动 机 的 转 矩 ， N ． m ； 为 n ． 折合到电动机轴的负载转矩 ， N m； I， 为总转动惯量 ， k g m ； 0 9 为角速度， 1 ／ s e c ； 为加减速时间， S 。 在采用数控机床对实际零件特别是模具加工过程 制造业 自动化 ， 2 0 1 0， 3 3 1 2 ． [ 7 ] 潘 勇 ， 袁 慧梅 ， 侯 长宏 ． 基 于 F P G A 的误码 仪 I P核 的设计 与 实 现 [ J ] ． 仪 表技术 与传感 器 ， 2 0 0 9 3 ． 第一作者 莫太平 ， 1 9 7 4年 生， 在读博士 ， 副教授 ， 硕士生导师， 主研领域为企业信息化管理 、 智能控制与 国家数控 机床专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 1 一 O 1 1 模 式识 别 、 嵌入 式 系统及 现 场总 线。 编辑孙德茂 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 0 文章编号 l 3 o 9 1 8 如果您想发表对本文的看法． 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 5 7 设计与研究 D e s ig n a nd R e s e a rc h 中， 经常会发现在加工路径曲率半径变化大时 ， 机械系 统发生冲击和振动、 加工表 面粗糙度差 、 轮廓误差大 、 拐弯时尖角铣不出来 、 两轴运行中出现不 同步 、 加工的 圆成为椭 圆等现象 ， 这些现象在全 闭环机床 中表现尤 为突出 ， 这就说 明式 1 中的角加速度 d ／ d 过小 ， 进 给系统的总惯量 I， 也不匹配。 2 数控机床 的机电 匹配性 问题 的研 究 当选定进给系统 的伺服 电动机后 ， 其转矩也就成 定值 了。式 1 中总惯量 ．， 是 电动机本身的惯量与折 合到电动机轴的负载惯量之和 ， 这一数值越小越有利 于调速 ， 瞬态响应越好 ， 伺服电动机加减速所需要的能 量越少。从文献 [ 1 ] 可知 ， 一般高速高精度机床 ， 负载 惯量不能超过电动机本身 的惯量 的 3倍 ， 而且二者 比 值越小越好 ， 这是数控机床进 给系统设计者需要解决 的首要问题 。 实际设计过程中， 减少折合 到电动机轴 的负载惯 量很多 ， 如利用有限元分析 ， 优化移动部件基础大件设 计 ， 使其重量减小 ； 大直径 的齿轮 ， 在 圆盘上挖 出分布 均匀的孔 ； 合理选择伺服电动机和滚珠丝杠螺距 ， 降低 丝杠转速等。 角加速度 d ／ d 越小 ， 则说明数控系统反应越慢。 如果角加速度发生变化 ， 则系统的反应将忽快忽慢 ， 从 而影响零件加工精 度。若希望 角加速度 的变化小 ， 应 要求总惯量 ．， 尽量小 ， 最好使其所 占比例小一些 ， 这是 设计 者要解 决 的又一 问题 ， 也 是数控 机床进 给系统 “ 惯量匹配” 必须遵循的原则。 前已述及的国家数控机床专项对伺服电动机在大 型数控机床的选用规则 、 机床伺服参数的调整规律 和 数控机床 的整体仿真 、 机 床的各类动态误差补偿算法 和补偿接 口进行了研究 ， 此外还对研究 了伺服环功能， 增加速度前馈 、 位置前馈功能 、 速度环比例项高速处理 功能， 提高伺服环 的响应周期 ； 研究 国产数控系统批量 化调整过程 中的一致性 问题 ， 比如 同一规格 的机床 ， 其伺服参数的一致性 问题。开发伺服 自调整工具 ， 通 过 网络与数控系统相连 ， 帮助机床调试人员高效 的完 成调试工作。所有这些也是为解决数控机床的机 电匹 配性问题的一些探索性研究。 3 机床-陕移时伺服 电机需要的最大输 出力矩 计算 我们知道 ， 选择交流伺服电动机时 ， 最大切削负载 转矩不能超过电动机的额定转矩。 已知进给系统移 动部件 的质量 m k g ， 加速度 n m S ， 导轨摩擦 系数 ， 重力加速度 g， 则移动部件加 速所产生的合力为 F 三m ， n g m g 2 式中 m 。为加速力 ； ， 哗为摩擦力 ； m g为重力 ， 只有垂 轴才会产生重力 ， 而且移动部件 向下运动为正 ， 移动部 件向上运动为负 。 又知滚珠 丝杠螺距 h mm 、 丝杠 的传动效 率为 卵， 则由移动部件的惯量加速所产生的加速力矩为 3 另机床坐标快速移动速度 V n ／ m i n ， 快移加速 时间 t Wa ， 滚珠丝杠螺距转速 N m ／ mi n 已知， 则丝 杠的角加速度 4 L 斗 已知滚珠丝杠直径选为 D m l n ， 滚珠丝杠的密度 k g ／ c m ， 螺纹部分长度 L mm ， 则滚珠丝杠 自身 的转动惯量为 ㈩ 故滚珠丝杠克服 自身惯量的加速力矩 t， 6 设滚珠丝杠与伺服 电动机之间的减速机构 的减速 比为 i ， 则按机床快移时 计算 电动机需要 的最大输 出力矩 为 7 l | I | 4 结语 通过以上论述和计算 ， 我们从理论上 、 从设计源头 上 、 从实施措施上系统地回答 了国家数控机床专项所 涉及生产示范线的数控机床机 电匹配问题。那么当批 量采用国产伺服电动机、 国产丝杠的情况如何 ， 这需要 我们始终不懈地贯彻“ 设计研究一 应用一 反馈一 改进 ” 的 理念 ， 通过长期的实验 、 验证来达到国产数控机床机电 匹配性之要求 。 参考文献 [ 1 ] F AN U C A C S E R V OMO T O R c t i s e r i e s [ z ] ． 2 0 0 9 ． [ 2 ] 机床设计手册 编写组 ． 机床设 计手册 [ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 1 9 7 9 ． [ 3 ] T H K综合产 品 目录[ z ] ． 2 0 0 9 ． 第一作者 童国荣， 男， 1 9 6 7年 生， 高级工程师， 长 期从事数控机床机械设计。 编 辑谭 弘颖 收 稿日 期 2 0 1 3 0 7 1 8 文章编号 1 3 0 9 1 9 如果您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 、 cu 0 o 平 弟 删