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CNC數控機床概述 第一章 數控機床概述第一節 數控機床的發展 隨著科學技術的飛速發展，機器制造技術發生了深刻的變化，由于市場對產品多樣化的需求越來越多，多樣化中小批量生產的產品比重也越來越大。因此傳統的普通加工設備已經不能很好的適應高效率高品質多樣化加工的要求，尤其是一些航空、造船、電子、軍工等工業部門生產的機械零件及為生產它們而制造的模具，精度要求高，形狀复雜，批量又小，用普通機床加工這些零件，效率低，勞動強度大，有時甚至無法加工。因此從70年代以來，工業發達國家十分重視發展先進的制造技術，在加工設備中大量採用以微電子技術和計算機技術為基礎的數控技術，將機械技術成組技術與現代控制技術傳感檢測技術信息處理技術網路通訊技術有機的結合在一起，使機器制造業的生產技術發生了革命性的變化。CNC(Computer Numerical Control)機床不同于普通機床，也不同于仿形和一般程序控制的自動和半自動機床，在CNC機床上零件加工的整個過程，全是在數字指令下進行的，在加工前要用指定的數字代號，按照零件圖進行程式制作，然後輸入機台控制系統中去，CNC機台啟動后，按照程式指令自動進行工作。即一步步地自動地進行加工，並能及時提醒機台加工者。一、什麼是機床數字控制技術 機床數字控制技術，顧名思義，就是以數字化信息實現機床自動操作的一門技術，采用數字信息控制的機床就稱為數控機床。詳言之，凡是用代碼的數字將刀具移動軌跡記錄在介質上，然後送入數控裝置，經過譯碼運算控制機床的刀具與工件的相對運動，加工出所需要的工件的一類機床稱為數控機床。二、數控機床發展簡史 1952年3月美國帕森斯(PARSONS)公司和麻省理工學院(MIT)合作研制成功世界上第一台三坐標數控銑床，用于火箭零件的制造。在此以后，其它一些國家，如德國英國和日本都相繼開發生產及使用了數控機床。日本于1955年開始數控的研究工作，于1965年開始生產高技術的多坐標輪廓控制數控裝置。 數控機床最早出現並獲得使用的是數控銑床，這種銑床加工了普通機床難以加工的零件。由于當時的數控系統采用電子管式，體積龐大，功率大，因此除了在軍事部門使用外，其它行業幾乎沒有采用。 1960年以后，點位控制的數控機床得到了迅速發展，因為點位的數控系統比輪廓控制的數控系統簡單得多。因此，數控鉆床數控沖床數控鏜床得到了發展。 在數控機床發展過程中，值得一提的是數控加工中心出現，這是一種具有自動換刀功能的數控機床它能實現一次裝夾進行多工序加工，這種機床在刀庫中裝有鉆頭絲錐鉸刀銑刀等刀具，通過程序指令自動選擇刀具，並通過機械手將刀具裝在主軸上，這樣可大大縮短零件裝卸時間和換刀時間，數控加工中心現在已經成為數控機床中一個非常重要的品種，不僅有立式，臥式等鏜銑類加工中心用于箱體類零件的加工，還有車削加工中心用于回轉體零件加工以及磨削中心等。 1974年微處理器直接應用于數控機床，進一步促進了數控機床的普及應用和發展。 80年代初，出現了以1(或2-3)台加工中心或車削中心為主體配上工件自動裝卸和監控檢驗裝置的所謂柔性制造單元FMC(FLEXIBLE MANUFACTURING CELL) .FMC可以集成到FMS(FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEM， 即柔性制造系統)或更高級的集成制造系統中使用。當前，FMS正從切削加工向板材冷加工焊接，裝配等領域擴展。FMC和FMS是實現CIMS(COM-PUTER INTEGRATED MANUFACTURING SYSTEM，即計算機集成制造系統)的基礎。計算機集成制造系統CIMS是高技術密集系統。它綜合了系統工程管理科學計算機技術和現代機械制造的科學成就，形成一個從市場分析設計開發工藝規劃產品制造和銷售經營的企業的計算機化控制网絡，具有一個統一的信息管理和控制系統。在CIMS中，涉及到計算機數控CNC計算機輔助成組計術，計算機輔助質量控制計算機輔助集成生產管理等，此外還包括計算機輔助設計CAD/CAM集成計算機控制网絡與通信等相關技術。CIMS的核心是建立一個與生產系統中各功能子系統連接起來的集成信息系統(集成數據庫)以保證企業各功能子系統所用信息數據的一致性正確性及時性和共享性。第二節 數控機床的工作原理及組成一、 數控機床的工作原理 用數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序作為數控機床的工作指令，將加工程序送到數控裝置，由數控裝置控制機床主傳動的變速起停，進給運動的方向速度和位移量，以及其它(如刀具選擇交換工件的夾緊與松開，冷卻和潤滑的開關等)動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格地按照加工程序規定的順序軌跡和參數有條不紊地工作，從而加工出符合要求的零件。其主要步驟是:制 程 排 配零 件 成 品數 據 裝 置程 式 編 寫零 件 圖 紙機 床 加 工1. 根據被加工零件圖中所規定的零件形狀、尺寸、材料及技術要求進行零件加工的程序排配，再根據排配進行程式設計，(包括加工順序，切削用量，刀具與零件相對的運動軌跡等內容)2. 用數據裝置調閱程式設計代碼，並根據切削設計單完成加工條件設定。3. 啟動機床加工，由數控裝置讀取程式，進行一系列運算和控制處理，將結果以脈沖形式送往機床的伺服機構，(如步進電機。直流伺服電機。電液脈衝馬達等)4. 伺服機構驅動機床的運動部件，按程式規定的加工順序，速度和位移量等，進行自動加工，制造出符合圖紙要求的零件。二數控機床的組成和功能根據上述工作原理，數控機床主要是由輸入介體數控裝置伺服系統反饋系統和機床本體組成。組成如圖1-2所示三.數控機床各組成部分的功能簡介如下： 1數控裝置 數控裝置是數控機床的中樞，用來接受並處理由輸入介體帶來的信息，並依次轉換成使伺服系統動作用各種指令，數控裝置對信息的處理和運算可以由邏輯線路等硬件實現，也可以用計算機軟件實現，前者稱為硬件數控，后者稱為軟件數控。 硬件數控一般由輸入裝置控制裝置運算器和輸出裝置組成，在計算機數控機床中，由于計算機本身即含有運算控制等單元，因此其數控裝置的作用由計算機完成。 數控裝置接收輸入介體的信息，並將代碼加以識別存儲運算，並輸出相應的命令脈沖，經過功率放大驅動伺服系統，使機床按規定要求動作。 2伺服系統 伺服系統包括伺服驅動機構和機床移動部件，它是數控系統的執行部分。它的作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉為機床移動部件的運動，相對于每一個脈沖信號，機床移動部件的位移量叫作脈沖當量，常用的脈沖當量為0.01mm/脈沖0.005/mm脈沖以及0.001/mm脈沖。 在數控機床的伺服系統中，常用的伺服驅動元件主要有步進電機直流伺服電機交流伺服電機電液伺服電機。3 反饋檢測系統 反饋檢測系統的作用是檢測機床的運動方向速率距離等參數，並將物理量轉變成電信號顯示出來或送給機床數控裝置，使數控裝置能夠校核機床的工作情況及實際位置是否與指令一致並由機床數控裝置發出指令，糾正產生的誤差。4 適應控制(AC控制)系統 適應控制系統的作用是檢測機床當前的環境(如溫度振動電源摩擦切削等參數)，將檢測到的信號輸入機床的數控裝置，使機床及時發出補償指令，從而提高加工精度和生產率，適應控制裝置多數用來加工高精度零件，一般數控機床很少采用此類裝置。5 機床數控機床與普通機床相比，只是在自動變速刀架工作台自動轉位和手柄等方面做了改變，由于切削量大，連續加工溫度影響大，在加工過程中數控機床不能像普通機床那樣可以手動進行補償，在設計數控機床時必須十分重視加強機床的剛度，減少熱變形，提高精度，所以數控機床的設計要比普通機床設計嚴格得多，制造時要求更精密。第三節 數控加工中心機床 數控加工中心機床是在一般數控機床的基礎上發展起來的，它們裝備有可容納90把或更多把刀具的自動換刀裝置，一般加工中心機床還有可移動的工作台，用來自動裝卸工件，工件經一次裝夾后，加工中心便能自動地完成諸如銑削鉆削攻絲鏜削鉸孔等工序。 CNC(計算機數字控制)機床的工作過程如圖所示。它首先把編寫好的NC程序直接輸入到帶有計算機的機床控制單元(MCU)。最新的MCU帶有一個圖形屏幕，它不僅能顯示NC程序，而且還能顯示刀具運動路徑和程序中的錯誤。MCU控制機床能加工出符合圖紙要求的零件。與普通機床機比，數控機床有以下特點：1 適應性強由于數控機床能實現多個坐標的聯動，所以數控機床能加工形狀複雜的零件，特別是對于可用數控程式和坐標點表示的零件，加工非常方便，更換加工零件時，數控機床只需要更換零件加工的NC(CNC)程序。所以，數控機床的適應性非常強。2 加工質量穩定對於同一批零件，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，這就保證了零件加工的一致性好，且質量穩定。3 效率高數控機床的主軸轉速及范圍比普通機床大，目前數控機床最高進給速度可達到100M/MIN以上，最小分辨率達0.001mm一般來說，數控機床的生產能力約為普通機床的三倍，甚至更高。數控機床的時間利用率高達90%，而普通機床為30%-50%4 精度高數控機床有較高的加工精度，一般在0.005mm0.01mm之間，數控機床的加工精度不受零件複雜程度的影響，機床傳動軸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。因此，數控機床的定位精度比較高。5 減輕勞動的強度在輸入程序並啟動后，數控機床自動地連續加工，直至完畢。這樣就簡化了工人的操作，使勞動強度大大降低。6 具有良好的經濟效益 使用CNC機床，在加工前節省了傳統劃線工時，在零件安裝至機床上之后，可以減少調整、加工和檢驗時間，從而減少了直接生產費用。另一方面，由于CNC加工零件，不需要手工制作模型。凸輪。鑽模板及其他工夾具，因此節省了工藝裝備費用。還由于CNC機床加工精度穩定，減少了廢品率，使生產成本進一步下降。盡管使用CNC加工零件時，分攤在每個零件上的費用比較昂貴，但在單件小批量生產的情況下，可以節省許多方面的費用，因此能夠獲得良好的經濟效益。7 易于建立計算機通訊網路 由于CNC機床是使用數字信息，因此它易于計算機建立通訊網路。便于計算機輔助設計系統連接，而形成設計與制造緊密結合的一体化系