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數控技術

關于數控機床

時間:2019/6/14 0:04:21   作者:   來源:   閱讀:8   評論:0

一、數控車床的組成

    數控車床由程序編制及程序載體、輸入裝置、數控裝置(CNC)、伺服驅動及位置檢測裝置、輔助控制裝置、車床本體等幾部分組成。

1、程序編制及程序載體 數控程序是數控車床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進行工藝分析的基礎上,確定零件坐標系在車床坐標系上的相對位置,即零件在車床上的安裝位置,刀具與零件相對運動的尺寸參數,零件加工的工藝路線、切削加工的工藝參數以及輔助裝置的動作等。得到零件的所有運動、尺寸、工藝參數等加工信息后,用由文字、數字和符號組成的標準數控代碼,按規定的方法和格式,編制零件加工的數據程序單。編制程序的工作可由人工進行;對于形狀復雜的零件,則要在專用的編程機或通用計算機上進行自動編程(APT)或利用CAD/CAM系統產生程序。

    編好的數控程序,存放在便于輸入到數控裝置的一種存儲載體上,它可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤、閃存卡等。閃存卡由于存儲容量大、數據交流迅速和記錄可靠,在開放式數控系統的新型數控機床上開始使用。

2、輸入裝置

  輸入裝置的作用是將程序載體(信息載體)上的數控代碼傳遞并存入數控系統內。根據存儲介質的不同,輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。數控車床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數控系統;數控加工程序還可由編程計算機用RS232C或采用網絡通信方式傳送到數控系統中。

    零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式:一種是邊讀入邊加工(數控系統內存較小時);另一種是一次將零件加工程序全部讀入數控裝置內部的存儲器,加工時再從內部存儲器中逐段調出進行加工。

3、數控裝置

  數控裝置是數控車床的核心。數控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控加工程序,經過數控裝置的邏輯電路或系統軟件進行編譯、運算和邏輯處理后,輸出各種控制信息和指令,控制車床各部分的工作,使其進行規定的有序運動和動作。

    零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成,刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進行運動,即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標值等數據,不能滿足要求,因此要進行軌跡插補,也就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數據點的密化”,求出一系列中間點的坐標值,并向相應坐標輸出脈沖信號,控制各坐標軸(即進給運動的個執行元件)的進給速度、進給方向和進給位移量等。

4、驅動裝置及位置檢測裝置

  驅動裝置接受來自數控裝置的指令信息,經功率放大后,嚴格按照指令信息的要求驅動車床移動部件,以加工出符合圖樣要求的零件。因此,它的伺服精度和動態響應性能是影響數控車床加工精度、表面質量和生產率的重要因素之一。驅動裝置包括控制器(含功率放大器)和執行機構兩大部件。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執行機構。

    位置檢測裝置將數控車床個坐標軸的實際位移檢測出來,經反饋系統輸入到車床的數控裝置之后,數控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較,控制驅動裝置按照指令設定值運動。

5、輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接受數控裝置輸出的開關量指令信號,經過編譯、邏輯判別和運算,再經功率放大后驅動相應的電器,帶動車床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停指令,刀具的選擇和交換指令,冷卻、潤滑裝置的啟動停止,工件和機床部件的松開、夾緊等輔助動作。

    由于可編程控制器(PLC)具有響應快、性能可靠、使用方便、編程和調試程序容易等特點,并可直接驅動部件機床電器,因此,被廣泛用作數控車床的輔助控制裝置。目前,大多數數控系統都帶有內部PLC,用于處理數控機床的輔助指令,從而簡化了機床的輔助控制裝置。

6、車床本體

    車床本體與傳統車床相似,由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。但數控車床特別是車削中心在整體布局、外觀造型、傳動系統、刀具系統的結構以及操作機構等方面都已發生了較大的變化。這種變化的目的是為了滿足數控車床的要求和充分發揮數控車床的特點。歸納起來包括以下幾個方面的變化。

(1)采用高性能主傳動及主軸部件、具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等優點。

(2)進給傳動采用高效傳動件、具有傳動鏈短、結構簡單、傳動精度高等特點,一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副等。

(3)具有完善的刀具自動變換和管理系統。

(4)車床本身具有很高的動、靜剛度。

(5)采用全封閉罩殼。由于數控車床是自動完成加工,為了操作安全等,一般采用移動門結構的全封閉罩殼,對車床的加工部件進行全封閉。

二、數控車床的特點

1、數控車床的優點

(1)加工對象改型的適應性強 由于在數控車床上改革加工零件時,只需要重新編制程序就能實現對零件的加工,它不同于傳統的車床,不需要改造、更新許多工夾具和檢具,更不需要重新新調整車床。因此,數控車床可以快速地從加工一種零件轉變為加工另一種零件,這就為單件、小批以及試制新產品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產準備周期,而且節省了大量工藝裝備費用。

(2)加工精度高 數控車床是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(即每輸出一個脈沖后數控機床移動部件相應的移動量)一般達到了0.001mm,而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,數控車床能達到比較高的加工精度和質量穩定性。這是由數控車床結構設計采用了必要的措施,以及機電結合的特點決定的,首先是結構上引入了滾珠絲杠螺母機構、各種消除間隙結構等,使機械傳動的誤差盡可能小;其次是采用了軟件精度補償技術,使機械誤差進一步減少;第三是用程序控制加工,減少了人為因素對加工精度的影響。這些措施不僅保證了較高的加工精度,同時還保證了較高的質量穩定性。

(3)生產效率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數控車床能夠有效地減少這兩部分時間,因而加工生產率比一般車床高得多。數控車床主軸轉速和進給量的范圍比普通車床的范圍大,每一道工序都能選用最有利的切削用量,良好的結構剛性允許數控車床進行大切削用量的強力切削,有效地節省了機動時間。數控車床移動部件的快速移動和定位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車床少的多。

數控車床的加工精度比較穩定,一般只做首件檢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。在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數控車削中心機床時,在一臺機床上實現了多道工序的連續加工,減少了半成品的周轉時間,生產效率的提高就更為明顯。

(4)自動化程度高 數控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的,操作者除了操作面板、裝卸零件、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外,其他的機床動作直至加工完畢,都是自動連續完成,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大為減少,勞動條件也得到相應的改善。

(5)良好的經濟效益 使用失控車床加工零件時,分攤在每個零件上的設備費用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產情況下,可以節省工藝裝備費用、輔助生產工時、生產管理費用及降低廢品率等,因此能夠獲得良好的經濟效益。

(6)有利于生產管理的現代化 用數控車床加工零件,能準確地計算零件的加工工時,并有效地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。

數控車床在應用中也有不利的一面,如提高了起始階段的投資,對設置維護的要求較高,對操作人員的技術水平要求較高等.

三、數控車床的適用范圍及工作原理

1、數控車床的適用范圍

    數控車床與臥式車床一樣,也是用來加工軸類或盤類的回轉體零件。但是由于數控車床是自動完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工,所以數控車床特別適合加工形式復雜的軸類或盤類零件。

    數控車床具有加工靈活、通用性強、能適應產品的品種和規格頻繁變化的特點,能夠滿足新產品的開發和多品種、小批量、生產自動化的要求,因此被廣泛應用于機械制造業。

    數控車床確實存在一般車床所不具備的許多優點,但是這些優點都是以一定條件為前提的。數控車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,也還不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數控車床通常最適合加工具有以下特點的零件。

1)多品種小批量生產的零件 從通用車床、專用車床、數控車床的零件加工批量數與綜合費用的關系來看,零件加工批量增大對于選用數控車床是不利的。原因在于數控車床設備費用昂貴,以及與大批量生產采用的專用機床相比其效率還不夠高。通常,采用數控車床加工的合理生產批量在10~200件之間。目前有向中批量發展的趨勢。

2)結構比較復雜的零件 從通用車床、專用車床、數控車床的被加工零件復雜程度與批量數的關系來看。通常數控車床適宜于加工結構比較復雜,在非數控車床上加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。

3)需要頻繁改型的零件 它節省了大量的工藝裝備費用,使綜合費用下降。

4)價格昂貴、不允許報廢的關鍵零件。

5)需要最短生產周期的急需零件。

    數控車床的初始投資相對較大,由于系統的復雜性,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,這些都會增加綜合生產費用。

    考慮到以上所述的種種原因,在決定選用數控車床加工時,需要進行反復對比和仔細的經濟分析,使數控車床發揮它的最佳經濟效益。

2、數控車床的工作原理

    在傳統的金屬切削機床上,加工零件是操作者根據圖樣的要求,通過不斷改變刀具的運動軌跡、運動速度等參數,使刀具對工件進行切削加工,最終加工出合格零件。

    數控車床的加工,其實質是應用了“微分”原理。其工作原理與過程可簡述如下。

1)數控裝置根據加工程序要求的刀具軌跡,將軌跡按車床對應的坐標軸,以最小移動量(脈沖當量)進行微分,并計算出各軸需要移動的脈沖數。

2)通過數控裝置的插補軟件或插補運算器,把要求的軌跡用量小移動單位的等效折線進行擬合,并找出最接近理論軌跡的擬合折線。

3)數控裝置根據擬合折線的軌跡,給相應的坐標軸連續不斷地分配進給脈沖,并通過伺服驅動使車床坐標軸按分配的脈沖運動。

    由上可見:

1、只要數控車床的最小移動量(脈沖當量)足夠小,所用的擬合折線就完全可以等效代替理論曲線;2、只要改變坐標軸的脈沖分配方式,即可以改變擬合折線的形狀,從而達到改變加工軌跡的目的;3、只要改變分配脈沖的頻率,即可改變坐標軸(刀具)的運動速度。這樣就實現了數控車床控制刀具移動軌跡的根本目的。

    以上根據給定的數學函數,在理想軌跡(輪廓)的已知點之間,通過數據點的密化,確定一些中間點的方法,稱為補插。能同時參與插補的坐標軸數。顯然,當數控機床的聯動軸越多,機床加工輪廓的性能就越強。因此,聯動軸的數量是衡量數控機床性能的重要技術指標之一。


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