现代数控设备

265第8章现代数控设备随着制造业自动化进程的不断推进，制造业中加工装备数控化的趋势也越来越明显。现代数控设备的范例是机械制造业装备数控化，它是在传统的金属切削机床的基础上，加上数字控制装置而构成，这就是我们都熟悉的传统意义上的数控机床。利用数控机床的加工原理不仅可以进行金属切削加工，也同样可以进行其它类型的加工作业，因此而出现了各种各样的现代数控设备，在制造业自动化的各个领域发挥着极其重要的作用。8.1数控设备基本工作原理所谓数控设备就是采用数字控制（NumericalControl）装置对机床的运动及其加工过程进行控制的一种自动化加工设备，其技术核心是数字控制（简称NC）技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；微电子技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感器技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航天、航空等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。在提高生产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是现代数控装备的先驱和典型，下面以数控切削机床为例来介绍数控设备的工作原理。普通金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动的参数（位置、速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。数控机床的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，或称为脉冲当量δ（mm/脉冲），由数控系统按照零件程序的要求，使零件移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件加工。当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间点的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或有圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称作插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。如图8．1所示，要加工轮廓为任意曲线L的零件，可将曲线L分成△L0，△L1，△L2，…，△Li等线段，设切割△Li的时间为△ti，当△Li→0，即把曲线划分的段越小，则刀具运动的轨迹就越逼近曲线L，即在△ti时间内，刀具在各坐标的位移量为△Xi和△Yi，则切削轨迹长度为：0limiiLLL266进给速度：当加工直线时，△Li的斜率不变，各坐标轴速度分量的比值不变，因此进给速度可保持常量。当加工任意曲线时，△Li的斜率不断变化，各坐标轴速度分量的比值也不断变化。只要能连续地自动控制两坐标方向运动速度的比值，便可实现任意曲线零件的加工。实际上，在数控机床上加工任意曲线L的零件，是由该数控装置所能处理的基本数学函数来逼近的，例如用直线、圆等。自然，逼近误差必须满足零件图样的要求。Y0XΔL0ΔL1ΔL2ΔXiΔYiTLΔLiΔti图8．1数控机床加工原理根据数控加工的工作原理，可以确定数控设备加工的工作过程，如图8．2所示。R101493610工程图加工程序控制计算机伺服驱动单元机床零件图8．2数控设备加工工作过程8.2数控机床的组成与加工特点8.2.1数控机床组成结构数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成，图8．3所示为南京四开公司生产的高速数控雕铣机床的实物照片。1．控制介质数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“控制介质”。控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。早期的控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等。目前主流的数控机床都采用计算机数控技术，所以控制介质都以数据文件的形式出现。一些大型的设计软件可以直接生成数控加工数据文件，并通过通信接口直接输入到数控系统。采用何种控制介质则取决于数控装置的类型。22iiiLXY2222()()iiiiXYiXiYittvvv267图8．3高速数控雕铣机床2．数控装置数控装置是数控机床的核心，是高技术密集型产品。它集成了微电子技术、信息技术、自动控制技术、驱动技术、监控检测技术、软件工程技术和机械加工工艺知识。数控机床正是在它的控制下，按照给定的程序自动地对机械零件进行加工。自20世纪50年代数控机床问世以来，数控装置已由NC发展到CNC（ComputerNumericalcontrol，计算机数控）。特别是微处理机和微型计算机在数控装置上成功地应用后，使计算机数控装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，其高性能价格比促进了数控机床的迅速发展。CNC装置由硬件和软件组成。CNC的硬件为一专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，通过改变软件很容易更改或扩展其功能。CNC硬件结构如图8．4所示。CPU总线EPROMRAM输入接口输出接口工艺数据接口MDI/CRT接口位置控制速度控制单元MPCMDI/CRT加工程序及数据进给电机位置检测器图8．4CNC硬件结构CNC装置的基本工作有：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I/O处理、显示和诊断等，它具备的主要功能如下：268（1）多坐标控制（多轴联动）；（2）实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）；（3）多种程序输入（人机对话、手动数据输入，由上级计算机及其他计算机输入设备的接口输入），以及编辑和修改；（4）信息转换（EIA/ISO代码转换，英制/米制转换，坐标转换，绝对值/增量值转换，计数制转换等）；（5）补偿（刀具半径补偿，刀具长度补偿，传动间隙补偿，螺距误差补偿等）；（6）多种加工方式选择（可实现各种加工循环，重复加工，凹凸面加工和镜像加工等）；（7）故障自诊断；（8）显示，用CRT可显示字符、轨迹i、平面图形和动态三维图形；（9）通信和联网。3.伺服系统机床伺服系统是数控装置与机床的连接环节,它是以机床联接部件(工作台)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，用来接受数控装置(或计算机)插补生成的进给脉冲和进给位移量，驱动机床执行机构运动。它包括主轴驱动单元（主要是速度控制量）、进给驱动单元（主要是速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。一般来说数控机床的伺服系统要求有良好的快速响应性能，进给速度调节范围要大，灵敏而准确地跟踪指令功能和转速，在较大范围内有良好的工作稳定性。现在常用的是直流伺服系统和交流伺服系统，且交流伺服系统正在取代直流伺服系统。4．测量反馈装置该装置可以包括在伺服系统中。它由检测元件和相应的电路组成，其作用主要是检测速度和位移，并将信息反馈回控制系统，构成闭环控制。无测量反馈装置的系统称为开环系统。常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光位移监测系统等。5．机床主机主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件。数控机床主体的结构有下面几个特点：（1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短；（2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能好，适应连续自动化加工；（3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等）。8.2.2数控机床的加工特点数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化的最重要的环节，是发展柔性生产的基础。数控机床在加工以下一些零件中更能显示出它的优越性。它们是：1）批量小（200件以下）而又多次生产的零件；2）几何形状复杂的零件；3）在加工过程中必须进行多种加工的零件；4）切削余量大的零件；5）必须严格控制公差（即公差带范围小）的零件；6）工艺设计经常变化的零件；7）加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；8）需全部检测的零件等等。数控机床的优点：（1）提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工的比率。采用最佳切269削参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产效率。（2）数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正和补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。（3）有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。（4）可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装夹后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省设备和厂房面积。（5）可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。（6）不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。（7）大大减少了工人的劳动强度。数控机床是具有广泛的通用性又具有很高自动化程度的机床。它的控制系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度，以及刀具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等柔性加工和柔性制造系统的基础。但是，数控机床的初期投资及技术维修等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。8.3数控机床的分类目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。1．按工艺用途分类（1）金属切削类数控机床这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。加工中心是带有自动换刀装置，在一次装夹后可以进行多种工序加工的数控机床。（2）金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯道机、数控回转头压力机等。（3）数控特种加工及其他类型数控机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。2．按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床点位控制（PositioningControl）又称点到点控制（PointtoPointControl）。这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管从一点到另一点是按照什么运动轨迹。在移动过程中不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，首先系统高速运行，然后进行1级~3级减速，使之慢速趋近定位点，减少定位误差。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。使用数控钻镗加工零件可以省去钻模、镗模等工装，又能保证加工精度。（2）直线控制数控机床直线切削控制（StraightcutControl）又称平行切削控制（ParallelcutControl），这类数控机床不仅要求有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。其路线和移动速度是可以控制的。对于不同的刀具和工件，可以选择不同的切削用量。这一类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制（ContouringControl）又称为连续轨迹控制（ContinuousPathControl）。这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并且有插补功能。对位移和