數控車(chē)床簡(jiǎn)介

一、數控機床的產(chǎn)生

    數控車(chē)床(Numerical Control Machine Tools)是用數字代碼形式的信息    (程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機床，簡(jiǎn)稱(chēng)數控機床。

    數控機床是在機械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，其過(guò)程大致如下：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數字脈沖控制機床的設想。

    1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數控銑床，當時(shí)的數控裝置采用電子管元件。

    1959年，數控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動(dòng)換刀裝置的數控機床，稱(chēng)為加工中心( MC Machining Center)，使數控裝置進(jìn)入了第二代。，

    1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。

    60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(簡(jiǎn)稱(chēng) DNC)，又稱(chēng)群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統(簡(jiǎn)稱(chēng) CNC)，使數控裝置進(jìn)入了以小型計算機化為特征的第四代。

    1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置(簡(jiǎn)稱(chēng) MNC)，這是第五代數控系統。

    20世紀80年代初，隨著(zhù)計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現了能進(jìn)行人機對話(huà)式自動(dòng)編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監控刀具破損和自動(dòng)檢測工件等功能。

    20世紀90年代后期，出現了PC+CNC智能數控系統，即以PC機為控制系統的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統，此種方式系統維護方便，易于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化制造。

二、數控機床特點(diǎn)

1、數控車(chē)床與普通機床的區別

    數控機床對零件的加工過(guò)程，是嚴格按照加工程序所規定的參數及動(dòng)作執行的。它是一種高效能自動(dòng)或半自動(dòng)機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點(diǎn)：

（1）適合于復雜異形零件的加工

    數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。

    ◆ 加工精度高

    ◆ 加工穩定可靠

    實(shí)現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩定可靠。

    ◆ 高柔性

    加工對象改變時(shí)，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節省生產(chǎn)準備時(shí)間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動(dòng)化制造系統—FMS。

    ◆ 高生產(chǎn)率

    數控車(chē)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。

    ◆ 勞動(dòng)條件好

機床自動(dòng)化程度高，操作人員勞動(dòng)強度大大降低，工作環(huán)境較好。

    ◆ 有利于管理現代化

采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化創(chuàng )造了條件。

2、數控機床的適用范圍

    由于數控機床的上述特點(diǎn)，適用于數控加工的零件有：

  （1）批量小而又多次重復生產(chǎn)的零件；

  （2）幾何形狀復雜的零件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試制件。

三、數控機床與數控系統的組成

1、數控系統組成

（1）操作面板

  a. 它是操作人員與數控裝置進(jìn)行信息交流的工具。

  b. 組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤(pán)一樣）和顯示器。

  c. 它是數控機床特有部件。

（2）控制介質(zhì)與輸入輸出設備

  a. 控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介

  b. 輸入輸出設備是CNC系統與外部設備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統或將調試好了的零件加工程序通過(guò)輸出設備存放或記錄在相應的控制介質(zhì)上。

  c. 現代的數控系統除采用輸入輸出設備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口）、

  e. 自動(dòng)控制專(zhuān)用接口和規范（DNC方式，MAP協(xié)議等）

  f. 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（internet，LAN）等

(3) CNC裝置(CNC單元)

  a. 組成：計算機系統、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。

  b. 作用：根據輸入的零件加工程序進(jìn)行相應的處理（如運動(dòng)軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應的執行部件(伺服單元、驅動(dòng)裝置和PLC 等)，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協(xié)調配合，合理組織，使整個(gè)系統有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統的核心

(4) 伺服單元、驅動(dòng)裝置和測量裝置

  a. 伺服單元和驅動(dòng)裝置

  b. 主軸伺服驅動(dòng)裝置和主軸電機

  c. 進(jìn)給伺服驅動(dòng)裝置和進(jìn)給電機

 測量裝置

  a. 位置和速度測量裝置。以實(shí)現進(jìn)給伺服系統的閉環(huán)控制。

  b. 作用 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：

  c. 進(jìn)給運動(dòng)指令：實(shí)現零件加工的成形運動(dòng)（速度和位置控制）。

  d. 主軸運動(dòng)指令，實(shí)現零件加工的切削運動(dòng)（速度控制）

(5) PLC、機床I/O電路和裝置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；

  b. 機床I/O電路和裝置：實(shí)現I/O控制的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；

  c. 功能：

    接受CNC的M、S、T指令，對其進(jìn)行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開(kāi)關(guān)動(dòng)作

   接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態(tài)和機床的動(dòng)作。

2、數控機床機械部分：

   數控機床的主體，是實(shí)現制造加工的執行部件。

組成： 由主運動(dòng)部件、進(jìn)給運動(dòng)部件（工作臺、拖板以及相應的傳動(dòng)機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動(dòng)交換系統工件自動(dòng)交換系統）和輔助裝置（如排屑裝置等）。

四、數控機床的分類(lèi)

1、按加工方式和工藝用途分類(lèi)

（1）普通數控車(chē)床

    普通數控機床一般指在加工工藝過(guò)程中的一個(gè)工序上實(shí)現數字控制的自動(dòng)化機床，如數控銑床、數控車(chē)床、數控鉆床、數控磨床與數控齒輪加工機床等。普通數控機床在自動(dòng)化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來(lái)完成。

（2）加工中心

    加工中心是帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置的數控機床，它將數控銑床、數控鏜床、數控鉆床的功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將其大部分加工面進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴、鉸及攻螺紋等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差，所以它適用于產(chǎn)品更換頻繁、零件形狀復雜、精度要求高、生產(chǎn)批量不大而生產(chǎn)周期短的產(chǎn)品。

2、按運動(dòng)方式分類(lèi)

（1）點(diǎn)位控制數控機床

    如圖1所示，點(diǎn)位控制是指數控系統只控制刀具或工作臺從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準確定位，然后進(jìn)行定點(diǎn)加工，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需控制。采用這類(lèi)控制的有數控鉆床、數控鏜床和數控坐標鏜床等。

圖1 點(diǎn)位控制加工示意圖

圖2 點(diǎn)位直線(xiàn)控制加工示意圖

（2）點(diǎn)位直線(xiàn)控制數控機床

    如圖2所示，點(diǎn)位直線(xiàn)控制是指數控系統除控制直線(xiàn)軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準確定位外，還要控制在這兩點(diǎn)之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線(xiàn)切削。采用這類(lèi)控制的有數控銑床、數控車(chē)床和數控磨床等。

圖3 輪廓控制加工示意圖

（3）輪廓控制數控機床

    亦稱(chēng)連續軌跡控制，如圖3所示，能夠連續控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標方向的聯(lián)合運動(dòng)。為了使刀具按規定的軌跡加工工件的曲線(xiàn)輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動(dòng)軌跡以小的誤差逼近規定的輪廓曲線(xiàn)，并協(xié)調各坐標方向的運動(dòng)速度，以便在切削過(guò)程中始終保持規定的進(jìn)給速度。采用這類(lèi)控制的有數控銑床、數控車(chē)床、數控磨床和加工中心等。

3、按控制方式分類(lèi)

（1） 開(kāi)環(huán)控制系統

    開(kāi)環(huán)控制系統是指不帶反饋裝置的控制系統，由步進(jìn)電機驅動(dòng)線(xiàn)路和步進(jìn)電機組成，如圖4所示。數控裝置經(jīng)過(guò)控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進(jìn)電機轉動(dòng)一定的角度，通過(guò)滾珠絲杠推動(dòng)工作臺移動(dòng)一定的距離。

圖4 開(kāi)環(huán)控制

這種伺服機構比較簡(jiǎn)單，工作穩定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

（2）半閉環(huán)控制系統

    如圖5所示，半閉環(huán)控制系統是在開(kāi)環(huán)控制系統的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過(guò)檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間接檢測移動(dòng)部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統。

圖5 半閉環(huán)控制

這種伺服機構所能達到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)于開(kāi)環(huán)伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。

（3）閉環(huán)控制系統

    如圖6所示，閉環(huán)控制系統是在機床移動(dòng)部件位置上直接裝有直線(xiàn)位置檢測裝置，將檢測到的實(shí)際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值控制移動(dòng)部件作補充位移，直到差值消除時(shí)才停止移動(dòng)，達到精確定位的控制系統。

圖6 閉環(huán)控制

環(huán)控制，但結構比較復雜，調試維修的難度較大，常用于閉環(huán)控制系統的定位精度高于半閉高精度和大型數控機床。

4、按聯(lián)動(dòng)軸數分類(lèi)

    數控系統控制幾個(gè)坐標軸按需要的函數關(guān)系同時(shí)協(xié)調運動(dòng)，稱(chēng)為坐標聯(lián)動(dòng)，按照聯(lián)動(dòng)軸數可以分為：

（1）兩軸聯(lián)動(dòng)

    數控機床能同時(shí)控制兩個(gè)坐標軸聯(lián)動(dòng)，適于數控車(chē)床加工旋轉曲面或數控銑床銑削平面輪廓。

（2）兩軸半聯(lián)動(dòng)

    軸可以在兩軸的基礎上增加了Z軸的移動(dòng)，當機床坐標系的X、Y軸固定時(shí)，Z作周期性進(jìn)給。兩軸半聯(lián)動(dòng)加工可以實(shí)現分層加工。

（3）三軸聯(lián)動(dòng)

數控機床能同時(shí)控制三個(gè)坐標軸的聯(lián)動(dòng)，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。

（4）多坐標聯(lián)動(dòng)

    數控機床能同時(shí)控制四個(gè)以上坐標軸的聯(lián)動(dòng)。多坐標數控機床的結構復雜，精度要求高、程序編制復雜，適于加工形狀復雜的零件，如葉輪葉片類(lèi)零件。

    通常三軸機床可以實(shí)現二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動(dòng)加工，而其他兩軸不聯(lián)動(dòng)。

                    泰安市海特機器制造有限責任公司  技術(shù)中心  供稿

                                                    2010年1月26日