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數控機床的認識 什么是數控機床 用專業(yè)術語來說 數控機床即 數字程序控制機床 NumericallyControlledMachineTool 是用數字和字母形式來表達工件的形狀和尺寸等技術要求及加工工藝要求 經過數控裝置運算 用數字代碼信息 程序指令 控制刀具按給定的工作程序 運動速度和軌跡進行自動加工的機床 數控機床的認識 NC是NumericalControl 數值控制裝置 的縮寫 是自動地控制機床的工作臺 刀架號等位置和速度的裝置 NC以前是由晶體管 IC等電子元件構成的 隨著微型計算機的出現 由它組成了NC并進一步商品化 把這種NC稱為CNC ComputerizedNumericalControl CNC的第一個C是內裝計算機的意思 數控機床的認識 數控機床特指那些只能完成車 銑 鏜 磨 鉆等單一工序的數控機床 在類型上可分為 數控車床 CNC車床 數控銑床 CNC加工中心 數控鏜床數控磨床數控鉆床等等 CNC加工中心 NC加工中心其實就是內裝計算機 備有自動換刀裝置的數控機床 其控制系統能控制機床自動換刀 連續(xù)地按一定程序對各個加工面自動地完成銑削 鏜削 鉆孔 攻絲等多工序加工的數控機床 CNC車床 CNC車床也是內裝計算機 備有自動換刀裝置的數控機床 其控制系統能控制機床自動換刀 連續(xù)地按一定程序對各個加工面自動地完成車削加工的數控機床 數控機床的主要性能指標 定位精度 定位精度是機床工作臺等移動部件在確定的終點所能達到的實際位置的精度 其誤差是機床的定位誤差 重復定位精度 指在同一臺數控機床上 應用相同的程序相同的代碼加工一批零件所能達到的連續(xù)結果的一致程度 其誤差為重復定位誤差 分度精度 分度精度是指分度工作臺在分度時 理論要求回轉的角度值和實際的角度的差值 其誤差為分度誤差 分辨率與脈沖當量 是指數控機床所能反映到的機床移動部件上的最小移動量 即最小脈沖當量 數控裝置邏輯圖 光電閱讀機 譯碼器 輸出裝置 伺服系統 MT 存儲器 主控制器 顯示器 檢測裝置 NC程序 運算器 數控機床的構成 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 鍵盤 磁盤機等 可用串行通信的方式輸入 配有CRT顯示器或點陣式液晶顯示器 可顯示較豐富的信息 并能顯示圖形 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 CNC系統的核心 主要包括微處理器CPU 儲存器 局部總線 外圍邏輯電路以及與CNC系統的其它組成部分聯系的接口等 CNC系統完全由軟件處理數字信息 因而具有真正的柔性化 可處理邏輯電路難以處理的復雜信息 使數字控制系統的性能大大提高 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 一種以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計 分內裝型 集成型 和外裝型 獨立型 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 是CNC和機床本體的聯系環(huán)節(jié) 它把來自CNC裝置的微弱指令信號放大成控制驅動裝置的大功率信號 根據接收指令不同 可分脈沖式和模擬式 模擬式按電源種類可分直流伺服單元和交流伺服單元 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 把經放大的指令信號變?yōu)闄C械運動 通過簡單的機械連接部件驅動機床 使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動 最后加工出圖紙所要求的零件 和伺服單元相對應 驅動裝置有步進電機 直流伺服電機 交流伺服電機等 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 合稱伺服驅動系統機床工作的動力裝置 CNC裝置的指令要靠伺服驅動系統付諸實施 從某種意義上說 數控機床功能的強弱主要取決于CNC裝置 而數控機床性能的好壞主要取決于伺服驅動系統 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 CNC機床由于切削用量大 連續(xù)加工發(fā)熱量大等因素對加工精度有一定影響 加之在加工中是自動控制 不能像在普通機床上那樣由人工進行調整 補償 所以其設計要求比普通機床更嚴格 制造要求更精密 采用了許多新的加強剛性 減小熱變形 提高精度等方面的措施 數控機床的組成 輸入 輸出設備CNC裝置可編程控制器 PLC 伺服單元驅動裝置 執(zhí)行機構 電氣控制裝置輔助裝置機床本體測量裝置 又稱反饋元件 安裝在機床的工作臺或絲杠上 相當于普通機床的刻度盤和人的眼睛 把機床工作臺的實際位移轉變成電信號反饋給CNC裝置 供CNC裝置與指令值比較產生誤差信號 以控制機床向消除該誤差的方向移動 高性能數控機床的重要組成部分 由測量裝置和顯示環(huán)節(jié)構成的數顯裝置 可以在線顯示機床移動部件的坐標值 大大提高工作效率和工件的加工精度 數控機床的分類 數控系統控制特點可分為 點位控制直線控制輪廓控制 連續(xù)軌跡控制 只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位 然后進行定點加工 而點與點之間的路徑不需控制 如 數控鉆床 數控鏜床 數控坐標鏜床 數控系統控制特點 點位控制直線控制輪廓控制 連續(xù)軌跡控制 除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外 還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削如 平面銑削用的數控銑床 階梯軸車削和磨削用的數控車床 數控磨床等 數控系統控制特點 點位控制直線控制輪廓控制 連續(xù)軌跡控制 能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動 為使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓 數控裝置具有插補運算的功能 使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線 并協調各坐標方向的運動速度 以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度 如 能加工曲面用的數控銑床 數控車床 數控磨床 加工中心等 按照伺服系統的類型可分為 開環(huán)伺服機構半閉環(huán)伺服機構全閉環(huán)伺服機構 由步進電機驅動線路和步進電機組成 每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度 通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離 沒有檢測反饋裝置 控制精度取決于步進電機和絲杠的精度 比較簡單 工作穩(wěn)定 易掌握使用 但精度和速度的提高受到限制 伺服系統的類型 開環(huán)伺服機構半閉環(huán)伺服機構全閉環(huán)伺服機構 由比較線路 伺服放大線路 伺服馬達 速度檢測器和位置檢測器組成 位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部 利用絲杠的回轉角度間接測出工作臺的位置 所能達到的精度 速度 和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構 為大多數中小型數控機床所采用 因信號易檢測 閉環(huán)中要素少 系統單純 使其控制穩(wěn)定 而易設計成反應快的伺服系統 伺服系統的類型 開環(huán)伺服機構 半閉環(huán)伺服機構全閉環(huán)伺服機構 工作原理和組成同半閉環(huán) 位置檢測器安裝在工作臺上 可直接測出工作臺的實際位置 反饋精度高于半閉環(huán)控制 掌握調試的難度較大 常用于高精度和大型數控機床 不同伺服系統的比較 CNC輸出 位置控制單元 速度控制 執(zhí)行電動機 工作臺 測量反饋單元 半閉環(huán) 編碼器 閉環(huán) 光柵尺 數控程序 編碼器和光柵尺是一種位置檢測元件是數控機床的一種重要的組成部分它的主要作用是檢測位移量并發(fā)出反饋信號與數控裝置與數控裝置發(fā)出的指令信號相比較若有偏差 經放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運動直到偏差為零位止 數控機床的特點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度成本高要求管理和操作人員素質高 數控機床的優(yōu)點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度 由于能實現多個坐標的聯動 所以能完成復雜型面的加工 對于可用數學方程式和坐標點表示的形狀復雜的零件 加工非常方便 當改變加工零件時 只需要更換零件加工的NC程序 不必用凸輪 靠模 樣板或其它模具等專用工藝裝備 且可采用成組技術的成套夾具 因此 生產準備周期短 有利于機械產品的迅速更新換代 數控機床的優(yōu)點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度 對于同一批零件 由于使用同一機床和刀具及同一加工程序 刀具的運動軌跡完全相同 且數控機床是根據數控程序自動進行加工 可以避免人為的誤差 這就保證了零件加工的一致性好且質量穩(wěn)定 數控機床的優(yōu)點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度 可采用較大的切削量 有效地節(jié)省了機動工時 有自動換速 自動換刀和其他輔助操作自動化等功能 使輔助時間大為縮短 而且無需工序間的檢驗與測量比普通機床的生產率高3 4倍甚至更高時間利用率90 普通機床30 50 數控機床的優(yōu)點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度 一般在0 005 0 1MM之間 加工精度不受零件復雜程度的影響 機床傳動鏈的反向齒輪間隙和絲杠的螺距誤差等都可以通過數控裝置自動進行補償 其定位精度比較高 同時還可以利用數控軟件進行精度校正和補償 友佳機床0 005MM以內 數控機床的優(yōu)點 適應性強加工質量穩(wěn)定生產效率高加工精度高減輕勞動強度 在輸入程序并啟動后 就自動地連續(xù)加工 直至零件加工完畢 簡化了工人地操作 使勞動強度大大降低 數控機床的缺點 初期投資比較大 成本高 要求管理和操作人員素質高 數控機床主要部份介紹 底座 整臺機床的主體 支撐著機臺的所有重量 數控機床主要部份介紹 鞍座 下面連接著底座 上面連接工作臺 用于實現Y軸移動等功能 數控機床主要部份介紹 工作臺 下面連接著鞍座 表面擺放工件 夾具及第四軸等 用于實現X軸的移動等功能 數控機床主要部份介紹 立柱 下面連接底座 硬軌或線軌連接主軸頭 上面固定配重擔架 導鏈條及配重塊 側面還連接刀庫 數控機床主要部份介紹 主軸頭 下面與立柱的硬軌或線軌 內部裝有主軸 上面還固定主軸馬達 主軸松刀裝置 用于實現Z軸移動 主軸旋轉等功能 數控機床主要部份介紹 電氣箱 機臺電路的控制中心 由NC控制器 電源供應器 主軸放大器 伺服放大器 強電板 轉接板 小變壓器 等等元氣件組成 數控機床主要部份介紹 操作箱 用于控制 執(zhí)行 監(jiān)視機床的狀態(tài)動作的裝置 由顯示器 操作面板 電源開關 等等組成 數控機床主要部份介紹 風壓電磁閥組 利用風壓來控制 實現機床部分功能的裝置 如刀套上下 主軸夾松刀 主軸旋轉吹氣 等等功能 數控機床主要部份介紹 主軸馬達 受主軸放大器控制 來實現主軸正反轉的功能 數控機床主要部份介紹 伺服馬達 受伺服放大器控制 來實現伺服軸X Y Z B軸移動的功能 數控機床主要部份介紹 潤滑油馬達 用于給絲桿 線軌 硬軌提供潤滑油的裝置 數控機床主要部份介紹 切削液馬達 用于實現噴切削液的功能的裝置 以便提高刀具壽命 工件表面光潔度 數控機床主要部份介紹 液壓站馬達 實現油壓控制機械動作的裝置 如第四軸夾松 刀塔正反轉 尾座進出等等 數控機床主要部份介紹 刀庫 實現自動換刀的裝置 根據不同的需要 刀具數量分為18 20 24 等等 數控機床主要部份介紹 排屑機 自動清理鐵屑的裝置 常用元器件的介紹 NC控制器 類似于電腦的主機 可進行處理 計算 轉換 輸入輸出各種信號 以及存儲系統資料 用戶資料 等等 左 FANUC右 三菱 常用元器件的介紹 電源模塊 先將3相220V的交流電源 整流為2相300V直流電源 然后再將300V直流電源通過短接銅片傳輸給下一個伺服單元 提供伺服驅動電源及工作電源 FANUC系統 常用元器件的介紹 伺服放大器 通過伺服馬達編碼的脈沖信號經伺服放大器放大轉變?yōu)閿抵敌盘?再經由NC控制器處理 然后再由放大器又轉為脈沖信號 以達到控制伺服軸運動的裝置 左 FANUC右 三菱 常用元器件的介紹 I O卡 控制信號輸入輸出的裝置 也是指INPUT OUPUT的含義 三菱 常用元器件的介紹 積熱電驛 又稱熱繼電器 防止馬達在運轉過程中 出現因電流過大而造成馬達燒毀的保護裝置 常用元器件的介紹 中間繼電器 一般用于控制小于110V電源的通斷 通過的電流較小 常用元器件的介紹 電磁接接器 一般用于控制交流220V電源的通斷 有時也會用在主軸高低檔的配線中 其通過的電流較大 常用元器件的介紹 剎車器 斗笠式換刀時所用 用于控制刀庫正反轉 常用元器件的介紹 小變壓器 將220V的交流電源轉換成交流110V 100V 22V 19V電源的裝置 常用元器件的介紹 24V電源供應器 將交流220V電源轉換成為直流24V電源的裝置 為系統提供控制電源 常用元器件的介紹 轉接板 與NC輸入輸出 外圍線路連接時 信號線PIN口與接點的轉換裝置 以集成形式制定的電路板 以簡化線路 常用元器件的介紹 繼電器模組 將12個小繼電器集成于一塊電路板上 以提高效率 簡化線路 常用元器件的介紹 手輪 用于慢速控制軸向移動的裝置 最小移動單位是0 001mm 一 數控機床設計包括的內容 1 擬定機床方案 調查分析 工藝分析 機床總體布局等 2 確定機床主要技術參數 計算選擇尺寸參數 運動參數 動力參數等 3 對具有某些特殊功能的機床 還應針對具體要求做有關的工作 某些精密機床 高速機床 須進行機床性能計算或試驗分析 自動化機床 須擬定機床的控制方案 對沒有把握的工藝方案和結構方案 須做相應的試驗 以論證方案的可行性 二 數控機床的基本要求 1 滿足功能要求實現功能是設計的目的 數控機床的用途不同 則表現出的功能不同 功能由數控機床的加工對象來確定 即 零件要求 加工方法 機床功能 二 數控機床的基本要求 2 滿足精度要求被加工零件在尺寸 形狀 位置等方面所能達到的準確程度 間接反映機床的精度 主要包括 幾何精度 定位精度 運動精度 動態(tài)精度 機床精度同采用的進給伺服系統密切相關 二 數控機床的基本要求 3 滿足剛度和抗振性要求 熱變形要小 剛度 抵抗外載變形的能力 以保證在受力條件下 各主要部件之間正確的相互位置關系 抗振性 抵抗振動的能力 受迫 自激 減少熱變形 減小熱源 強化散熱 均熱 抵抗變形 采用對稱結構 如雙主柱加工中心等 二 數控機床的基本要求 4 可靠性要求可靠度 指工作條件下 規(guī)定時間內 完成規(guī)定功能 不發(fā)生故障的概率 數控機床是機電一體化設備 其可靠性依賴于組成部件如計算機 電子器件 液壓 氣壓元件 機械傳動部件等等 二 數控機床的基本要求 5 經濟效益要求 設計制造成本低 使用及維護費用低 6 人機關系要求操縱方便 省力 不易誤操作 噪音小 不滲漏污染環(huán)境 無三廢 環(huán)保 色彩和諧 造型美觀 第二節(jié)數控機床的設計方法和步驟 一 設計方法早期 經驗公式 類比法理論分析計算 試驗研究模型試驗 模擬試驗CAD 優(yōu)化設計 可靠性設計 計算機仿真 二 設計準則可靠性設計人機工程學設計造型設計綠色產品設計 三 設計過程數控機床典型的設計過程可分為 產品規(guī)劃 方案設計 技術設計 施工設計四個階段 1 產品規(guī)劃階段主要工作 明確設計任務市場調查 預測 產品需求 新產品功能 技術性能 開發(fā)過程表 保證符合市場需求的產品能及時或適當超前地研制出來 投放市場 以減少產品開發(fā)的盲目性 2方案設計階段根據設計任務要求 進行產品功能原理設計 廣泛收集同類或相近產品的性能參數 使用情況 優(yōu)缺點和相關數據 結構 工藝 成本 技術水平和競爭能力 盡可能開闊思路 創(chuàng)新構思 引入新原理和技術方法 綜合運用多學科知識 探索多種方案 求得最佳原理方案 方案設計階段包括 對設計任務的抽象 建立功能結構 尋求原理解和求解方法 形成初步方案和對初步方案的評價和篩選等步驟 3技術設計階段將設計階段的方案具體化 確定結構原理方案 根據設計任務要求 進行產品功能原理設計 技術設計階段包括 總體技術方案設計 確定主要技術參數 機床布局 進行結構設計 繪制裝配草圖 性能計算 模型試驗和改善設計 通過技術經濟分析選擇較優(yōu)設計方案 4施工實施階段1 零件圖設計 2 完善裝配圖 3 商品化設計 4 編制技術文件 5 標準化審查 四 系列化設計過程市場對產品的要求是多種多樣的 不能用單一的產品去滿足市場需求 需設計多種尺寸 規(guī)格 性能的系列產品投放市場 為縮短設計制造周期 降低 保證和提高質量 在產品設計中必須遵循 產品品種系列化 零部件通用化 標準化 結構典型化 五 設計評價結構工藝性評價加工藝性 裝配工藝性 維修工藝性 標準化評價在經濟 技術 科學及管理中對重復性事物的概念通過制訂 發(fā)布和實施標準達到統一 以獲得最佳秩序和社會效益 主要包括 企業(yè)標準化審查 設計文件的標準化審查 工藝文件的標準化審查 工裝設計文件的標準化審查 經濟技術評價性價比