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(盐城生物工程分院)
题
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目
数控车床的基本应用
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资
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料
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摘
要
世界制造业转移,中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国
、韩国等国家已经进
入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代,钢铁、机械、化工等
重工业正逐渐向发
展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期,正处于重化工业
发展中期。
未来
10
年
将是中国机械行业发展最佳时期。美国、德国的重化工业发展期延续了
18
年以上,美国、德国、韩国四国重化工业发展期平均延续了
12
年,我们估计中国的
重化工业发展期将至少延续
10
年,直到
2015
年。因此,在未来<
/p>
10
年中,随着中国重
化工业进程的推进
,中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升,国产机械产
品国际竞争力增强,
逐步替代进口,
并加速出口。
目前,<
/p>
机械行业中部分子行业如船舶、
铁路、集装箱及集装箱起重机制造
等已经受益于国际间的产业转移,并将持续受益;电
站设备、工程机械、床等将受益于产
业转移,加快出口进程
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资
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料
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数控机床的产生
< br>在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量,单件与小批量生产的
零件
(批量在
10
~
< br>100
件)
约占机械加工总量的
80%
以上。
尤其是在造船、
航天、<
/p>
航空、
机床、重型机械以及国防工业更是如此。
< br>
为了满足多品种,小批量的自动化生产,迫切需要一种灵活的,通用的,能够适
用产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。<
/p>
它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。
根据国家标准GB/T8129-1997,对机床数字控制的定义:用数字控
制的装置(简称数控装置)
,在运行过程中,不断地引入数字数据,从而
对某一生产过
程实现自动控制,叫数字控制,简称数控。用计算机控制加工功能,称计算
机数控
(
computerized numerical
,缩写CNC)
。
< br>数控机床即使采用了数控技术的机床,或者说装备了数控系统的机床。从应用来
说
,数控机床就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松加工件、进刀与退刀、
开车
与停车、选择刀具、供给切削液等)和步骤,以及刀具与工件之间的相对位移量都
用数字
化的代码来表示,通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机,计算机
对输入的
信息进行处理与运算,发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件,
是机床自动
加工出所需要的零件。
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资
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料
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数控机床的发展
2.1
数控系统的发展
从1952年第一台
数控机床问世后,数控系统已经先后经历了两个阶段和六代
的发展,其六代是指电子管、
晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控P
C机的通用
CNC
系统。其中前三代为第一阶段,称作为硬件连接数控,简称NC系统;
后三代为第二阶段,乘坐计算机软件数控,简称CNC系统。
2.2
机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可
靠性等。
(
< br>1
)工序集中
20
世纪
5
0
年代末期,在一般数控机床的基础上开发了数控加工
中心,即
自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上,工件一次装夹后,机床
的机械手可
以自动更换刀具,连续的对工件进行多种工序加工。
目前,加
工中心机床的刀具库容量可达到
100
多把刀具,自动换刀装置
的换刀时
间仅需
0.5
~
2
秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成,减少了由于工序分散,<
/p>
工件多次安装引起的定位误差,
提高了加工精度,
同时也减少了机床的台数与占地面积,
压缩了半成品的库存量,减少了工序间的
辅助时间,有效的提高了数控机床的生产效率
和数控加工的经济效益。
< br>
(
2
)高速、高效、高精度<
/p>
高速、高效、高精度是机械加工的目
标,数控机床因其价格昂贵,在上述三方面的发展
也就更为突出。
(
3
)方便使用
< br>
数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能
力的主要方面。
1
)加工编程方便
手工编程和自动编程已经使用了几十年,有了长足的发展,在
手工编程方面,开
发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能,<
/p>
CAD/CAM
的研究
发展,从技术上来
讲可以替代手工编程。但是一套适用的
CAD/CAM
软件加上
计算机硬
件,投资较大,学习、掌握时间较长,对大多数的简单工件很不经济。
近年来,发展起来的图形交互式编程系统(
W
OP
,又称面向车间编程)
,很受用户
欢迎。这种编程方式不使用
G
、
M
p>
代码,而是借助图形菜单,输入整个图形块以及相应
.
.
资
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料
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参数作为加工指令,形成加
工程序,与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法
在制定标准后,有可能成为各
种型号的数控机床统一的编程方法。
2
)使用方法
数控机床普遍采用彩色
CRT
进行人机对话、
图形显示和图形模拟的。
有的数控机床将采
用说明书、
编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。
.
数控机床的分类
.
资
.
料
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. .
3.1
按加工工艺方法分类
3.1.1
.金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控
车床、数控铣床、数
控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工
工艺方法上存在很
大差别,具体的控制方式也各不相同,但机床的动作和运动都是数字化
控制的,具有较
高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换
刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床
进一步提高了普
通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心,它是
在数控铣床基础上
增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的,工件一次装夹
后,可以对箱体零件的
四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺
纹等多工序加工,特别适
合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件
多次安装造成的定位误差,
减少了机床的台数和占地面积,缩短了辅助时间,大大提高
了生产效率和加工质量。
p>
3.1.2
.特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外,数控技术也大量用于数控电火花
线切割机床、数控电火花
成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控
激光加工机床等。
3.1.3
.板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪
板机和数控折弯机等。
近年来,其
它机械设备中也大量采用了数控技术,如数控多坐标测量机、自动绘图机及
工业机器人等
。
3.2
按控制运动轨迹分类
3.2.1
.点位控制数控机床
位置的精确定位,在移动和定位过
程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点
的坐标值,不控制点与点之间的运动
轨迹,因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可
以几个坐标同时向目标点运动,也可以
各个坐标单独依次运动。
这类数控
机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数
控机床的数
控装置称为点位数控装置。
.
.
资
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料
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3.2.2
.直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度,<
/p>
沿着平行于坐标轴的方向进
行直线移动和切削加工,进给速度根据
切削条件可在一定范围内变化。
直
线控制的简易数控车床,只有两个坐标轴,可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床,有
三个
坐标轴,可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统,驱动动力
头带有
多轴箱的轴向进给进行钻镗加工,它也可算是一种直线控制数控机床。
数控镗铣床、加工中心等机床,它的各个坐标方向的进给运动
的速度能在一定范围内进
行调整,兼有点位和直线控制加工的功能,这类机床应该称为点
位
/
直线控制的数控机
床。
3.3.3
.轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进
行连续相关的控制,
使合
成的平面或空间的运动轨迹能满足零件
轮廓的要求。
它不仅能控制机床移动部件的起点
与终点坐标,而
且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移,将工件加工成要求的轮廓
形状。
常用的数控车床、
数
控铣床、
数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。
数控火焰切割
机、
电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。
轮廓控制系统的结构要比点
位
/
直线控
系统更为复杂,在加工过程中需要不断进行插补运算,然后进行相应的速度
与位移控制。
现在计算机数控装置的控制功能均
由软件实现,增加轮廓控制功能不会带来成本的增
加。因此,除少数专用控制系统外,现
代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。
3.3
按驱动装置的特点分类
3.3.1
开环控制数控机床
这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件,
伺服驱动部件通常为反应式
步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控
系统每发出一个进给指令,经驱动电路功率
放大后,驱动步进电机旋转一个角度,再经过
齿轮减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠螺
母机构转换为移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率
与脉冲数所决定的。此类
数控机床的信息流是单向的,即进给脉冲发出去后,实际移动
值不再反馈回来,所以称为
开环控制数控机床。
开环控制系统
的数控机床结构简单,成本较低。但是,系统对移动部件的实际位移
.
.
资
.
料
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..
.
.
. .
量不进行监测,也不能进行
误差校正。因此,步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与
丝杠等传动误差都将影响被加
工零件的精度。
开环控制系统仅适用于加工精度要求不很
高的中
小型数控机床,特别是简易经济型数控机床。
3.3.2
闭环控制数控机床
接对工作台的实际位移进行检测,将测量的实际位移值反馈到
数控装置中,与输入
的指令位移值进行比较,用差值对机床进行控制,使移动部件按照实
际需要的位移量运
动,最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲,闭环系统的运
动精度主要取决
于检测装置的检测精度,也与传动链的误差无关,因此其控制精度高。图
1-3
所示的为
闭环控制数控机床的系
统框图。图中
A
为速度传感器、
C
p>
为直线位移传感器。当位移指
令值发送到位置比较电路时,若工作台
没有移动,则没有反馈量,指令值使得伺服电动
机转动,
通过<
/p>
A
将速度反馈信号送到速度控制电路,
通
过
C
将工作台实际位移量反馈回
去,在
位置比较电路中与位移指令值相比较,用比较后得到的差值进行位置控制,直至
差值为零
时为止。这类控制的数控机床,因把机床工作台纳入了控制环节,故称为闭环
控制数控机
床。
闭环控制数控机床的定位精度
高,但调试和维修都较困难,系统复杂,成本高。
3.3.3
半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝
杠上装有角位移电
流检测装置(如光电编码器等)
,通过检测丝
杠的转角间接地检测移动部件的实际位移,
然后反馈到数控装置中去,
< br>并对误差进行修正。
通过测速元件
A
和光电编码盘
B
可间接
检测出伺服
电动机的转速,
从而推算出工作台的实际位移量,
将此值与指令
值进行比较,
用差值来实现控制。
由于工作台没有包括在控制回
路中,
因而称为半闭环控制数控机床。
半闭环控制数控系统的调试比较方便,并且具有很好的稳定性
。目前大多将角度检
测装置和伺服电动机设计成一体,这样,使结构更加紧凑。
3.3.4
混合控制数控机床
将以上三类数控机床的特点结合起来,就形成了混合控制数控
机床。混合控制数控
机床特别适用于大型或重型数控机床,
因为
大型或重型数控机床需要较高的进给速度与
相当高的精度,其传动链惯量与力矩大,如果
只采用全闭环控制,机床传动链和工作台
全部置于控制闭环中,闭环调试比较复杂。混合
控制系统又分为两种形式:
(
p>
1
)开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构,另
外附加一个校正
电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差
。
.
.
资
.
料
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..
.
.
. .
(
2
)半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制,再用装在工作台上的直
p>
线位移测量元件实现全闭环修正,
以获得高速度与高精度的统一。<
/p>
其中
A
是速度测量元
件(如测速发电机)
,
B
是角度测
量元件,
C
是直线位移测量元件。
数控车的工艺与工装削
数控车床加工工艺与普通车床的加工工艺类似,但由于数控车床是一次装夹,连续
< br>自动加工完成所有车削工序,因而应注意以下几个方面。
.
.
资
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料
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..
.
.
. .
4.1.
合理选择切削用量
对于高效率的金属切削加工来说,被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。
这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了
切削条件。
切削条件的三要素:切削速度、进给量和
切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速
度的提高,刀尖温度会上升,会产生机械的、化
学的、热的磨损。切削速度提高
20%
,
刀具寿命会减少
1/2
。
进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大,切削温度上升,
后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进
< br>给量大,但在微小切深切削时,被切削材料产生硬化层,同样会影响刀具的寿命。
用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用
的切削速度。
最适合的加工条件的选定是在
这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达
到寿命才是理想的条件。
然而,在实际作业中,刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表
面质量、
切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时,需要根据实际情况进行研究。
对于不
锈钢和耐热合金等难加工材料来说,可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。
4.2.
合理选择刀具
1)
粗车时,要选强度高、耐用度好的刀具,以便满足粗车时大背吃刀量、大进给
量
的要求。
2)
精车时,要选精度高
、耐用度好的刀具,以保证加工精度的要求。
3)
为减少换刀时间和方便对刀,应尽量采用机夹刀和机夹刀片。
4.3.
合理选择夹具
1)
尽量选用通用夹具装夹工件,避免采用专用夹具;
2)
零件定位基准重合,以减少定位误差。
4.4.
确定加工路线
.
.
资
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料
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