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- 1 - 數控機床 數控機床是 20世紀 50年代初期發(fā)展起來的一種應用數控技術解決機械加工過程的新型自動化機床。隨著現代機械制造業(yè)向更高層次發(fā)展，它已成為柔性制造單元 (ＦＭＣ )、柔性制造系統 (ＦＭＳ )以及計算機集成制造系統 (Ｃ 的基礎裝備之一。作為數控機床的關鍵技術，數控技術是機械專業(yè)的工科大學生必備的專業(yè)技能之一。 一、數控機床的組成 機床的數控技術包括機床、數控系統和外圍技術，其組成見表： - 2 - 數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統、測量反饋裝置和機床主機組成?，F對各組成部 分簡介如下： 1、控制介質 數控機床加工時，所需的各種控制信息要靠某種中間載體攜帶和傳輸，這種載體稱作控制介質。控制介質是存儲數控加工所需的全部動作和刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序。 控制介質有多種，如穿孔帶、穿孔卡、磁帶及磁盤等，也可通過通信接口直接輸入所需各種信息，采用何種控制介質則取決于數控裝置的類型。 2、 數控裝置 數控裝置是數控機床的核心，是高技術密集型產品。它集成了微電子技術、信息技術、自動控制技術、驅動技術、監(jiān)控檢測技術、軟件工程技術和機械加工工藝知識。數控機床正是它 的控制下，按照給定的程序自動地對機械零件進行加工。自 20 世紀 50 年代數控機床問世以來，數控裝置已由 展到 別是微處理器和微型計算機在數控裝置上成功的應用后，使計算機數控裝置的性能和可靠性不斷提高，成本不斷下降，其高性能價格比促進了數控機床的迅速發(fā)展。 裝置由硬件和軟件組成。 硬件為一專用計算機，由軟件來實現部分或全部數控功能，通過改變軟件很容易更改或擴展其功能。 裝置的基本功工作有：輸入、譯碼、刀具補償、進給速度處理、插補、位置控制、處理、顯示和診斷等，它具備的主要功能如下： (1) 多坐標控制（ 多軸聯動） (2) 實現多種函數的插補； (3) 多種程序輸入（人機對話、手動數據輸入，由上級計算機及其它計算機設備的借口輸入），以及編輯和修改。 (4) 信息轉換； (5) 補償（刀具半徑補償，刀具長度補償，傳動間隙補償，螺距誤差補償等）； - 3 - (6) 多種加工方式選擇； (7) 故障自診顯示； (8) 通信和聯網。 3、伺服系統 機床伺服系統是數控裝置與機床的連接環(huán)節(jié)，它是以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，用來接受數控裝置（或計算計）插補生成的進給脈沖或進給位移量，驅動機床執(zhí)行機構運動。它包括主軸驅動單元（主要是速度控制）、進給驅動單元 、主軸電機和進給電機等。一般來說，數控機床的伺服系統要求有良好的快速相應性能，進給速度范圍要大，靈敏而準確的跟蹤指令功能和轉速，在較大范圍內有良好的工作穩(wěn)定性?，F在用的是直流伺服系統和交流伺服系統，且交流伺服系統正在取代直流伺服系統。 4、測量反饋裝置 該裝置可以包括在伺服系統中。它由檢測元件和相應的電路組成，其作用主要是檢測速度和位移，并將信息反饋回控制系統，構成閉環(huán)控制。無測量反饋裝置的系統成為開環(huán)系統。常用的測量元件有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺及激光位移監(jiān)測系統。 5、機床主機 主 機是數控機床的主體，包括床身、箱體、導軌、主軸、進給機構等機械部件。數控機床的結構有下面幾個特點： （ 1） 由于采用了高性能的主軸進給伺服驅動裝置，簡化了數控機床的機械傳動結構，傳動鏈較短。 （ 2） 數控機床的機械結構具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能，適應連續(xù)自動化加工。 （ 3） 較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌、靜壓導軌等。 - 4 - 二、 數控機床的特點 1、 工對象改型的適應性強 由于在數控機床上改變加工件時，只需要重新編制程序，更換一條新的穿孔紙帶或者手動輸入就能實現對零件的加工。它不同于 傳統的機床，不需要制造、更換許多工具、夾具和模具，更不需要重新調整機床。因此數控機床可以很快的從加工一種零件轉變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單件、小批量以及試制新產品提供了極大的便利。它縮短了生產準備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費用。對于使用點位控制系統的多孔零件的加工，當需要修改設計，改變其中某些孔的位置和尺寸時，只需局部修改增刪孔帶的相應部分，花費很短的生產準備時間就可以把修改后的新產品制造出來，為產品結果的不斷攻心提供了有利條件。 精 度高 數控機床是按以數字形式給出的指令進行加工的，由于目前數控裝置的脈沖當量普遍達到了 且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數控裝置進行補償，因此，數控機床能達到較高的加工精度。對于中小型數控機床，定位精度普遍可達到 復定位精度為 因為數控及傳動系統與機床的結構都具有很高的剛度和熱穩(wěn)定性，而且提高了它的制造精度，特別是數控機床的自動加工方式避免了生產者的人為操作誤差，同一批加工零件的尺寸一致性好，產品合格率高，加工質量十分穩(wěn)定。 在采用點位控制系統的鉆孔加工中，由于不需要使用鉆模板與鉆套，鉆模板的坐標誤差造成的影響也不復存在 。又由于加工中排除切削的條件得以改善，可以進行有效的冷卻，被加工孔的精度及表面質量都有所提高。對于復雜零件的輪廓加工，在編制程序是已考慮到對進給速度的控制，可以做到在曲率變化時，刀具沿輪廓的切向進給速度基本不變，被加工表面就可獲得較高的精度和表面質量。 3、 產率高 零件加工所需要的時間包括機動時間和輔助時間兩部分。數控機床能夠有效的減少這兩部分時間，因而加工生產率比一般機床高得多。數控機床主軸轉速和進給量的范圍比普通機床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削量，良 - 5 - 好的結構剛性允許數控機床進行大切削用量的 強力切削，有效的節(jié)省了機動時間。數控機床移動部件的快速移動和定位均采用了加速與減速措施，因而選用了很高的空行程運動速度，消耗在快進、快退和定位的時間要比一般機床的少得多。 數控機床在更換被加工零件是幾乎不需要重新調整機床，而零件又都安裝在簡單的定位加緊裝置中，用于停機進行零件安裝調整的時間可以節(jié)省不少。 數控機床的加工精度比較穩(wěn)定，在穿孔帶經過校驗以及刀具完好的情況下，一般只作首件校驗或工序間關鍵尺寸的抽樣檢驗。因而可以減少停機檢驗的時間。因此數控機床的利用系數比一般機床的高得多。 在使用帶有刀庫和自動換刀 裝置的數控加工中心機床時，在一臺機床上實現了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉時間，生產效率的提高更為明顯。 操作者的勞動強度 數控機床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了安放穿孔帶或操作鍵盤，裝卸零件、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到相應的改善。例如電子工業(yè)中印刷電路板的鉆孔，如果在臺式鉆床上進行手動加工，單調頻繁的手工操作很容易造成工人視覺的極度疲勞，從而產生不少差錯，因此通常很難進行一小時以上的 連續(xù)操作。當采用高速數控鉆床時，就能根本的改善操作者的勞動條件。 良好的經濟效益 使用數控機床加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是較昂貴的。但在單件、小批量生產情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能夠獲得良好的經濟效益。 使用數控機床，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上以后可以減少調整、加工和檢驗時間，減少了直接生產費用。另一方面，由于數控機床加工零件不需要手工制作模型，凸輪、鉆模板及其它工夾具，節(jié)省了工藝裝備費用。還由于數控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，使生產成本進一步降低。 6、有利 于生產管理 - 6 - 用數控機床加工零件，能準確的計算零件的加工工時，并有效的簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產管理現代化。 數控機床使用數字信息與標準代碼輸入，最適宜于與數字計算機聯系，目前已成為計算機輔助設計、制造及管理一體化的基礎。 三、數控機床的應用范圍 數控機床確實存在一般機床不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點是以一定條件為前提的。數控機床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數控機床通常最適合加工具有以下特點的零件： 品種小批量生產的零件 圖 1 表示了三類機床的零件加工數量與綜合費用的關系。從圖中看出零件加工批量的增大對于選數控機床是不利的。原因在于數控機床設備費 用高昂，與大批量生產采用的專用機床相比，其效率還不夠高。 2、結構比較復雜的零件 圖 2 表示了三類機床的被加工零件復雜程度與零件 批量大小的關系。通常數控機床適宜于加工結構比較復雜，在非數控機床上加工是需要有昂貴的工藝裝備（工具、夾具和模 具）的零件。 繁改型的零件 在國防與尖端工業(yè)部門中，零件頻繁改型的必要性是眾所周知的。在民用工業(yè)部門中引入了競爭機制，市場上銷售的產品也必須不斷更新，這就為數控機床提供了用戶。它節(jié)省了大量的工藝裝備費用， - 7 - 使綜合費用下降。 價值昂貴，不允許報廢的關鍵零件 需要最少生產周期的急需零件 廣泛推廣數控機床的最大障礙是設備的初始投資大，由于系統本身的復雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務，往往不能及時排除設備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產費用。 位置控制系統是數控機床的一個 重要部分， 現在介紹 其 控制 的具體原理。 位置控制伺服機構，將施加在當得指揮站里操作輪上的運動在某個遙遠的地方再現出來。輸入運動可被用來將一個很重的物體移動到一個期望的位置上，于是指令的功率放大與精確再現是必不可少的。 信號可以通過機械連接或通過液壓導管、氣動導管或電纜直接傳送。與機械連接不同，最迅速的傳送方式是電連接，這是非常普遍的，盡管并不總是如此。當它被應用時，機械輸入與輸出信號首先被轉換成一定比例的電信號，然后通過導線將其傳送到比較裝置上，比較裝置會產生一個正比于誤差的信號。 低功率的誤差信號被送到放大 器，放大器從外部電源獲得功率并將可控的功率傳送到電動機。 傳感器與比較器元件的組合構成了誤差監(jiān)測器，放大器就是控制器，電動機與它的變速箱構成了輸出元件。如果電動機是用電的，那么放大器可以是純電的。若電動機是液壓的或氣動的，那么放大器必須是電 氣的。 需強調的是，這個系統的任務就是供可旋轉的物體盡可能的復現操作輪的運動。先考慮當物體一開始處于靜止狀態(tài)，操作輪的位置被非常快的轉動一個角度i? 后，將會出現什么情況。該物體一開始沒有速度并且輸出位置 0? 是零，于是一個信號 立刻會出現在放大器的輸入端上；放大器的輸出被傳送到電動機上，電動機隨后驅動這個物體使誤差減少。當 0? 接近 i? 時，誤差變得很小，于是傳送到電動機上的功率也隨著減小。所涉及的系統通常是物體恰好超過所要求的位置 ,既然 0? 此時比 i? 大，誤差變負，電動機使 物體停止并且改變方向。在物體最終穩(wěn)定在所要求的位置之前，可能會產生達到給定位置或進一步超過給定值 - 8 - 的現象。只有當完全一致時，放大器的輸入才為零，電動機被迫朝一個方向或另一個方向轉動直至所有的運動都停止。因此只有放大器的輸入信號為零時（即當輸入為質量權與指令一樣時），電動機才會停止工作。 從上面的討論我們可以知道，除非精心設計，否則相當有可能在期望位置附近震蕩加劇而不是快速衰減。震蕩加劇的系統是不穩(wěn)定的，因此在控制工程中的許多設計工作都與產生一個穩(wěn)定的系統有關。當然，使黨的穩(wěn)定性僅僅是幾個要求中的 一個。另一項要求是如實的復現各類輸入信號。圖 4 所使得系統不可能在任何程度上復現輸入位置突然變化。另一類輸入指令可能由恒角速度的操縱輪運動構成。那么這個系統將具有震蕩的瞬態(tài)相應，物體中會穩(wěn)定在與指令相同的速度上，但是在位置上角度輸入有一個小的角度滯后。輸入與輸出位置之間的細微差別將具有這樣的數量級，使得電機產生一個足以使物體克服摩擦力矩并以所需的速度轉動的輸出力矩。誤差不能為零，否則電動機將會停止并且新的誤差又會重新產生。 因此很明顯，在靜止條件下當輸出 0? 自動地與指 令 i? 一致時，在動態(tài)條件下，輸出運動只會逼近指令的運動。然而這個逼近程度通常相當高，足以克服許多物理問題。例如，某些型自動制的仿行銑床的跟蹤精度已達到 寸。 定位控制系統的另一項任務是在負載劇烈變化干擾下，它必須有能力保持輸出位置與指令相等。例如，無論是否存在隨即陣風，發(fā)射架必須要與期望方向保持一致。如果進行正確的設計，圖 4 所市的位置控制系統將能過實現相當好的調整用以抵消這類負載的擾動，但是一個固定的負載擾動將會在輸出和指令之間不可避免的產生一個小的角偏 差。在系統中，如果這種角偏差不容許的，那么必須用更復雜類型的控制器。 - 9 - NC C as a in 0s of 0th C to of NC of As C NC is of of a to to It to s is by to to of as 1- 10 - of on of of as is is in it is so of of to be by 2he is is It is to to on 0's 0 to s is NC C. of to to to up of is by NC is a or by to be to or to so It is as (1) (2)of - 11 - (3) of by As as 4) (5)so (6) (7)8) 3he is It is on of as of NC to or of or It In of a in of a to is is 4be in It of is to to No is 5C is As a of NC a - 12 - of of of as as NC of As C to of a or we be to of It is of a of no C a a of It a of of of to a on be to 2on in of C up C be NC NC be NC a to a of of is of of of - 13 - to to of be be be of of is be in to is be 3s of is of to of NC a of a by of is to a of a in of in a to of of 4s NC is to to as as to on in If on - 14 - is to in so a of It is or of NC be to s 5to in so a to in as NC as NC 6it is to a to an of to to of to s he to as on is to it of in to of is by 1- 15 - of of to an of NC in a to a of to to a 2 of of of a in is 3to n is in in NC It a of 4no 5at an NC to as of It in f sale