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數字控制機床

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數字控制機床,簡稱數控機床。是用數字代碼形式的信息控制按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床。

1 數字控制機床 -數字控制機床

2 數字控制機床 -正文

  用數字代碼形式的信息(程序指令)控制按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床,簡稱數控機床。圖1為立式數控銑床的外形。數控機床具有廣泛的適應性,加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令;加工性能比一般自動機床高,可以精確加工複雜型面,因而適合於加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較複雜的工件,並能獲得良好的經濟效果。隨著數控技術的發展,採用數控系統的機床品種日益增多,有車床、銑床、鏜床、鑽床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、進行多工序加工的加工中心、車削中心等。(見彩圖)

數字控制機床數字控制機床
 
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  簡史  1948年,美國帕森斯公司接受美國空軍委託,研製飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設備。由於樣板形狀複雜多樣,精度要求高,一般加工設備難以適應,於是提出了採用計算機控制機床的設想。1949年,該公司在美國麻省理工學院伺服機構研究室的協助下,開始數控機床研究,於1952年試製成功第一台由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標數控銑床,不久即開始正式生產。當時的數控裝置採用電子管元件,體積龐大,價格昂貴,只在航空工業等少數有特殊需要的部門用來加工複雜型面零件。1959年,製成了晶體管元件和印刷電路板,使數控裝置進入了第二代,體積縮小,成本有所下降。1960年以後,較為簡單和經濟的點位控制數控鑽床和直線控制數控銑床得到較快發展,使數控機床在機械製造業各部門逐步獲得推廣。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,價格進一步下降,促進了數控機床品種和產量的發展。60年代末,先後出現了由一台計算機直接控制多台機床的直接數控系統(direct numerical control,簡稱DNC),又稱群控系統;採用小型計算機控制的計算機數控系統(computernumerical control,簡稱CNC),使數控裝置進入了以小型計算機化為特徵的第四代。1974年研製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(microcom-puter numorical control,簡稱MNC),這是第五代。第五代與第三代相比,數控裝置的功能擴大了1倍,而體積則縮小為1/20,價格降低了3/4,可靠性也得到極大的提高。80年代初,隨著軟體技術的發展,出現了利用鍵盤和顯示屏手動輸入數據的人機對話式自動編製程序的數控裝置;由於數控裝置愈趨小型化,可以直接安裝在機床上;數控機床的自動化程度進一步提高,具有自動監控刀具破損和自動檢測工件等功能。
  組成部分  數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成(圖2)。輸入數控裝置的程序指令記錄在信息載體上由程序讀入裝置接收,或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。

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  信息載體  常用的是穿孔帶,也有用穿孔卡或磁帶的。穿孔帶由紙帶或塑膠帶製成,寬25.40毫米(1英寸),可穿8列孔,另有一列牽引用的小孔。按標準代碼的規定,穿孔帶上橫向每行不同的孔數和位置代表不同的數字、字母或符號,用以表示各種指令信息:機床的各種操作(主軸起停、換刀和冷卻液開關等)、工藝參數(主軸轉速、進給速度等)和各坐標運動的方向和尺寸等。通用的標準代碼有ISO代碼(國際標準化組織制定)和EIA代碼(美國電子工業協會制定)兩種。在編製零件加工的程序指令時,根據零件圖紙確定工藝過程和加工路線,進行程序編製(見數字控制機床程序編製),按照規定的程序段格式編出程序單,在穿孔帶上應用標準代碼逐行穿孔,即製成數控機床所需的信息載體(圖3)。
  數控裝置  它包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。通過程序讀入裝置接收信息載體上的程序指令,進行處理和運算,輸出各種控制指令,控制機床伺服機構和各種執行機構完成預定的動作。數控裝置按所能實現的控制功能分為3類。①點位控制:只控制刀具或工作台從一點移至另一點的準確定位,然後進行定點加工,而點與點之間的路徑不需控制。採用這類控制的有數控鑽床、數控鏜床和數控坐標鏜床等。②直線控制: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。採用這類控制的有平面銑削用的數控銑床,以及階梯軸車削和磨削用的數控車床和數控磨床等。③連續軌跡控制(或稱輪廓控制):能夠連續控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動。為了使刀具按規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定的輪廓曲線,並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定的進給速度。採用這類控制的有能加工曲面用的數控銑床、數控車床、數控磨床和加工中心等。
  伺服機構  伺服機構分為開環、半閉環和閉環 3種類型。①開環伺服機構:由步進電機驅動線路和步進電機組成(圖4)。每一脈衝信號使步進電機轉動一定的角度,通過滾珠絲杠推動工作台移動一定的距離。它沒有位置檢測器和反饋線路等環節。這種伺服機構比較簡單,工作穩定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。為提高定位精度,常設有工作台反向間隙補償和絲杠螺距誤差補償功能,能補償機械傳動鏈的誤差。②半閉環伺服機構: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(圖5)。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部,利用絲杠的迴轉角度間接測出工作台的位置。它是根據來自位置檢測器的反饋信息與指令信息相比較的結果來控制速度和位置的。常用的伺服馬達有寬調速直流電動機、寬調速交流電動機和電液伺服馬達。位置檢測器有旋轉變壓器、光電式脈衝發生器和圓光柵等。位置檢測反饋不包括由伺服馬達到工作台之間的機械傳動鏈,所以也要用反向間隙補償和絲杠誤差補償。這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態特性優於開環伺服機構,為大多數中小型數控機床所採用。③閉環伺服機構:工作原理和組成與半閉環伺服機構相同,只是位置檢測器安裝在工作台上(圖6),可直接測出工作台的實際位置,故反饋精度高於半閉環控制,但掌握調試的難度較大,常用於高精度和大型數控機床。閉環伺服機構所用伺服馬達與半閉環相同,位置檢測器則用長光柵、長感應同步器或長磁柵。

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  機床主體  為了保證機床具有很大的工藝適應性能和連續穩定工作的能力,數控機床結構設計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩定性和精度保持性。進給系統的機械傳動鏈採用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等,以盡量減小反向間隙。機床採用塑料減摩導軌、滾動導軌或靜壓導軌,以提高運動的平穩性並使低速運動時不出現爬行現象。由於採用了寬調速的進給伺服電動機和寬調速的主軸電動機,可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速,這就簡化了機床的傳動機構。機床布局便於排屑和工件裝卸,部分數控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分數控機床採用具有微處理器的可編程序控制器,以代替強電櫃中大量的繼電器,提高了機床強電控制的可靠性和靈活性。
  發展趨勢  隨著微電子技術、計算機技術和軟體技術的迅速發展,數控機床的控制系統日益趨向於小型化和多功能化,具備完善的自診斷功能;可靠性也大大提高;數控系統本身將普遍實現自動編程。數控機床的類型將更加多樣化,多工序集中加工的數控機床品種越來越多。激光加工等技術將應用在切削加工機床上,從而更加擴大多工序集中的工藝範圍。數控機床的自動化程度更加提高,更多的數控機床將配備刀具和工件的自動交換裝置和儲存裝置,並具有多種監控功能,從而形成一個柔性製造單元,更加便於納入高度自動化的柔性製造系統中。
  參考書目
 劉又午主編:《數字控制機床》,機械工業出版社,北京,1983。

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