数控进给机构设计系统的开发

2 0 1 2年 1 1 月 第 4 0卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS NO V 2 0 1 2 Vo 1 4 0 No 2 2 D o I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 2 0 0 7 数控进给机构设计系统的开发 刘艳香 青岛科技大学机电学院机 自系 山东青岛2 6 6 1 0 0 摘要 为了提高数控进给装置的设计效率并能满足其静动态特性的设计要求 基于 V B和 M a t l a b平台开发 了数控进给 机构设计系统 该系统的设计原理是 依据传统零部件设计理论 在获得各个传动部件的静态参数基础上建立动态特性数 学模型 通过优化设计和系统动态仿真与评价再反馈给设计系统 如此反复校正直到结构 尺寸 动力学特性等符合系统 设计要求 实例证明该系统运行效果良好 为后续整个进给系统的控制和校正提供了依据 关键词 进给驱动装置 设计系统 动态特性 优化设计 中图分类号 T G 5 1 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 2 0 1 9 3 De v e l o p me n t o f De s i g n S y s t e m o f CNC Fe e d Dr i v e r s LI U Ya n x i a n g C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 1 0 0 C h i n a A b s t r a c t T h e d e s i g n s y s t e m f o r c o mp u t e r n u m e fi c M c o n t r o l C N C f e e d d ri v e r s w a s d e v e l o p e d b a s e d o n V B a n d M a t l a b s o f t wa r e i n o r d e r t o i mp mv e t h e d e s i g n e ffic i e n c y a n d b e a b l e t o me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s o f i t s s t a t i c and d y n a mi c p e rfo r manc e s y n c h r o n o u s l y Th e d e s i gn p ri n c i p l e s for t h i s s y s t e m we r e a c c o r d i n g t o t h e t r a d i t i o n a l ma c h i n e r y p a r t s d e s i g n t h e o ry b a s e d o n o b t a i n i n g t h e s t a t i c p ara me t e r s o f e v e ry g e a r i n g c o mp o n e n t s S O d y n a mi c p e r f o rm an c e ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s e s t a b l i s h e d B y o p t i mi z i n g t h e d e s i g n and f e e d i n g b a c k a g a i n t o t h e s y s t e m t h r o u g h d y n a mi c s i mu l a t i o n a n d e s t i ma t i n g a n d r e p e a t i n g c o r r e c t i o n i n s u c h a w a y u n t i l p a r a me t e rs w e r e fi n i s h e d u p t o d e s i gn r e q u i r e me n t s i n t h e s t r u c t u r e d i me n s i o n d y n a mi c p e rf o r ma n c e a n d S O o n E x a mp l e s p mv e t h a t t h e d e s i gn s y s t e m h a s run w e l l i n e ff i c i e n c y a n d l a i d r e f e r e n c e for t h e f o l l o w i n g u p c o n t r o l and a d j u s t me n t o f t h e w h o l e f e e d s y s t e m Ke y wo r d s F e e d d r i v e r De s i g n s y s t e m Dy n a mi c p e rf o rm a n c e Op t i mu m d e s i gn 当前由于各种先进数控加工技术的出现 对数控 进给系统的要求越来越高 在满足几何结构 尺寸和 运动学要求的情况下 其动态特性将对机床的加工质 量和效率产生不可忽视的影响 这就要求在对数控进 给驱动系统进行设计时不能只是从传统角度孤立 静 态地设计 而应该从系统的角度考虑动态和整体的设 计 目前很多企业在进行数控进给驱动系统设计时 设计人员大多根据经验进行类 比和简单的计算设计 原因是现代的设计方法 固然先进但需理论知识丰富 计算手段高级 实验测试手段必须同步跟上 这在企 业很难实现 同时也造成了设计上的片面性 所以开 发一个简易但合理实用开放的设计平台 把先进的设 计 复杂的计算方法和丰富的实践经验融合在一起 同时又能实现进给系统的静动态的同步设计 这将大 大提高进给系统的性能和设计效率 1 系统整体方案的设计 该系统的主要设计思想就是在传统静态设计基础 上获得各个传动部件的参数进而建立动态特性数学模 型 通过优化设计 系统仿真和评价再反馈给设计系 统 如此反复校正直到结构 尺寸 布局 动力学特 性等符合系统设计要求 其设计实施方案如图 1 所示 传 动 方 式 的 选 取 l 计任务的原始参数输 t l 系 统 对 各 部 分 传 动 部 件 的 计 算 和 校 核I t l 优 化 设 计 I I 小 型 专 家 系 统 i I 建 立 零 部 参 数 数 据 库 I I 建 立 系 统 动 态 数 学 模 型 l l系 统 动 态 特 性 的 仿 真 和 评 价 l N l 图 1 系统设计整体方案 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 4 作者简介 刘艳香 1 9 7 6 一 女 硕士 讲师 主要从事机电一体化研究 E m a i l s d q u s t l y x 1 6 3 c o rn 2 0 机床与液压 第 4 O卷 其中 优化设计模块主要完成系统的整体优化 由于根据系统的设计要求对传动各个零部件如滚珠丝 杠副 齿轮副等单独设计时 部分参数的选择采用了 试凑法 同样 在满足设计要求时系统的部分性能不 一 定为最佳 所以在给定设计变量和约束条件下进而 确立优化 目标函数 避免了试凑的不确定性 也使得 系统性能更进一步优化 而小型专家系统是针对数控 机床进给传动系统专门开发的另一系统 专家知识 库 在进给机构设计中企业人员积累大量的实践知识 和数据 而这些在设计 中又有一定的模糊性和个人设 计的局限性 要解决好数据收集整理 和应用 的瓶颈问 题 无疑建立专 家系统是个很好的选 择 2设计平台的创建 数控进给传动系统无论是其静态零部件的设计还 是其动态仿真都应用到大量的公式计算 同时还应有 友好的人机交互界面输入所需的设计参数 以及面向 工厂实践的开放易操作性 所以该开发平台选择了成 熟易懂的 V B语言做为集成开发环境 利用 M a t l a b强 大的运算能力和完善的仿真环境来完成系统复杂的计 算 校核 优化和仿真等 实践证明 V B与 M a t l a b 两者采用 A c t i v e X技术进行数据的交互在系统开发中 更为有效 2 1 传动 方案 的选定 目前 按结构形式来划分 进给驱动系统可分 为 滚珠 丝杠 进 给驱 动 直线 电机驱 动及 并联 虚拟 轴驱 动嵋 后两者 由于价格和技术上的不成熟性 在工厂 主要以前者为主 该驱动方式虽然受到速度加速度的 限制 以及易产生机械振动 但由于成本较低 工作 可靠对工件质量的变化不敏感等应用较为广泛 故文 中介绍的设计平台主要针对滚珠丝杠进给驱动方式进 行设 计 2 2 零部 件的设 计 滚珠丝杠进给驱动有 3 种 常用形式 即带有齿 轮 传动的进给 经同步带轮传动的进给及电机通过联轴 器直接与丝杠联接的进给 而 3 种方式归结起来就 是电动机 带轮副 齿轮副 联轴节 滚珠丝杠螺母 副 导轨副等的设计 即便传动形式的不同 但系统 设计都可划分为以上几种模块并按进给驱动顺序进行 模块化 的设计 2 2 1 每一模块化设计的计算流程 零部件的设计主要依据了机械设计理论及机械设 计手册中的设计方法 其主要流程是 首先根据用户 的设计要求 分别对各个零件进行初步计算 在优化 的基础上根据计算结果初步选型 最后进行优化校 核 如果校核通过即计算完成 否则重新计算 直至 校核通过 同时该设计过程也是与专家系统不断交互 的过 程 机构设计所需的设计方法 计算公式的选择以及 计算结果的分析和校核都要通过人机和专家系统的交 互来完成 2 2 2 模块化设计 中的数据处理 首先 为保证数据的准确性并能及时反映用户要 求 在程序化计算前 将各模块用到的参数进行不同 等级的区域存储 这一步非常关键 因为每一机构设 计变量太多 同时一个参数可能贯穿几个设计流程 为避免混乱 必须有一个很好的参数管理体系 其次是机械设计数表的处理 在手工计算时 数 表 曲线 图表可 以手工去查 但程序计算时就必 须将这些资料加以程序化 存储在计算机的内存或外 存中去供设计时检索和调用 可将数表分为两大类 型 即函数表和非函数表 前者可以使用插值法或拟 合公式获得表中未注明的数据 而后者在系统中针对 一 维规则非 函数表 二维非 函数表 以及离散化数表分 别采取了不同的数据库查询与插值相结合的方法来进 行数据处理 最后对编程 中线图查询数据 的处理一般可采用拟 合 公式程序化或将线图离散化为数表 实际设计 中 后者的效率相对比较高 2 3 动力学数学模型的建立 准确建立传动系统的动态模型无疑是设计分析整 个进给伺服系统动态特性的基础 已有大量文献在此 建模方面做了很多工作 如有限元建模 多 自由度动 力学模型等 考虑到大量参数的识别 程序的可实 现性以及静动态特性的后续优化等问