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數控機床是數字控制機床的簡稱,數控機床通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動系統及其他輔助系統組成。是一種裝有程序控制系統的自動化機床,該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序,並將其解碼,從而使機床動作並加工零件。

1 數控機床 -基本概述

數控機床通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動系統及其他輔助系統組成。控制系統用於數控機床的運算、管理和控制,通過輸入介質得到數據,對這些數據進行解釋和運算並對機床產生作用;伺服系統根據控制 系統的指令驅動機床,使刀具和零件執行數控代碼規定的運動;檢測系統則是用來檢測機床執行件(工作台、轉檯、滑板等)的位移和速度變化量,並將檢測結果反饋到輸入端,與輸入指令進行比較,根據其差別調整機床運動;機床傳動系統是由進給伺服驅動元件至機床執行件之間的機械進給傳動裝置;輔助系統種類繁多,如:固定循環(能進行各種多次重複加工)、自動換刀(可交換指定刀具、傳動間隙補償償機械傳動系統產生的間隙誤差)等等。

2 數控機床 -構造結構

在數控加工中,數控銑削加工最為複雜,需解決的問題也最多。除數控銑削加工之外的數控線切割、數控電火花成型、數控車削、數控磨削等的數控編程各有其特點,伺服系統的作用是把來自數控裝置的脈衝信號轉換成機床移動部件的運動。具體有以下部分構成:
數控機床數控機床的構造

主機:他是數控機床的主題,包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用於完成各種切削加工的機械部件。

數控裝置:是數控機床的核心,包括硬體(印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等)以及相應的軟體,用於輸入數字化的零件程序,並完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。

驅動裝置:他是數控機床執行機構的驅動部件,包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯動時,可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。

輔助裝置:指數控機床的一些必要的配套部件,用以保證數控機床的運行,如冷卻、排屑、潤滑、照明、監測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作台、數控轉檯和數控分度頭,還包括刀具及監控檢測裝置等。

編程及其他附屬設備:可用來在機外進行零件的程序編製、存儲等。

3 數控機床 -主要特點

數控機床數控車間
數控機床的控制單元,數控機床的操作和監控全部在這個數控單元中完成,它是數控機床的大腦。與普通機床相比,數控機床有如下特點:

1、加工精度高,具有穩定的加工質量;
2、可進行多坐標的聯動,能加工形狀複雜的零件;
3、加工零件改變時,一般只需要更改數控程序,可節省生產準備時間;
4、機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量,生產率高(一般為普通機床的3—5倍);
5、機床自動化程度高,可以減輕勞動強度;
6、對操作人員的素質要求較高,對維修人員的技術要求更高。

4 數控機床 -發展歷史

數控機床人工操作

自從1952年美國麻省理工學院研製出世界上第一台數控機床以來,數控機床在製造工業,特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業中被廣泛地應用,數控技術無論在硬體和軟體方面,都有飛速發展。

第一台加工中心是1958年由美國卡尼特雷克公司首先研製成功的。它在數控卧式鏜銑床的基礎上增加了自動換刀裝置,從而實現了工件一次裝夾后即可進行銑削、鑽削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能數控機床。

工件在加工中心上經一次裝夾后,能對兩個以上的表面完成多種工序的加工,並且有多種換刀或選刀功能,從而使生產效率大大提高。這是製造技術發展過程中的一個重大突破,標誌著製造領域中數控加工時代的開始。數控加工是現代製造技術的基礎,這一發明對於製造行業而言,具有劃時代的意義和深遠的影響。世界上主要工業發達國家都十分重視數控加工技術的研究和發展。

中國於1958年開始研製數控機床,成功試製出配有子管數控系統的數控機床,1965年開始批量生產配有晶體管數控系統的三坐標數控銑床。經過幾十年的發展,數控機床已實現了計算機控制並在工業界得到廣泛應用,在模具製造行業的應用尤為普及。

5 數控機床 -基本分類

加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能數控機床。工件在加工中心上經一次裝夾后,能對兩個以上的表面完成多種工序的加工,並且有多種換刀或選刀功能,從而使生產效率大大提高。加工中心按其加工工序分為鏜銑和車削兩大類,按控制軸數可分為三軸、四軸和五軸加工中心。
數控機床加工中心

車、銑、刨、磨、鏜、鑽、電火花、剪板、折彎、激光切割等等都是機械加工方法,所謂機械加工,就是把金屬毛坯零件加工成所需要的形狀,包含尺寸精度和幾何精度兩個方面。能完成以上功能的設備都稱為機床,數控機床就是在普通機床上發展過來的,數控的意思就是數字控制。給機床裝上數控系統后,機床就成了數控。數控機床除了銑鏜加工中心,數控銑床,數控車床以外,還有數控鈑金設備,包括數控折彎機。數控設備有通用加工編程NC語言和刀軌編程APT語言。

普通數控銑床不加刀庫。裝了刀庫的叫加工中心。好處就是可以不用換機器,減少重新裝夾累計誤差和不同的機床誤差。

3軸機床(工作台X.Y向動,刀軸Z向動)最廣泛,用於加工模具等帶複雜曲面的小批量產品。

4軸(刀軸擺動)可在一個工位上,加工三軸機床無法加工的倒扣面,死角。4軸(加旋轉軸),類似於車床的旋轉軸加工方式。可將零件繞某一軸翻轉任意角度進行加工(一次裝夾,加工上下前後4個工位)。減少了夾具和重複安裝誤差。優勢在於加工軸類、盤類、人工骨骼等。

5軸(刀軸兩向擺)可以在一個工位上,一次加工產品上所有無法加工的倒扣面和死角。而對應的4軸只能分兩次加工。五軸(工作台兩向擺動/轉動)可加工所有未被夾具包裹的面。理論上只要兩個工位即可。而且刀軸永遠垂直於加工面。精度極高,質量極好。五軸(刀軸與工作台組合擺動)也有獨到之處,能夠達到5軸(刀軸兩向擺)相似的效果。

21       五軸聯動加工中心

七軸以上聯動機床(或叫並聯機床)是最新出現的高科技機床。用於加工飛機發動機渦輪葉片,潛艇螺旋槳等軍方和航空航天高精度曲面。機床有7個自由度,能夠達到的加工精度是普通多軸高精度數控機床所無法比擬的。而且表面質量超棒。

6 數控機床 -具體分類

數控機床數控機床
針對車削、銑削、磨削、鑽削和刨削等金屬切削加工工藝及電加工、激光加工等特種加工工藝的需求,開發了各種門類的數控加工機床。數控機床種類繁多,一般將數控機床分為16大類:

1、數控車床(含有銑削功能的車削中心)
2、數控銑床(含銑削中心)
3、數控鏗床
4、以銑程削為主的加工中心.
5、數控磨床(含磨削中心)
6、數控鑽床(含鑽削中心)
7、數控拉床
8、數控刨床
9、數控切斷機床
10、數控齒輪加工機床
11、數控激光加工機床
12、數控電火花線切割機床
13、數控電火花成型機床(含電加工中心)
14、數控板村成型加工機床
15、數控管料成型加工機床
16、其他數控機

7 數控機床 -數控編程數控編程

數控編程是指根據被加工零件的圖紙和技術要求、工藝要求,將零件加工的工藝順序、工序內的工步安排、刀具相對於工件運動的軌跡與方向、工藝參數及輔助動作等,用數控系統所規定的規則、代碼和格式編製成文件,並將程序單的信息製作成控制介質的整個過程。

一、數控機床編程的方法

數控機床程序編製的方法有三種:即手工編程、自動編程和CAD/CAM。

1、手工編程:由人工完成零件圖樣分析、工藝處理、數值計算、書寫程序清單直到程序的輸入和檢驗。適用於點位加工或幾何形狀不太複雜的零件,但是,非常費時,且編製複雜零件時,容易出錯。

2、自動編程:使用計算機或程編機,完成零件程序的編製的過程,對於複雜的零件很方便。

3、CAD/CAM:利用CAD/CAM軟體,實現造型及圖象自動編程。最為典型的軟體是MasterCAM,其可以完成銑削二坐標、三坐標、四坐標和五坐標、車削、線切割的編程,此類軟體雖然功能單一,但簡單易學,價格較低,仍是目前中小企業的選擇。

二、數控機床程序編製的內容和步驟

1、數控機床編程的主要內容:分析零件圖樣、確定加工工藝過程、進行數學處理、編寫程序清單、製作控制介質、進行程序檢查、輸入程序以及工件試切。

2、數控機床的步驟:分析零件圖樣和工藝處理。根據圖樣對零件的幾何形狀尺寸,技術要求進行分析,明確加工的內容及要求,決定加工方案、確定加工順序、設計夾具、選擇刀具、確定合理的走刀路線及選擇合理的切削用量等。同時還應發揮數控系統的功能和數控機床本身的能力,正確選擇對刀點,切入方式,盡量減少諸如換刀、轉位等輔助時間。

三、數學處理

編程前,根據零件的幾何特徵,先建立一個工件坐標系,根據零件圖紙的要求,制定加工路,在建立的工件坐標繫上,首先計算出刀具的運動軌跡。對於形狀比較簡單的零件(如直線和圓弧組成的零件),只需計算出幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心、兩幾何元素的交點或切點的坐標值。編寫零件程序清單加工路線和工藝參數確定以後,根據數控系統規定的指定代碼及程序段格式,編寫零件程序清單。

四、數控加工程序的結構

1、程序的構成:由多個程序段組成,O0001;O(FANUC-O,AB8400-P,SINUMERIK8M-%)機能指定程序號,每個程序號對應一個加工零件。

2、程序段格式:(1)字地址格式:如N020G90G00X50Y60;最常用的格式,現代數控機床都採用它。地址N為程序段號,地址G和數字90構成字地址為準備功能。

(2)可變程序段格式:如B2000B3000BB6000;使用分割符B各開各個字,若沒有數據,分割符不能省去。常見於數控線切割機床,另外,還有3B編程等格式。

(3)固定順序程序段格式:如0070102500-13400153002。

8 數控機床 -數控改造

      
數控機床卧式加工中心
數控機床中,一套數控系統的有效使用壽命在6—8年。由於電子技術迅速發展,世界上名牌的數控系統製造公司基本上都在3—5年內更換一代產品,所以數控系統使用到6—7年後,即使想修理也很難找到零備件。隨著電子技術製造水平發展,數控系統及配套附件(伺服單元及電機等)的價格在整台機床中越來越低,例如在70年代時達到50%,80年代后逐步降至1/3到1/4以下,一些大型機床只佔1/10左右,因此,只要化少量投入,就可使許多關鍵設備重新恢復「青春」。因此在機械製造業中,尤其在機床製造行業中,應該充分利用自己的技術特長,去迅速佔領市場,為國民經濟的迅速發展作出自己的行業貢獻。

第一步數控化改造項目的可行性評估,對一台具體設備是否需要進行數控改造、改造目的、希望能達到什麼樣應用指標、需要投入多少財力和人力、改造項目中有多少風險因素、最後能得到什麼性能價格比。這些都是可行性評估時的重要內容。

第二步就是對改造設備提出希望改造后能達到的目標期待值,即有什麼樣的機床精度和使用性能。

第三步在確定改造目標值后,要進行投入財力和人力的估算,即投入資金的評估。投入資金多少與制訂改造目標高低密切相關。

經過上述三階段工作,一台設備的改造方案基本已定,但必須對這方案進行風險評估。一台舊機床即使有再齊全的技術檔案也不排斥存在隱患,存在一些不可預見因素影響,尤其技術含量高的設備。在做改造方案時,不可能對設備進行現狀大解剖,不可能拿到機床現狀精確測試數據,因此在以後實施改造工作中還會碰到意料之外的問題。對這類問題,就要求承包工程部門根據自己的技術經驗,在現場調研的基礎上,做出風險評估和制訂相應對策。另一種做法是委託方和承包方雙方都意識到風險客觀存在,在工程項目費中,設置不可預見費用來共同承擔風險。總之,多項改造工程經驗表明:預先正視項目的風險因素,儘管在工程實施中有許多問題,但是可以化險為夷的。事先重視,一旦出現問題有對策,是工程成功的基本要素之一。

9 數控機床 -改造步驟

數控機床數控車床
(1)舊設備基本評估;
(2)確定改造方案;
(3)落實改造投入資金;
(4)尋找委託單位,簽訂有關改造合同協議;
(5)整理消化機床現有資料、數據;
(6)現場測繪舊設備電氣、機械部件;
(7)對CNC、PLC、機床電氣、機械改造內容進行設計、訂貨、製造;
(8)對機床其餘機電系統、液壓系統、輔件進行現場拆修、保養、更換;
(9)對機床改造部分進行現場施工、安裝和連接;
(10)機床聯調試驗;
(11)修調恢復機床幾何精度、定位精度;
(12)機床及控制系統各部分功能聯動試驗,工作可靠性運行;
(13)機床交檢查驗收;
(14)機床試生產切削運行。

10 數控機床 -注意事項

數控機床數控車床
數控機床的大量應用,極大地提升了製造業的製造能力的產品的質量水平。但數控機床的操作人員多數是由普通機床的操作者轉過來的。在這些人員中只有少數接受過較為正規的培訓,多數企業仍然沿用「師傅帶徒弟」的方式培養操作者。必須指出數控機床與普通機床有著很大的不同。對於它的特性還要在實踐中不斷加深認識,只有下功夫充分認識認真研究數控機床使用中規律,才能使其在製造業中發揮應有的作用。

1、清潔問題

普通機床大多採用乾式切削,由於工件氧化皮和切屑影響很難保證清潔。而數控機床基本採用濕式切削,在切削液的作用下氧化皮和切屑被清潔乾淨,加工件的表面質量有很大的提高。但其刀柄、刀架、刀座之間的配合面精度非常高,如果不注意這些部位的潔凈則極易造成這些部位精度的喪失。輕則使這一刀位裝刀后精度下降,引起切削振動或不能進行精加工,重則使這一刀位完全不能使用。因此在將刀座裝上刀架之前必須將配合面仔細清潔乾淨。卡盤爪的配合面也是如此。在這裡清潔看似小問題但卻會造成非常嚴重的後果。

2、程序中刀具號的調整

 數控機床是由零件的數控加工程序來控制完成各種動作的。數控程序的編製人員在編製程序時會考慮每一把刀具的長度、用途和其他刀具的相互關係等因素把它安排在適當的位置。數控機床的操作者考慮到刀架現有刀具的情況,為了節省準備時間,可能會改動一些刀具號。需要注意的是:這相當於改動加工程序,重排刀具位置,因此必須仔細認真慎之又慎。尤其當一把刀具有不止一個刀具數據值時(如:數控車床中的切刀兩個刀尖各有一個數據值)。例如:改0808 為0404時也要改0809為0405,否則刀具還沒有離開工件就會換刀,從而造成重大事故。

3、關注加工過程

普通機床的產品加工質量主要是由操作者的技術水平決定的,同一台機床,操作者的水平高低決定了加工質量的優劣。而數控機床的加工質量主要由機床數控系統的精度、工件加工程序中的切削參數和刀具共同來保證,在這這裡操作者的作用主要是關注加工過程,保證刀具、夾具處於正常工作狀態。但數控機床有安全門自鎖裝置,一般情況下不關上安全門加工程序便無法運行,加之有切削液的參與,使操作者不易直接觀察到刀片的切削狀態。這樣就更需要操作人員加強責任心提高警惕,認真聽聲音、仔細觀察機床負載變化。做到隨時準備採取措施控制機床的運行。加工過程中還要仔細檢查加工件的尺寸和表面質量情況,如突然有毛刺產生,可能刀具鬆動等。要認真積累刀具壽命數據,按時檢查和更換刀片,保證切削處於正常狀態,決不能越干膽越大,認為只要關上門,按下循環啟動鍵機床便會自己運行。甚至於在機床運行的情況下擅離工作崗位,造成刀具和工件的損壞。

此外,數控機床的操作人員必須養成嚴格按操作規程辦事的良好習慣。每天檢查液壓系統,定期檢查電氣櫃空調濾網,確保其處於正常狀態,杜絕安全隱患。

11 數控機床 -分類標準

數控機床數控機床
一、按工藝用途分類

(1)金屬切削類數控機床:包括數控車床、數控鑽床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床發及加工中心.這些機床都有適用於單件、小批量和多品種和零件加工,具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生產率和自動化程度,以及很高的設備柔性。金屬成型類數控機床:這類機床包括數控折彎機,數控組合沖床、數控彎管機、數控迴轉頭壓力機等。

(2)數控特種加工機床:這類機床包括數控線(電極)切割機床、數控電火花加工機床、數控火焰切割機、數控激光切割機床、專用組合機床等。

(3)其他類型的數控設備:非加工設備採用數控技術,如自動裝配機、多坐標測量機、自動繪圖機和工業機器人等。

二、按運動方式分類

(1)點位控制:點位控制數控機床的特點是機床的運動部件只能夠實現從一個位置到另一個位置的精確運動,在運動和定位過程中不進行任何加工工序。如數控鑽床、數按坐標鏜床、數控焊機和數控彎管機等。

(2)直線控制:點位直線控制的特點是機床的運動部件不僅要實現一個坐標位置到另一個位置的精確移動和定位,而且能實現平行於坐標軸的直線進給運動或控制兩個坐標軸實現斜線進給運動。

(3)輪廓控制:輪廓控制數控機床的特點是機床的運動部件能夠實現兩個坐標軸同時進行聯動控制。它不僅要求控制機床運動部件的起點與終點坐標位置,而且要求控制整個加工過程每一點的速度和位移量,即要求控制運動軌跡,將零件加工成在平面內的直線、曲線或在空間的曲面。

數控機床數控機床
三、按控制方式分類

(1)開環控制:即不帶位置反饋裝置的控制方式。

(2)半閉環控制:指在開環控制伺服電動機軸上裝有角位移檢測裝置,通過檢測伺服電動機的轉角間接地檢測出運動部件的位移反饋給數控裝置的比較器,與輸入的指令進行比較,用差值控制運動部件。

(3)閉環控制:是在機床的最終的運動部件的相應位置直接直線或迴轉式檢測裝置,將直接測量到的位移或角位移值反饋到數控裝置的比較器中與輸入指令移量進行比較,用差值控制運動部件,使運動部件嚴格按實際需要的位移量運動。

四、按數控制機床的性能分類:經濟型數控機床;中檔數控機床;高檔數控機床;

五、按所用數控裝置的構成方式分數:硬線數控系統;軟線數控系統;

12 數控機床 -控制語言

數控機床數控機床

數控機床主要控制語言 分為ATL語言和NC語言兩種語言。

ATL語言由CAM軟體產生,用來描述刀具運行軌跡的一種說明性語言,並且可在CAM軟體里逐行進行加工模擬模擬。NC語言由後置處理器產生,是實際輸入機床的加工語言。

NC程序也可以直接在數控機床上編寫。主要有G代碼(加工代碼),M代碼(輔助功能),T代碼(刀具),S,F(主軸轉速和切屑速度)等。普通加工就是用機床內存中已有的NC程序來進行加工,可以連續加工也可以單步加工。

13 數控機床 -維護保養

數控機床數控機床教材
數控機床的維護概述:延長元器件的壽命和零部件的磨損周期,預防各種故障,提高數控機床的平均無故障工作時間和使用壽命。

數控機床使用中應注意的問題

1、數控機床的使用環境對於數控機床最好使其置於有恆溫的環境和遠離震動較大的設備(如沖床)和有電磁干擾的設備。
2、電源要求。
3、數控機床應有操作規程進行定期的維護、保養,出現故障注意記錄保護現場等。
4、數控機床不宜長期封存。
5、注意培訓和配備操作人員、維修人員及編程人員數控系統的維護。
6、嚴格遵守操作規程和日常維護制度。
7、防止灰塵進入數控裝置內漂浮的灰塵和金屬粉末容易引起元器件間絕緣電阻下降,從而出現故障甚至損壞元器件。
8、定時清掃數控櫃的散熱通風系統。
9、經常監視數控系統的電網電壓、電網電壓範圍在額定值的85%~110%。
10、定期更換存儲器用電池。
11、數控系統長期不用時的維護經常給數控系統通電或使數控機床運行溫機程序。
12、備用電路板的維護機械部件的維護。

機械部件的維護

數控機床數控電火花線切割機床

1、刀庫及換刀機械手的維護

(1)用手動方式往刀庫上裝刀時,要保證裝到位,檢查刀座上的鎖緊是否可靠;
(2)嚴禁把超重、超長的刀具裝入刀庫,防止機械手換刀時掉刀或刀具與工件、夾具等發生碰撞;
(3)採用順序選刀方式須注意刀具放置在刀庫上的順序是否正確。其他選刀方式也要注意所換刀具號是否與所需刀具一致,防止換錯刀具導致事故發生;
(4)注意保持刀具刀柄和刀套的清潔;
(5)經常檢查刀庫的回零位置是否正確,檢查機床主軸回換刀點位置是否到位,並及時調整,否則不能完成換刀動作;
(6)開機時,應先使刀庫和機械手空運行,檢查各部分工作是否正常,特別是各行程開關和電磁閥能否正常動作。

2、滾珠絲杠副的維護

(1)定期檢查、調整絲杠螺母副的軸向間隙,保證反向傳動精度和軸向剛度;
(2)定期檢查絲杠支撐與床身的連接是否鬆動以及支撐軸承是否損壞。如有以上問題要及時緊固鬆動部位,更換支撐軸承;
(3)採用潤滑脂的滾珠絲杠,每半年清洗一次絲杠上的舊油脂,更換新油脂。用潤滑油潤滑的滾珠絲杠,每天機床工作前加油一次;
(4)注意避免硬質灰塵或切屑進入絲杠防護罩和工作過程中碰擊防護罩,防護裝置一有損壞要及時更換。

3、主傳動鏈的維護

(1)定期調整主軸驅動帶的鬆緊程度;
(2)防止各種雜質進入油箱。每年更換一次潤滑油;
(3)保持主軸與刀柄連接部位的清潔。需及時調整液壓缸和活塞的位移量;
(4)要及時調整配重。

4、液壓系統維護
(1)定期過濾或更換油液;
(2)控制液壓系統中油液的溫度;
(3)防止液壓系統泄漏;
(4)定期檢查清洗油箱和管路;
(5)執行日常點檢查制度。

5、氣動系統維護

(1)清除壓縮空氣的雜質和水分;
(2)檢查系統中油霧器的供油量;
(3)保持系統的密封性;
(4)注意調節工作壓力;
(5)清洗或更換氣動元件、濾芯;

14 數控機床 -應用領域

由於數控機床的上述特點,適用於數控加工的零件有:1、批量小而又多次重複生產的零件;2、幾何形狀複雜的零件;3、貴重零件加工;4、需要全部檢驗的零件;5、試製件。

15 數控機床 -選用原則

(1)實用性:是指明確數控機床來解決生產中的哪一個或哪幾個問題。

(2)經濟性:是指所選用的數控機床在滿足加工要求的條件下,所支付的代價是最經濟的或者是較為合理的。

(3)可操作性:用戶選用的數控機床要與本企業的操作和維修水平相適應。

(4)穩定可靠性:是指機床本身的質量,選擇名牌產品能保證數控機床工作時穩定可靠。

16 數控機床 -檢測方法

數控機床大型數控機床
檢驗數控機床的定位精度用步距規這種精密儀器。檢測數控機床各坐標方向定位精度,將步距規放置在工作台上並沿某一坐標方向(X、Y、Z)調整基體使之與某一導軌方向平行(斜度100:0.01)。在主軸頭架上吸附剛性較高的磁力表座並裝上槓桿千分表。因槓桿千分表的質量對檢測結果影響較大,故應選用精度高尤其重複性好(不超過0.001mm)的高檔槓桿千分表。

測量時槓桿千分表測頭應處於各量塊工作面中心區域。測量Z軸方向(垂直方向)定位精度時,應將步距規直立放置進行檢驗。出廠檢驗報告已標出步距規各工作尺寸偏差值,處理測量結果時應將測得值加上工作尺寸的偏差值(帶正負號)。

修正後的測量結果即為各坐標方向的定位誤差,將某坐標方向各點的定位誤差記錄並繪成坐標曲線,利用記錄和曲線圖,藉助有關軟體進行誤差修正。陶瓷工作量塊的熱膨脹率為(9.5±1.0)×10-6K-1,中間墊塊與鋼質量塊的熱膨脹率為(11.5±1.0)×10-6K-1;當環境溫度偏離20°C,還應考慮溫度變化可能引起的測量誤差。

17 數控機床 -發展趨勢

數控機床數控機床
高速、精密、複合、智能和綠色是數控機床技術發展的總趨勢,在實用化和產業化等方面取得可喜成績。主要表現在:

1、機床複合技術進一步擴展隨著數控機床技術進步,複合加工技術日趨成熟,包括銑-車複合、車銑複合、車-鏜-鑽-齒輪加工等複合,車磨複合,成形複合加工、特種複合加工等,複合加工的精度和效率大大提高。「一台機床就是一個加工廠」、「一次裝卡,完全加工」等理念正在被更多人接受,複合加工機床發展正呈現多樣化的態勢。

2、智能化技術有新突破數控機床的智能化技術有新的突破,在數控系統的性能上得到了較多體現。如:自動調整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段,智能化提升了機床的功能和品質。

3、機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用,使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑複合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、衝壓機床、激光加工機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經開始應用。

4、精密加工技術有了新進展數控金切機床的加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前的微米級(0.001mm),有些品種已達到0.05μm左右。超精密數控機床的微細切削和磨削加工,精度可穩定達到0.05μm左右,形狀精度可達0.01μm左右。採用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級(0.001μm)。通過機床結構設計優化、機床零部件的超精加工和精密裝配、採用高精度的全閉環控制及溫度、振動等動態誤差補償技術,提高機床加工的幾何精度,降低形位誤差、表面粗糙度等,從而進入亞微米、納米級超精加工時代。

5、功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發展,並取得成熟的應用。全數字交流伺服電機和驅動裝置,高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機,高性能的直線滾動組件,高精度主軸單元等功能部件推廣應用,極大的提高數控機床的技術水平。

18 數控機床 -數控機床伺服控制系統

伺服控制方式分類

數控機床伺服系統按用途和功能分為進給驅動系統和主軸驅動系統;按控制原理和有無檢測反饋環節分為開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統;按使用的執行元件分為電液伺服系統和電氣伺服系統。

1.按用途和功能分:
(1)進給驅動系統:是用於數控機床工作台坐標或刀架坐標的控制系統,控制機床各坐標軸的切削進給運動,並提供切削過程所需的力矩。主要關心其力矩大小、調速範圍大小、調節精度高低、動態響應的快速性。進給驅動系統一般包括速度控制環和位置控制環。
(2)主軸驅動系統:用於控制機床主軸的旋轉運動,為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。主要關心其是否有足夠的功率、寬的恆功率調節範圍及速度調節範圍;它只是一個速度控制系統。

2.按使用的執行元件分:
(1)電液伺服系統其伺服驅動裝置是電液脈衝馬達和電液伺服馬達。其優點是在低速下可以得到很高的輸出力矩,剛性好,時間常數小、反應快和速度平穩;其缺點是液壓系統需要供油系統,體積大、雜訊、漏油等。
(2)電氣伺服系統其伺服驅動裝置伺服電機(如步進電機、直流電機和交流電機等)。其優點是操作維護方便,可靠性高。其中,
1)直流伺服系統其進給運動系統採用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機;主運動系統採用他激直流伺服電機。其優點是調速性能好;其缺點是有電刷,速度不高。
2)交流伺服系統其進給運動系統採用交流感應非同步伺服電機(一般用於主軸伺服系統)和永磁同步伺服電機(一般用於進給伺服系統)。優點是結構簡單、不需維護、適合於在惡劣環境下工作;動態響應好、轉速高和容量大。

3.按控制原理分

(1)開環伺服系統

系統中沒有位置測量裝置,信號流是單向的(數控裝置→進給系統),故系統穩定性好。

開環伺服系統的特點:

1.一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。

2.無位置反饋,精度相對閉環系統來講不高,機床運動精度主要取決於伺服驅動電機和機械傳動機構的性能和精度。步進電機步距誤差,齒輪副、絲杠螺母副的傳動誤差都會反映在零件上,影響零件的精度。

3.結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉;因此在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用於經濟型數控機床。

(2)閉環伺服系統

系統中有反饋控制系統,位置採樣點從工作台引出,可直接對最終運動部件的實際位置進行檢測;能得到更高的速度、精度和驅動功率。

閉環伺服系統的特點:

1.從理論上講,可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和

失動量。具有很高的位置控制精度。從理論上講,機床運動精度只取決於檢測裝置的精度,與傳動鏈誤差無關。但實際對傳動鏈和機床結構仍有嚴格要求。

2.由於位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的,故很容易造成系統的不穩定,使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。該系統主要用於精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。

(3)半閉環伺服系統

系統的位置採樣點是從伺服電機或絲杠的端部引出,採樣旋轉角度進行檢測,不是直接檢測最終運動部件的實際位置。

半閉環伺服系統的特點:

1.半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節,因此可獲得穩定的控制性能,其系統的穩定性雖不如開環系統,但比閉環要好。

2.由於絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除,因此,其精度較閉環差,較開環好。但可對這類誤差進行補償,因而仍可獲得滿意的精度。

3.由於半閉環伺服系統結構簡單、調試方便、精度也較高,因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。

19 數控機床 -進給驅動系統

進給驅動系統的性能在一定程度上決定了數控系統的性能,直接影響了加工工件的精度。對它做好良好的維護與維修,是數控機床的關鍵。

20 數控機床 -進給驅動系統概述

進給驅動系統的性能在一定程度上決定了數控系統的性能,決定了數控機床的檔次,因此,在數控技術發展的歷程中,進給驅動系統的研製和發展總是放在首要的位置。

數控系統所發出的控制指令,是通過進給驅動系統來驅動機械執行部件,最終實現機床精確的進給運動的。數控機床的進給驅動系統是一種位置隨動與定位系統,它的作用是快速、準確地執行由數控系統發出的運動命令,精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數控機床的許多性能,如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。

21 數控機床 -數控機床對進給驅動系統的要求

1、調速範圍要寬
調速範圍rn是指進給電動機提供的最低轉速nmin和最高轉速nmax之比,即:rn=nmin/nmax。

在各種數控機床中,由於加工用刀具、被加工材料、主軸轉速以及零件加工工藝要求的不同,為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件,就要求進給驅動系統必須具有足夠寬的無級調速範圍(通常大於1∶10000)。尤其在低速(如<0.1r/min)時,要仍能平滑運動而無爬行現象。

脈衝當量為1μm/P情況下,最先進的數控機床的進給速度從0~240m/min連續可調。但對於一般的數控機床,要求進給驅動系統在0~24m/min進給速度下工作就足夠了。

2、定位精度要高
使用數控機床主要是為了:保證加工質量的穩定性、一致性,減少廢品率;解決複雜曲面零件的加工問題;解決複雜零件的加工精度問題,縮短製造周期等。數控機床是按預定的程序自動進行加工的,避免了操作者的人為誤差,但是,它不可能應付事先沒有預料到的情況。就是說,數控機床不能像普通機床那樣,可隨時用手動操作來調整和補償各種因素對加工精度的影響。因此,要求進給驅動系統具有較好的靜態特性和較高的剛度,從而達到較高的定位精度,以保證機床具有較小的定位誤差與重複定位誤差(目前進給伺服系統的解析度可達1μm或0.1μm,甚至0.01μm);同時進給驅動系統還要具有較好的動態性能,以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。

3、快速響應,無超調
為了提高生產率和保證加工質量,除了要求有較高的定位精度外,還要求有良好的快速響應特性,即要求跟蹤指令信號的響應要快。一方面,在啟、制動時,要求加、減加速度足夠大,以縮短進給系統的過渡過程時間,減小輪廓過渡誤差。一般電動機的速度從零變到最高轉速,或從最高轉速降至零的時間在200ms以內,甚至小於幾十毫秒。這就要求進給系統要快速響應,但又不能超調,否則將形成過切,影響加工質量;另一方面,當負載突變時,要求速度的恢復時間也要短,且不能有振蕩,這樣才能得到光滑的加工表面。

要求進給電動機必須具有較小的轉動慣量和大的制動轉矩,儘可能小的機電時間常數和起動電壓。電動機具有4000r/s2以上的加速度。

4、低速大轉矩,過載能力強
數控機床要求進給驅動系統有非常寬的調速範圍,例如在加工曲線和曲面時,拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進給驅動系統在低速時保持恆力矩輸出,無爬行現象,並且具有長時間內較強的過載能力,和頻繁的起動、反轉、制動能力。一般,伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力,在短時間內可以過載4~6倍而不損壞。

5、可靠性高
數控機床,特別是自動生產線上的設備要求具有長時間連續穩定工作的能力,同時數控機床的維護、維修也較複雜,因此,要求數控機床的進給驅動系統可靠性高、工作穩定性好,具有較強的溫度、濕度、振動等環境適應能力,具有很強的抗干擾的能力。

22 數控機床 -進給驅動系統的基本形式

進給驅動系統分為開環和閉環控制兩種控制方式,根據控制方式,我們把進給驅動系統分為步進驅動系統和進給伺服驅動系統。開環控制與閉環控制的主要區別為是否採用了位置和速度檢測反饋元件組成了反饋系統。閉環控制一般採用伺服電動機作為驅動元件,根據位置檢測元件所處在數控機床不同的位置,它可以分為半閉環、全閉環和混合閉環三種。

開環數控系統
無位置的控制方式就稱為開環控制,採用開環控制作為進給驅動系統,則稱開環數控系統。一般使用步進驅動系統(包括電液脈衝馬達)作為伺服執行元件。所以也叫步進驅動系統。在開環控制系統中,數控裝置輸出的脈衝,經過步進驅動器的環形分配器或脈衝分配軟體的處理,在驅動電路中進行功率放大后控制步進電動機,最終控制步進電動機的角位移。步進電動機再經過減速裝置(一般為同步帶,或直接連接)帶動絲杠旋轉,通過絲杠將角位移轉換為移動部件的直線位移。因此,控制步進電動機的轉角與轉速,就可以間接控制移動部件的移動,俗稱位移量。圖1為開環控制伺服驅動系統的結構框圖。

數控機床圖1 半閉環數控系統

採用開環控制系統的數控機床結構簡單,製造成本較低,但是由於系統對移動部件的實際位移量不進行檢測,因此無法通過反饋自動進行誤差檢測和校正。另外,步進電動機的步距角誤差、齒輪與絲杠等部件的傳動誤差,最終都將影響被加工零件的精度。特別是在負載轉矩超過輸出轉矩時,將導致的「丟步」,使加工出錯。因此,開環控制僅適用於加工精度要求不高,負載較輕且變化不大的簡易、經濟型數控機床上。

半閉環數控系統
圖2所示為半閉環數控系統的進給控制框圖。半閉環位置檢測方式一般將位置檢測元件安裝在電動機的軸上(通常已由電動機生產廠家安裝好),用以精確控制電動機的角度,然後通過滾珠絲杠等傳動機構,將角度轉換成工作台的直線位移,如果滾珠絲杠的精度足夠高,間隙小,精度要求一般可以得到滿足。而且傳動鏈上有規律的誤差(如間隙及螺距誤差)可以由數控裝置加以補償,因而可進一步提高精度,因此在精度要求適中的中、小型數控機床上半閉環控制得到了廣泛的應用。

圖2:半閉環數控系統進給控制框圖

 
半閉環數控系統

數控機床(圖)半閉環數控系統

半閉環方式的優點是它的閉環環路短(不包括傳動機械),因而系統容易達到較高的位置增益,不發生振蕩現象。它的快速性也好,動態精度高,傳動機構的非線性因素對系統的影響小。但如果傳動機構的誤差過大或誤差不穩定,則數控系統難以補償。例如由傳動機構的扭曲變形所引起的彈性變形,因其與負載力矩有關,故無法補償。由製造與安裝所引起的重複定位誤差,以及由於環境溫度與絲杠溫度的變化所引起的絲杠螺矩誤差也不能補償。因此要進一步提高精度,只有採用全閉環控制方式。

全閉環數控系統
圖4-3所示為全閉環數控系統進給控制框圖。全閉環方式直接從機床的移動部件上獲取位置的實際移動值,因此其檢測精度不受機械傳動精度的影響。但不能認為全閉環方式可以降低對傳動機構的要求。因閉環環路包括了機械傳動機構,它的閉環動態特性不僅與傳動部件的剛性、慣性有關,而且還取決於阻尼、油的粘度、滑動面摩擦係數等因素。這些因素對動態特性的影響在不同條件下還會發生變化,這給位置閉環控制的調整和穩定帶來了困難,導致調整閉環環路時必須要降低位置增益,從而對跟隨誤差與輪廓加工誤差產生了不利影響。所以採用全閉環方式時必須增大機床的剛性,改善滑動面的摩擦特性,減小傳動間隙,這樣才有可能提高位置增益。全閉環方式廣泛應用在精度要求較高的大型數控機床上。

由於全閉環控制系統的工作特點,它對機械結構以及傳動系統的要求比半閉環更高,傳動系統的剛度、間隙、導軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統的穩定性,嚴重時甚至產生振蕩。

解決以上問題的最佳途經是採用直線電動機作為驅動系統的執行器件。採用直線電動機驅動,可以完全取消傳動系統中將旋轉運動變為直線運動的環節,大大簡化機械傳動系統的結構,實現了所謂的「零傳動」。它從根本上消除了傳動環節對精度、剛度、快速性、穩定性的影響,故可以獲得比傳統進給驅動系統更高的定位精度、快進速度和加速度。

數控機床(圖)全閉環數控系統進給控制框圖

圖3:全閉環數控系統進給控制框圖
 
全閉環數控系統進給控制框圖

混合式閉環控制

圖4-4所示為混合閉環控制。混合閉環方式採用半閉環與全閉環結合的方式。它利用半閉環所能達到的高位置增益,從而獲得了較高的速度與良好的動態特性。它又利用全閉環補償半閉環無法修正的傳動誤差,從而提高了系統的精度。混合適用於重型、超重型數控機床,因為這些機床的移動部件很重,設計時提高剛性較困難。

數控機床圖4 混合式環數控系統進給控制框圖
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