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数控机床工作原理组成及发展趋势

时间:2015-12-02  作者:伊延吉

数控机床工作原理组成及发展趋势
论文关键词:数控机床工作原理,发展趋势

数控机床是采用了数控技术的机床,它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说,将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上,然后输入数控系统,经过译码、运算,发出指令,自动控制机床上的刀具与工件之间的相对运动,从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件,这种机床即为数控机床。

一:数控机床的种类

①按数控机床运动轨迹分类

数控机床运动轨迹主要有三种形式:点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。

②.按进给伺服系统控制方式分类

由数控装置发出脉冲或电压信号,通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式:开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。

二:数控机床的硬件构成

数控机床一般由输入输出设备、数控装置(CNC)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。

2.数控加工程序指令代码

在数控机床加工程序中,我国和国际上都广泛使用准备功能G指令、辅助功能M指令、进给功能F指令、刀具功能T指令和主轴转速功能S指令等5种指令代码来描述加工工艺过程和数控机床的各种运动特征。

需要说明的是,数控机床的指令在国际上有很多标准,并不完全一致。而随着数控加工技术的发展、不断改进和创新,其系统功能更加强大和使用上会更加方便。在不同数控系统之间,功能指令字也会更加丰富,程序格式上的差异也会一定存在。

3.数控机床的编程

自从第一台数控铣床诞生后,数控加工技术在全世界各国得到迅速发展,对现代机械制造加工技术的发展起到重大推动作用。数控加工技术不仅涉及数控加工设备,还涉及数控加工工艺、工装和加工过程的自动控制等。

在目前生产中,数控加工设备的种类很多,不仅有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控冲床、电加工机床,车铣教工中心、镗铣加工中心、齿轮加工中心,还有各种柔性制造单元等等。从数控系统控制的轴数上看,不仅有简单的二轴控制、三轴控制、四轴、五轴控制,在高档数控系统中已经可以控制在几十个轴以上的运动状态。

数控加工技术的广泛应用突显在航空航天技术、汽车制造、模具制造、轮船制造、电子制造等各个制造行业中,和我们日常工作、生活密切相关。

下面,就数控加工技术基础知识作一简单介绍。

数控加工编程的基本概念

a.数控编程

所谓数控编程就是把零件的工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移量等信息用数控语言记录在程序单上,并经校核的全过程。为了与数控系统的内部程序(系统软件)及自动编程用的零件源程序相区别,把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序,简称为数控程序。

b.数控加工程序编制的方法

数控编程大体经过了机器语言编程、高级语言编程、代码格式编程和人机对话编程与动态仿真这样几个阶段。在上个世纪70年代,美国电子工业协会(EIA)和国际标准化组织(ISO)先后对数控机床坐标轴和运动方向、数控程序编程的代码、字符和程序段格式等制定了若干标准和规范(我国按照ISO标准也制定了相应的国家标准和部颁标准),从而出现了用代码和标示符号,按照严格的格式书写的数控加工源程序――代码格式编程程序。这种编写源程序技术的重大进步,意义极为深远。在这种编程方式出现后,凡是数控系统不论档次高低,均具有编程功能。因为编程过程的大为简化,使得机床操作者只要查阅、细读系统说明书就有能力编程。从而使数控机床走向大范围、广领域的应用。数控加工程序编制方法主要分为手工编程与自动编程两种。

4.数控机床的发展趋势

为了满足市场和科学技术发展的需要,为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求,数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。

a、开放式

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求,最重要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统,例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

b、基于PC的第六代方向

基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。

c、高速化、高效化

机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来,随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴,转速15000-100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。

根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展,高速直线电机的推广应用,开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快,模具、航空、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。

d、高精度化

精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性,减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工),是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级(<10nm),其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展,对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现,更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺,发展新型超精密加工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。

随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要,近10多年来,普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm,提高到±1~1.5μm。

e、高可靠性

数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品,受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,无故障率P(t)=99%以上的话,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

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