1数控机床原理.组成及分类
数控机床的工作原理、数控机床的工作原理、组成和分类
目 录
一、数控机床的概念.................................................................................................................. - 2 -
1.1 数控、数控系统及数控机床的概念........................................................................... - 2 -
1.2 NC机床与程控机床..................................................................................................... - 3 -
二、数控机床的工作原理.......................................................................................................... - 4 -
2.1 数控机床的加工工艺................................................................................................... - 4 -
2.2 数控机床的运动坐标和方向....................................................................................... - 5 -
2.3 机床原点和参考点....................................................................................................... - 6 -
2.4 工件坐标系、程序原点和对刀................................................................................... - 6 -
2.5 插补............................................................................................................................... - 7 -
2.5.1 插补的概念........................................................................................................ - 7 -
2.5.2 插补方法的分类................................................................................................ - 8 -
三、 数控机床的传动系统........................................................................................................ - 9 -
3.1 数控机床的主传动系统............................................................................................... - 9 -
3.1.1 数控机床主传动系统要求.............................................................................. - 10 -
3.1.2 数控机床的主轴变速方式.............................................................................. - 10 -
3.2 数控机床进给传动系统............................................................................................. - 13 -
3.2.1 滚珠丝杠螺母副.............................................................................................. - 13 -
3.2.2 导轨.................................................................................................................. - 13 -
3.2.3 回转工作台...................................................................................................... - 14 -
四、数控机床的组成................................................................................................................ - 15 -
4.1 数控系统的基本组成................................................................................................. - 15 -
4.2 数控机床的基本组成................................................................................................. - 16 -
4.3 常见数控机床组成图解............................................................................................. - 19 -
五、数控机床的分类................................................................................................................ - 21 -
5.1 按工艺方式分类......................................................................................................... - 21 -
5.2 按伺服控制系统运动方式分类................................................................................. - 21 -
5.3 按运动方式分类......................................................................................................... - 23 -
5.4按控制系统功能水平分.............................................................................................. - 24 -
5.5 数控机床的其他分类方法......................................................................................... - 24 -
六、数控机床的特点................................................................................................................ - 26 -
七、数控机床的技术参数........................................................................................................ - 28 -
八、数控机床的应用范围........................................................................................................ - 30 -
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一、数控机床的概念数控机床的概念
1.1 数控、数控、数控系统及数控机床的数控系统及数控机床的概念
数控即数字控制(Numerical Control ,简称
NC) 。数控技术即NC 技术,是指用数字化信息发
出指令对机械运动及加工过程进行自动控制的一
种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制,
因此,也可以称为计算机数控(Computerized
Numerical Control—CNC)。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息
控制,必须具备相应的硬件和软件。用来实现数
字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统
(Numerical Control System),数控系统的核心是数控装置(Numerical Controller)。
采用计算机数控技术的自动控制系统为计算机数控系统,其被控对象可以是生产过程或设备。如果被控对象是机床,则称为数控机床。
由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用NC (或CNC ),因此,在实际应用中,在不同场合NC (或CNC )具有三种不同含义,即:既可以在广义上代表一种控制技术,又可以在狭义上代表一种控制系统的实体,此外还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。
数控机床种类繁多,有钻铣镗类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等,凡是采用了数控技术进行控制的机床统称NC 机床。
带有自动刀具交换装置(Automatic Tool Changer—ATC)的数控机床(带有回转刀架的数控车床除外)称为加工中心(Machine Center—MC)。它通过刀具的自动交换,可以一次装夹完成多工序的加工,实现了工序的集中和工艺的复合,从而缩短了辅助加工时间,提高了机床的效率,减少了零件的安装、安装次数,提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。
在加工中心的基础上,通过增加多工作台(托盘)自动交换装置(Auto Pallet Changer—APC)以及其他相关装置,组成的加工单元称为柔性加工单元(Flexible Manufacturing Cell—FMC)。FMC 不仅实现了工序的集中和工艺的复合,而且通过工作台(托盘)的自动交换和较完善的自动检测、监控功能,可以进行一定时间的无人化加工,从而进一步提高了设备的加工效率。FMC 既是柔性制造系统的基础,又可以作为独立的自动化加工设备使用,因此,其发展速度较快。
在FMC 和加工中心的基础上,通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备,并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理,这样的制造系统称为柔性制造系统(Flexible Manufacturing System-FMS )。FMS 不仅可以进行长时间的无人化,而且可以实现多品种零件的全部加工或部件装配,实现了车间制造过程的自动化,它是一种高度自动化的先进制造系统。
随着科学技术的发展,为了适应市场需求多变的形势,对现代制造业来说,不仅需要发展车间制造过程的自动化,而且是实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合,构成的完整的生产制造系统,称为计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System-CIMS )。CIMS 将一个工厂的生产、经营活动进行了有机的集成,实现了更高效益、更高柔性的智能化生产,是当今自动化制造技术发展的最高阶段。
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1.2 NC机床与程控机床
NC 机床与程控机床是两种不同含义的机床,它们的控制要求和控制对象有本质的不同。一般来说,机床自动控制主要包括三方面内容:
1) 机床动作顺序的程序控制,典型的有组合机床、自动生产线等的流程与工步控制。其主要控制要求是根据机床的动作顺序表(如电磁阀等执行元件的动作表)。按规定的顺序通过执行原件依次动作,完成机床的动作流程。
2) 主电机与辅助电机的启动、停止、变速、冷却、润滑、排屑、自动换刀等辅助机能的控制。这些控制有的是实现机械加工必须的,有的是机床特殊动作和功能方面的需要。它可以通过继电器、接触器、变频器、调速器等进行控制。
对于只需要上述1)、2)两方面控制的加工设备,称为程序控制机床,简称程控机床。如:组合机床、自动生产线等。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)或可编程序机床控制器(Programmable Machine Controller----PMC)是实现以上控制的最佳选择。
3) 刀具(或坐标轴)移动轨迹控制。对刀具运动轨迹进行控制,使加工轮廓的必要条件,它包括移动速度控制、移动位置控制、移动轨迹控制等几个方面的基本要求,必须通过采用数控技术才能实现。
在数控机床上,对于运动部件的位移量控制,一般需要通过档铁、行程开关等检测元件的发信和对执行元件的通断控制实现。即便采用了伺服驱动装置的程控机床,一般也只能对各运动部件的移动速度、移动位置进行单独的控制和调整,因此,程控机床能够实现点位控制,但不能实现各部件间的“联动”,任意改变坐标轴(或刀具)在平面或空间的移动轨迹,故不能成为数控机床。
在数控机床上,通过数控系统的“插补”运算,实现了坐标轴的联动功能。它不仅可以控制移动部件的起点与终点坐标,而且还能同时控制各运动部件每一时刻的速度和位移,以及各运动部件间的相互关系,从而可以将工件加工要求的轮廓形状。这是数控机床与其他机床的本质区别,也是机床采取数控技术的根本原因。
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二、数控机床的工作原理
2.1 数控机床的加工工艺
数控机床是一种高度自动化的机床,它在加工工艺与加工表面形成方法上与普通机床基本相同,最根本的不同在于用数字化的信息来实现自动化控制的原理与方法。
在数控机床上加工零件时,首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数、刀具参数,再按数控机床规定采用的代码和程序格式,将与加工零件有关的信息如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数(主轴转速、切削进给量、背吃刀量) 以及辅助操作(换刀、主轴的正转与反转、切削液的开与关) 等编制成数控加工程序,然后将程序输入到数控装置中,经数控装置分析处理后,发出指令控制机床进行自动加工,如图2.1和图2.2所示。
图2.1 数控机床的一般工作形式
图2中,A 为被加工物的图纸,图纸上的数据大致分为两类:几何数据和工艺数据。这些数据是指示给数控设备命令的原始依据(简称“指令”)。B 为控制介质(或程序介质、输入介质),通常用纸带、磁带、磁盘等作为记载指令的控制介质。C 为数据处理和控制的电路,通常是一台控制计算机。原始数据经过它处理后,变成伺服机构能够接受的位置指令和速度指令。D 为伺服机构(或伺服系统),我们可以把“控制计算机(C )”比拟为人的“头脑”,则“伺服机构(D )”相当于人的“手”和“足”,我们要求伺服机构无条件地执行“大脑”的意志。E 为数控设备。F 为加工后的物件。这就是一般数控设备的工作过程。
图2.2 数控机床加工工艺流程
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2.2 数控机床的运动坐标和方向
图2.3 数控机床的运动坐标和方向的判定方法
正方向:正方向:刀具远离工件的方向。
Z 轴:平行于主轴的直线,工件固定时远离工件的方向为正,如图2.3所示。
X 轴:水平方向,平行于工件装夹面,如图2.4所示。
对于工件旋转的机床(车床、磨床等),X 轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板,且刀具离开工件旋转中心的方向是X 轴的正方向。
对于刀具旋转的机床(铣床、钻床、镗床等):
Z 轴水平(卧式),则从刀具(主轴) 向工件看时,X 坐标的正方向指向右边。
Z 轴垂直(立式):单立柱机床,从刀具向立柱看时,X 的正方向指向右边;
双立柱机床(龙门机床) ,从刀具向左立柱看时,X 轴的正方向指向右边。
Y 轴:右手笛卡尔坐标系确定,利用已确定的X 、Z 坐标的正方向,用右手定则或右手螺旋法则,确定Y 坐标的正方向。
右手定则:右手定则:大姆指指向+X,中指指向+Z,则+Y方向为食指指向。
右手螺旋法则:右手螺旋法则:在X Z平面,从Z 至X ,姆指所指的方向为+Y。
A 、B 、C :绕X 、Y 、Z 轴转动的右旋螺纹前进方向分别用A 、B 、C 表示,坐标轴相互关系由右手螺旋法则而定。
图2.4 机床运动坐标的判定
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2.3 机床原点和参考点
机床原点:机床原点:机床原点是指在机床上设置的一个固定点,即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来,是数控机床进行加工运动的基准参考点。
在数控车床上,机床原点一般取在卡盘后端面与主轴中心线的交点处,同时,通过设置参数的方法,也可将机床原点设定在X 、Z 坐标的正方向极限位置上,如2.5图所示。
在数控铣床上,机床原点一般取在X 、Y 、Z 坐标的正方向极限位置上。
图2.5 数控机床的坐标系
机床参考点:用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。其位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的,坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数,如图2.6图所示。
通常在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。而数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的。 数控机床开机时,必须先确定机床原点,而确定机床原点的运动就是回参考点的操作,这样通过确认参考点,就确定了机床原点。只有机床参考点被确认后,机床原点才被确认,刀具(或工作台)移动才有基准。
图2.6 机床的原点和参考点
2.4 工件坐标系、工件坐标系、程序原点和对刀
1. 工件坐标系
工件坐标系是编程人员在编程时设定的坐标系,也称为编程坐标系。通常编程人员选择工件上的某一已知点为原点,建立一个新的坐标系,称为工件坐标系。该坐标系的原点称为程序原点或编程原点。工件坐标系一旦建立便一直有效,直到被新的工件坐标系所取代。
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2. 程序原点
工件坐标系的原点,它是零件图上最重要的基准点,一般用G92或G54~G59指定。其选择原则:
A) 应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上;
B) 尽可能选在尺寸精度高、粗糙度低的表面上;
C) 最好选择在对称中心上。
3. 对刀——建立工件坐标系与机床坐标系的关系
编程人员在编制程序时,只要根据零件图样就可以选定编程原点、建立编程坐标系、计算坐标数值,而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置。
对于加工人员来说,则应在装夹工件、调试程序时,将编程原点转换为加工原点,并确定加工原点的位置,在数控系统中给予设定(即给出原点设定值),然后就可以自动加工了。 对刀是指零件被装夹到机床上之后,用某种方法获得编程原点在机床坐标系中的位置(即编程原点的机床坐标值)。
2.5 插补
2.5.1 插补的概念
如何控制刀具或工件的运动是数控机床的核心问题。数控机床的信息数字化就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量,即最小位移量。数控系统按照程序的要求,经过信息处理、分配,使坐标移动若干个最小位移量,实现刀具与工件的相对运动,完成零件的加工。
在数控机床中,刀具的运动轨迹是折线,因此刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动,只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线,当逼近误差相当小时,这些折线之和就接近曲线了。数控机床是以脉冲当量为单位,计算轮廓起点与终点之间的坐标值,进行有限分段,以折代直,以弦代弧,以直代曲,分段逼近,相连成轨迹的。CNC 装置每发出一个脉冲,机床执行部件的最小位移量称为脉冲当量。常用机床的脉冲当量为0.01~0.001 mm/脉冲,脉冲当量越小,数控机床精度越高。各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。
零件的轮廓形状是由各种线形如直线、螺旋线、抛物线、自由曲线等构成的,刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动,即按图形轨迹移动。但用户在输入的零件加工程序只能是各线段轨迹所必需的相关参数,不能满足要求。例如,对直线,仅提供起点和终点的坐标值;对圆弧,除必须提供起点和终点的坐标值外,还必须提供圆心相对于起点的位置数值以及圆弧的旋转方向。因此,数控系统必须在运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间) ,这就是插补。
然后,控制系统向相应坐标输出脉冲信号,控制各坐标轴(即进给运动各执行部件)的进给速度、进给方向和进给位移量等以达到精确加工的目的。
由此可将插补定义为:插补就是根据给定进给插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求,速度和给定轮廓线形的要求,在轮廓的已知点之间计算中间点的方法。已知点之间计算中间点的方法。它实质上是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。
数控系统对直线、圆弧进行的插补计算分别为直线插补,圆弧插补。数控系统能进行哪几种线形的插补计算,即具有哪几种插补功能。目前,绝大多数数控系统只有直线插补功能和圆弧插补功能。因此,数控机床只能作直线进给和圆弧进给,其指令为G01和G02/G03。
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直线插补(Line interpolation )是车床上常用的一种插补方式,在此方式中,两点间的插补沿着直线的点群来逼近,沿此直线控制刀具的运动。
2.5.2 插补方法的分类
目前常用的插补方法大致分为两类:脉冲增量插补和数字增量插补。
(1) 脉冲增量插补
主要用于采用步进电机驱动的开环系统。每次插补计算结束,CNC 装置向各坐标轴驱动装置发出一个脉冲,驱动步进电机带动机床移动部件运动。其基本思想是:用折线来逼近曲线(包括直线) 。
脉冲增量插补每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量) 。以一个个脉冲的方式输出给步进电机。脉冲增量插补的插补速度与进给速度密切相关,还受到步进电机最高运行频率的限制。脉冲增量插补的实现方法较为简单,比较容易用硬件来实现,也有用软件来完成这类算法的。这类插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法等。
逐点比较法的基本原理是:数控系统在控制加工过程中,逐点计算和判别加工误差,与规定的运动轨迹进行比较,由比较结果决定下一步的移动方向。这种算法的特点是:运算直观,插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均匀,而且输出脉冲的速度变化小,调节方便。因此,逐点比较法在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。
(2) 数字增量插补
主要用于采用交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环数控系统,也可以用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统。目前所使用的CNC 系统中,大多采用这类插补方法。CNC 装置产生的不是单个脉冲,而是标准的二进制数。其基本思想是,用直线段来逼近曲线(包括直线) 。
采用数字增量插补时,插补程序以一定的时间间隔定时进行。根据编程的速度将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段即轮廓步长,用弦线和割线逼近轮廓轨迹。在每一插补周期内,插补程序被调用一次,计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量而不是单个脉冲) ∆X 、∆Y 等,然后再计算出相应插补点位置的坐标值。插补运算速度与进给速度无严格的关系,因此可以达到较高的进给速度。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂,对计算机的运算速度有一定要求。这类插补算法有数字积分法、二阶近似插补法、时间分割法等。
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三、 数控机床的传动系统
数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床,它的机械部分较普通机床有更高的要求,如高精度、高刚度、高速度、低摩擦等。因此,无论是从机床布局、基础件结构设计,还是轴承的选择与配置,都十分注意提高它们的刚度;零部件的制造精度和精度保持性都比普通机床提高很多,基本上按精密或高精密机床考虑,如主轴轴承都采用C 级或超C 级轴承,传动丝杠采用高精度的滚珠丝杠螺母副。
数控机床的传动系统由主传动系统和进给传动系统组成。主传动和进给传动都广泛采用高性能的交、直流伺服电动机驱动。此外为提高数控机床的灵敏度,改善摩擦特性,数控机床普遍采用了滚珠丝杠螺母副、滚动导轨、贴塑导轨以降低摩擦损失,减少动、静摩擦系数之差,以避免爬行。为了防止不灵敏区产生,在进给传动系统中普遍采用消除间隙和预紧的措施,如图3.1和图3.2所示为数控车床的传动系统图。
图3.1 数控车床的结构图
图3.2数控车床的传动系统
3.1 数控机床的主传动系统
数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统;主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转,产生切削运动的运动轴,它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。与普通机床一样,数控机床也必须通过变速,才能使主轴获得不同的转速,以适应不同的加工要求;在变速的同时,还要求传递一定的功率和足够的转矩,来满足切削的需要。
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主传动系统是实现主运动的传动系统,它的转速高、传递的功率大,是数控机床的关键部件之一,对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格的要求。主传动电机已逐步被变频主轴电机和交流调速电机所代替,不再使用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机。由于主轴部件要求实现自动更换刀具或工件,因此主轴上设计有刀具自动夹紧机构。此外还有主轴准停装置。
3.1.1 数控机床主传动系统要求
作为高度自动化的设备,数控机床对主传动系统的基本要求如下:
(1) 为了能达到最佳的切削效果,数控机床一般都应在最佳的切削条件下工作,因此,主轴一般都要求能实现无级变速。
(2) 要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率,以适应高速、高效的加工需求。
(3) 为了降低噪声、减轻发热、减少振动,主传动系统应简化结构,减少传动件。
(4) 在加工中心上,还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置,以及主轴定向准停装置,以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。
(5) 为了扩展机床的功能,实现对C 轴位置(主轴回转角度) 的控制,主轴还需要安装位置检测装置,以便实现对主轴位置的控制。
3.1.2 数控机床的主轴变速方式
目前,主传动系统大致可分为以下大类。
1. 变速齿轮的主传动
如图3.3所示,通过少数几对齿轮降速,以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速,使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
齿轮传动的结构简单、紧凑,能传递较大的扭矩,能适应变转速、变载荷工作,应用最广。它的缺点是线速度不能过高。齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式。这种传动种类很多,如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿等,其中最常用的是直齿圆柱齿轮传动。
图3.3 主轴的齿轮传动
2. 通过带传动的主传动
如图3.4所示,带传动靠摩擦力传动(除同步齿形带外) 、结构简单、制造容易、成本低,
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在过载中会打滑,能起到过载保护作用。常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等,这 种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声,但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。 带传动缺点是有滑动,不能用在速比要求准确的场合,主要应用在小型数控机床上,由交流 电机通过皮带直接带动主轴。 。 同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。 同步齿形带无相 对滑动,传动比准确,传动精度高;厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小 适用于高速传动; 无需特别张紧,对轴和轴承压力小,传动效率高;不需要润滑,耐水耐腐蚀,能在高温下工 作,维护保养方便;传动比大。缺点是制造工艺复杂,安装条件要求高。
图 3.4 主轴的带传动 3.调速电机直接驱动的主传动 调速电机直接驱动的主传动 如图 3.5 所示,这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高了主轴 部件的刚度,但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴影响较大。
图 3.2 主轴的直接传动方式 4.电主轴 . 传统数控机床主轴驱动通常有三种方式: 电机经过有限级齿轮传动驱动主轴的方式, 电 机经过同步带传动驱动主轴的方式,电机直接驱动主轴的方式。它们分别适用于大、中、小 转矩的场合。这几种传动方式如果用于高速场合,会出现皮带打滑,振动和噪声加大,转动 惯量大的缺点,从而影响零件的表面加工质量。 超高速数控机床是实现超高速加工的物质基础,而高速主轴又是超高速数控机床的“核 心”部件,它的性能直接决定了机床的超高速加工性能,它不但要求较高的速度精度,而且要 求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。因此,具备相应的高转速和高精度、 高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。 电主轴具有结构紧凑、 重量轻、 惯性小、 动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动、污染和噪声,它在超高速切削机床上得 到了广泛的应用,如图 3.3。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家,都在高速数 控机床上广泛采用了电主轴结构。
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所谓电主轴结构就是将电机的转子直接作为机床的主轴,主轴单元的壳体就是电机座, 并配合其他安全保障措施,实现电机与机床主轴的一体化。电主轴结构的基本构成如图 3.4 所示,它通常由电主轴单元、轴承及其润滑单元、主轴冷却单元以及动平衡单元组成。
图 3.3 电主轴及其传感器
图 3.4 电主轴的结构 电主轴电机的类型的判定: ① 根据电主轴内装式电机的控制方法 普通交流变频电主轴——结构简单,成本低,但存在低速输出功率不稳的问题,难以满 足低速大扭矩的要求。 交流伺服电主轴——低速输出性能好, 可实现闭环控制, 经常用于加工中心等要求主轴 定位或有 C 轴功能传动的数控机床。 ② 根据电主轴内装式电机的输出特性 恒转矩电主轴——转矩是恒定的,输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削,电 主轴的转速越高,输出功率越大。 恒功率电主轴——在低速段的输出是恒转矩,高速段则是恒功率。主要用于镗、铣、车 削等切削范围广、工况变化大的场合。
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3.2 数控机床进给传动系统 进给运动是推进刀具或工件以维持切削得以继续的运动, 是零件成型运动的一部分。 数 控机床进给运动系统, 尤其是轮廓控制的进给运动系统, 必须对进给运动的位置和运动的速 度两个方面同时实现自动控制, 与普通机床相比, 要求其进给系统有较高的定位精度和良好 的动态响应特性。 数控机床的进给运动是伺服控制的对象, 数控机床对进给系统的要求体现 在高的传动精度与定位精度、传动稳定性好、灵敏性好(快速响应) 、宽的进给调速范围、 寿命长使用维护方便。一个典型数控机床闭环控制的进给系统,通常由位置比较放大单元、 驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。 进给传动系统基本组成如下: 传动机构——传动齿轮或同步带 运动变换机构——丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等 进给传动系统组成 导向机构——滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承 执行件——回转工作台 3.2.1 滚珠丝杠螺母副 工作原理:丝杆(螺母)旋转,滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母(丝杆)轴向 移动,如图3.5所示。 外滚道
内滚道 图3.5 滚珠丝杆螺母副 滚珠丝杠螺母副的特点: 1)滚珠丝杠螺母副具有传动效率高达 85%~96%,约为一般滑动丝杠副的 2~4 倍; 2)启动时无颤振,低速时无爬行; 3)静、动摩擦系统几乎相等; 4)寿命长,磨损小、精度保持性好; 5)可预紧消隙,提高系统的刚度。 3.2.2 导轨 数控机床上常见的导轨有直线导轨、弧线导轨和二维导轨,如图 3.6 和图 3.7 所示。
螺母
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图 3.6 直线导轨结构图
图 3.7 弧形导轨和二维导轨 3.2.3 回转工作台 为了提高生产效率,扩大工艺范围,数控机床除了沿 X、Y 和 Z 三个坐标轴的直线进 给运动之外,往往还带有绕 X、Y 和 Z 轴的圆周进给运动。一般数控机床的圆周进给运动 由回转工作台来实现。 数控铣床的回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动 进行曲面加工外,还可以实现精确的自动分度,这给箱体零件的加工带来了便利。对于自动 换刀的多工序加工中心来说, 回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回 转工作台有数控回转工作台和分度工作台两种。 分度工作台只能实现分度运动。 通常分度工作台的运动只能限于某些规定的角度, 不能 实现任意角度的分度。 数控回转工作台能按数控系统的指令,带动工件实现连续回转运动。回转速度是无级、 连续可调的,同时,能实现任意角度的分度定位,图 3.8 所示。
图 3.8 数控回转工作台
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四、数控机床的组成
4.1 数控系统的基本组成 数控系统的基本组成 系统 数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的工作本体是加工运动的实际执行部件,主要
包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台及床身立柱等支撑部件,此外还有冷却、润滑、转 位和夹紧等辅助装置,存放刀具的刀架、刀库或交换刀具的自动换刀机构等。对工作本体的要求 是,应有足够的刚度和抗振性,要有足够的精度,热变形小,传动系统结构要简单,便于实现自 动控制。
数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移(包括移动速度、方向、和位置等) ,其控制 信息主要来源于数控加工或运动控制程序。因此,作为数控系统最基本的组成应该包括:程 序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分,如图 4.1 所示。
图 4.1 数控系统的基本组成
图 4.1 中 1 为加工零件的图样,作为数控系统工作的原始数据。 2 为程序编制部分,数控程序由数控机床自动加工零件所需工作指令组成,包含切削过 程中所必需的机械运动、零件轮廓尺寸、工艺参数等加工信息。编制程序的工作可以人工进 行,也可以在数控机床以外用计算机自动编程系统来完成。对于几何形状比较简单的零件, 程序段不多,可以采用手工编程;对于比较复杂特别是空间曲面零件,由于手工编程繁琐而 费时,且易出错,需采用自动编程的方法。 3 为控制介质,也称为信息载体,通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘作为记载控制 指令的介质。 控制介质上存储了加工零件所需要的全部操作信息, 是数控系统用来指挥和控 制设备进行加工运动的唯一指令信息。但在现代 CAD/CAM 系统中,可不经控制介质,而 是将计算机辅助设计的结果及自动编制的程序加以后置处理,直接输入数控装置。 4 为数控装置,它是数控机床的核心环节。其作用是按接收介质输入的信息,经处理运 算后去控制机床运行。按数控装置的软硬件构成特征来分类,可分为硬线数控与软线数控。 传统的数控装置(即系统的核心数字控制装置)是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻 辑电路,是采用固定接线的硬件结构,数控功能是由硬件来实现的,这类数控装置称之为硬 件数控。 随着半导体技术、计算机技术的发展,微处理器和微型计算机功能增强,价格下降,数 字控制装置已发展成为计算机数字控制装置(Computer Numerical Controller) ,即所谓的 CNC 装置,它由软件来实现部分或全部数控功能。CNC 系统是由程序、输入输出设备、计 算机数字控制装置、可编程控制器(PC 或可编程逻辑控制器 PLC) 、主轴控制单元及速度 控制单元等部分组成,如图 4.2 所示。CNC 系统中,可编程控制器 PC 是一种专为在工业环
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境下应用而设计的工业计算机。它采用可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户操作指令,并通过数字式、模拟式的输入 和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PC 已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC 和 PC(PLC)谐调配合共同完成数控机床的控制,其中 CNC 主要完成与数字运算和管理有 关的功能,如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PC 主要完成与逻辑运 算有关的一些动作,没有轨迹上的具体要求,它接受 CNC 的控制代码 M(辅助功能) 、S (主轴转速) 、T(选刀、换刀)等顺序动作信息,对其进行译码,转换成对应的控制,控 制辅助装置完成机床相应的开关动作,如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅 助动作,它还接受机床操作面板的指令,一方面直接控制机床的动作,另一方面将一部分指 令送往 CNC 用于加工过程的控制。
5 为伺服驱动系统,它包括伺服驱动电路(伺服控制线路、功率放大线路)和伺服电动机等 驱动执行机构。 它们与工作本体上的机械部件组成数控设备的进给系统, 其作用是把数控装置发 来的速度和位移指令(脉冲信号)转换成执行部件的进给速度、方向和位移。数控装置可以以足 够高的速度和精度进行计算并发出足够小的脉冲信号, 关键在于伺服系统能以多高的速度与精度 去响应执行, 整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。 伺服驱动电路把数控装置发出的微弱 电信号(5V 左右,毫安级)放大成强电的驱动电信号(几十、上百伏,安培级)去驱动执行元 件。 伺服系统执行元件主要有步进电动机、 电液脉冲马达、 直流伺服电动机和交流伺服电动机等, 其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化, 从而带动机械本体的 机械部件做进给运动。 6 为坐标轴或执行机构的测量装置。前者用以测量坐标轴(如工作台)的实际位置,并将测 量结果反馈到数控系统(或伺服驱动系统),形成全闭环控制;后者用以测量执行伺服电动机轴 的位置,并予以反馈,形成半闭环控制。测量反馈装置的引入,有效地改善了系统的动态特性, 大大提高了零件的加工精度。 7 为辅助控制单元,用于控制其他部件的工作,如主轴的起停、刀具交换等。8 为坐标轴, 如平面运动工作台的 X、Y 轴。
4.2 数控机床的基本组成
图 4.2 数控机床的基本组成 如图 4.2 所示,数控机床的基本组成应包括:输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反 馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分。 (1)输入/输出装置
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输入/输出装置的主要作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参 数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备必 须的最基本的输入输出装置。此外,根据数控系统的不同,还可以配光电阅读机、磁带机或 软盘驱动器等。作为外围设备,计算机是目前常用的输入/输出装置之一。 数控加工程序可通过键盘, 用手工方式直接输入数控系统。 还可由编程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式: 一种是边读入边加工, 另一种是一次将零件 加工程序全部读入数控装置内部的存储器,加工时再从存储器中逐段调出进行加工。 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数 控装置的存储器。根据程序控制介质的不同,输入装置可以是光电阅读机、录放机或软盘驱 动器。最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读,之后大量使用磁带机和软盘驱动器。有些 数控机床不用任何程序存储载体, 而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘, 用手工的 方式输入。也可以用通信方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置。 (2)数控装置 数控装置是数控系统的核心,包括微型计算机、各种接口电路、显示器等硬件及相应的 软件。它能完成信息的输入、存储,并通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、变换、插 补运算和处理,输出各种信息和指令,以控制机床的各部分进行规定的动作。 数控装置接受输入装置送来的脉冲信号,经过编译、运算和逻辑处理后,输出各种信 号和指令来控制机床的各个部分,并按程序要求实现规定的、有序的动作。 在这些控制信息和指令中,最基本的是各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量 指令,它经插补运算后生成,提供给伺服驱动,经驱动器放大,最终控制坐标轴的位移,它 直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。 其他的控制指令包括:主运动部件的变速、换向和启停指令信号;选择和交换刀具的 刀具指令信号;控制冷却、润滑的启停,工件和机床部件松开、夹紧,分度工作台转位等辅 助信号等。 数控装置具备的功能有: ① 多坐标控制; ② 实现多种函数的插补; ③ 信息转换功能,如英制/公制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换; ④ 补偿功能,如刀具半径补偿、长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿; ⑤ 多种加工方式选择,如可以实现各种加工循环、重复加工; ⑥ 具有故障自诊断功能; ⑦ 通信和联网功能等。 (3)伺服系统 伺服系统通常由伺服放大器(Servo Drive,简称伺服,亦称:驱动器、伺服单元)和 执行机构(如伺服电机、步进电机)等部分组成,并与机床上的执行部件和机械传动部件组 成数控机床的进给系统。 在数控机床上,伺服驱动的作用主要有两个方面:一是按照数控装置给定的速度运动 及运动控制(包括进给运动、主轴运动、位置控制等);二是按照数控装置给定的位置定位。 它接受来自数控装置的位置控制信息,将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运 动,驱动机床执行机构运动。
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伺服系统由于是数控机床的最后控制环节, 它的性能将直接影响数控机床的生产效率、 加工精度和表面加工质量。 因此, 伺服驱动的精度和动态响应性能是影响数控机床的加工进 度、表面质量和生产率的重要因素之一。 在数控机床上,目前一般采用交流伺服电动机作为执行机构;在先进的高速加工机床 上,已经开始使用直线电动机。 步进电机 常用的伺服执行单元 直流伺服电机 交流伺服电机 (4) 辅助控制装置 主要作用是根据数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令;刀具的选择和交换指令; 冷却、润滑装置的启停指令;工件和机床部件的松开、夹紧与工作台转位等辅助指令所提供 的信号,以及机床上检测开关的状态等信号,经过必要的编译和逻辑运算,经放大后驱动相 应执行的元件,带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成规定的动作。辅助控制装置通 常由 PLC 和强电控制回路构成。 PLC 是对主轴单元实现控制,将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速;管理刀 库,进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管 理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作;还 对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(刀库、机械 手、回转工作台等)进行控制。 强电控制装置是介于数控装置和机床机械、 液压部件之间的控制系统。 其主要作用是接 收数控装置输出的主轴变速、换向、启动或停止,刀具的选择和更换,分度工作台的转位和 锁紧,工件的夹紧或松开,切削液的开或关等辅助操作的信号,经必要的编译、逻辑判断、 功率放大后直接驱动相应的执行元件(如电器、液压、气动和机械部件等),以完成指令所规 定的动作,从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。 (5)检测反馈装置 由检测元件和相应的电路组成,主要是检测速度和位移,并将信息反馈于数控装置,实 现闭环控制以保证数控机床加工精度。 (6)机床主机 机床本体与传统的机床基本相同,它也是由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台 以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等部分组成。但为了满足数控的要 求,充分发挥机床性能,它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能 方面都已发生了很大的变化。 常用的检测元件 编码盘 光栅 磁珊
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4.3 常见数控机床组成图解
图 4.3 数控车床的基本组成 如图 4.3 所示,数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、 冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。 加工中心与数控铣床的结构布局相似, 主要在刀库的结构和位置上有区别, 一般由床身、 主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统(气液、润滑、 冷却) 控制系统等组成, 、 如图 4.4 所示, 数控电火花成型加工机床的基本组成如图 4.5 所示。
图 4.4 加工中心的基本组成
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图 4.5 数控电火花成型加工机床基本组成
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五、数控机床的分类
数控机床的分类方法目前有以下几种:
5.1 按工艺方式分类
1) 金属切削类数控机床
这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异,具体的控制方法也各不相同,但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工,具有很高的生产率和自动化程度。
2) 金属成型类数控机床
这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。
3) 数控特种加工及其他类型机床
这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。
5.2 按伺服控制系统运动方式分类
按伺服控制方式,最常用的数控机床可分为以下三类:
1) 开环数控机床
开环数控机床采用开环进给伺服系统,其数控装置发出的指令信号是单向的,没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测,不能进行运动误差的校正,因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度,如图5.1所示。
这类机床通常为经济型、中小型机床,具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点,但通常输出的扭矩值大小受到限制,而且当输入的频率较高时,容易产生失步,难以实现运动部件的控制,因此已不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速度和加工精度的控制要求。
图5. 1 开环控制系统框图
2) 半闭环数控机床
这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部,可间接测量执行部件的实际位置或位移。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节,控制系统的调试十分方便,因此可以
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获得稳定的控制特性,如图5.2。由于采用高分辨率的测量元件,如脉冲编码器,因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度,但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正,因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。
5. 2 半闭环控制系统框图
3) 闭环数控机床
这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上,该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置,如图5.2所示。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较,根据其差值不断控制运动,使运动部件严格按照实际需要的位移量运动;还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速,将速度反馈信号与速度指令信号相比较,对驱动电机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度,与机械传动链的误差无关,因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。
5. 3 闭环控制系统框图
相比于半闭环数控机床,闭环数控机床精度更高,速度更快,驱动功率更大,但是,这类机床价格昂贵,对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙,导轨的低速运动特性,机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。闭环系统设计和调整得不好,很容易造成系统的不稳定。所以,闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。
由上所述,可以得出:开环、闭环和和半闭环系统的主要区别在于使用的电动机不同、是否进行执行件的测量及误差补偿、以及误差补偿范围的大小不同。
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5.3 按运动方式分类
1) 点位控制数控机床
如图5.4-a) 所示,点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位,然后进行定点加工,而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。
2) 点位直线控制数控机床
如图5.4-b) 所示,点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外,还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。
3) 轮廓控制数控机床
也称连续轨迹控制,如图5.4-c) 所示,能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓,数控装置具有插补运算的功能,使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线,并协调各坐标方向的运动速度,以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。
图5.4 三种不同运动方式加工示意图
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5.4按控制系统功能水平分
按控制系统的功能水平,可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类,主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标具体包括CPU 性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。
1) 经济型数控机床
这类数控机床通常为低档数控机床,一般采用8位CPU 或单片机控制,分辨率为10 µm ,进给速度为6~15 m/min,采用步进电机驱动,具有RS232接口。这类机床轴联动数量一般为二轴或三轴,具有简单CRT 字符显示或数码管显示功能,无通信功能。
2) 普及型数控机床
这类数控机床通常为中档数控机床,一般采用16位或更高性能的CPU ,分辨率在1 µm 以内,进给速度为15~24 m/min,采用交流或直流伺服电机驱动;联动轴数为3~5轴;有较齐全的CRT 显示及很好的人机界面,大量采用菜单操作,不仅有字符,还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能;具有RS232或DNC 接口,通过DNC 接口,可以实现几台数控机床之间的数据通信,也可以直接对几台数控机床进行控制。
3) 高级型数控机床
这类数控机床通常为高档数控机床,一般采用32位或64位CPU ,并采用精简指令集RISC 作为中央处理单元,分辨率可达0.1 µm ,进给速度为15~100 m/min,采用数字化交流伺服电机驱动,联动轴数在五轴以上,有三维动态图形显示功能。高档数控机床具有高性能通信接口,具备联网功能,通过采用MAP(制造自动化协议) 等高级工业控制网络或Ethernet (以太网) ,可实现远程故障诊断和维修,为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔性制造系统) 和CIMS(计算机集成制造系统) 等制造系统创造了条件。
上述这种分类方式没有严格的界限,经济型数控是相对于标准数控而言的,在不同时期、不同国家的含义是不一样的。区别于经济型数控,把功能比较齐全的数控系统称为全功能数控,也称为标准型数控。
5.5 数控机数控机床的其他分类方法
1) 按主轴配置形式分
按主轴配置形式分,可将数控机床分为卧式和立式两大类,其中数控卧式机床有水平导轨和斜置导轨两种形式。
2) 按刀架数量分
按刀架数量分,可将数控机床分为单刀架和双刀架两类。单刀架数控机床多采用水平导轨,两坐标控制;双刀架数控机床多采用斜置导轨,四坐标控制。
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3) 按数控机按数控机床控制系统和机械结构的档次分
按数控机床控制系统和机械结构的档次分,可分为经济型数控机床、全功能数控机床和车削中心。车削中心是在数控车床基础上发展起来的一种复合加工机床,可以在一次装夹中完成回转体零件的所有加工工序,包括车削内外表面、铣平面、铣槽、钻孔和攻螺纹等工序。 车削中心除具有一般二轴联动数控车床的所有功能之外,其转塔刀架上装有能使刀具旋转的动力刀座,主轴具有按轮廓成形要求连续回转运动和进行精确分度的C 轴功能,该轴能与X 轴或Z 轴联动。有的车削中心还具有Y 轴,X 、Y 、Z 轴交叉构成三维空间,可进行端面和圆周上任意部位的钻削、铣削和螺纹加工等。
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六、数控机床的特点
数字控制机床是三十年来综合应用集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品,在机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点。 数控机床具有如下特点:
(1) 柔性高
数控机床按照数控程序加工零件,当加工零件改变时,—般只需要更换数控程序和配备所需的刀具,不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。可以很快地从加工一种零件转变为加工另一种零件,生产准备周期短,适合于多品种小批量生产。 数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统,机械结构得到简化,传动链较短,具有柔性化和灵活性,所以适合于产品更新换代快的要求。
(2) 自动化程度高
数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插补参数、刀具长度和半径补偿;工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开/关等。更多的采用高效率、高精度的传动部件,如滚珠丝杠、直线滚动导轨等,轻松实现较高的切削速度和进给量。在切削加工过程中,自动实现刀具和工件的相对运动,自动变换切削速度和进给速度,自动开/关冷却液,数控车床自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀、操作按键、监视加工过程等,操作方便安全,有利于现代化管理。
(3) 加工精度高,一致性高,质量稳定
现代数控机床装备有CNC 数控装置和新型伺服系统,具有很高的控制精度,普遍达到1m ,高精度数控机床可达到0.2m 。数控机床的进给伺服系统采用闭环或半闭环控制,对反向间隙和丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿,因而数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床,定位精度普遍可达到0.03mm ,重复定位精度可达到0.0lmm 。数控机床的传动系统和机床结构都具有很高的刚度和稳定性,制造精度也比普通机床高。当数控机床有3~5轴联动功能时,可加工各种复杂曲面,并能获得较高精度。机床本身精度高,此外还可以利用参数的修改进行精度校正和补偿。 由于按照数控程序自动加工,避免了人为的操作误差,因而同一批加工零件的尺寸一致性好,加工质量稳定。
(4) 生产效率较高
零件加工时间由机动时间和辅助时间组成,数控机床加工的机动时间和辅助时间比普通机床明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围比普通机床大,主轴转速范围通常在 10~6000r/min,高速切削加工时可达15000r/min,进给速度范围上限可达到10~12m/min,高速切削加工进给速度甚至超过30m /min,快速移动速度超过30~60m/min。主运动和进给运动一般为无级变速,每道工序都能选用最有利的切削用量,空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大,机床的结构刚度高,有的数控机床能进行强力切削,有效地减少机动时间。
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(5) 具有刀具寿命管理功能。
构成FMC 和FMS 的数控机床具有刀具寿命管理功能,可对每把刀的切削时间进行统计,当达到给定的刀具耐用度时,自动换下磨损刀具,并换上备用刀具。
(6) 具有通信功能
现代数控机床一般都具有通信接口,可以实现上层计算机与数控机床之间的通信,也可以实现几台数控机床之间的数据通信,同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现DNC 、FMC 、FMS 的必备条件。
(7) 数控机床的缺点
投资大,使用费用高,生产准备工作复杂,维修困难等。
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七、数控机床的技术参数
图7.1 XK7136C数控铣床
表7.1 XK7136C数控铣床主要技术参数 项 目
X 轴行程
Y 轴行程
Z 轴行程
主轴端面至工作台面距离
主轴中心至立柱导轨面距离
快速移动(X/Y/Z)
切削进给速度
工作台尺寸
工作台最大承重
工作台T 型槽数/宽度/间距
主轴转速范围
主轴电动机功率
主轴孔锥度
定位精度
重复定位精度
机床净重
外形尺寸
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单位 mm mm mm mm mm mm/min mm/min mm kg r/min kW mm mm kg mm 技术参数 900 360 500 100-600 460 5000/5000/4000 1-2000 1250×360 400 3/18/80 200-4000/无级 5.5 BT40 0.04 0.020 2200 2220×1850×2350
表7.2 数控机床的性能指标
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八、数控机床的应用范围
数控机床最适合加工具有以下特点的零件:(1)多品种小批量生产的零件;(2)形状结构比较复杂的零件;(3)精度要求高的零件;(4)需要频繁改型的零件;(5)价格昂贵,不允许报废的关键零件;(6)需要生产周期短的急需零件;(7)批量较大,精度要求高的零件。
图8.1 数控机床加工工件样品
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