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數(shù)控車床簡介

一、數(shù)控機床的產(chǎn)生

    數(shù)控車床(Numerical Control Machine Tools)是用數(shù)字代碼形式的信息    (程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。

    數(shù)控機床是在機械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其過程大致如下：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機床的設(shè)想。

    1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數(shù)控銑床，當時的數(shù)控裝置采用電子管元件。

    1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數(shù)控裝置進入了第二代。，

    1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。

    60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 DNC)，又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 CNC)，使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。

    1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。

    20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。

    20世紀90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。

二、數(shù)控機床特點

1、數(shù)控車床與普通機床的區(qū)別

    數(shù)控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點：

（1）適合于復(fù)雜異形零件的加工

    數(shù)控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

    ◆ 加工精度高

    ◆ 加工穩(wěn)定可靠

    實現(xiàn)計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

    ◆ 高柔性

    加工對象改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準備時間。在數(shù)控機床的基礎(chǔ)上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)—FMS。

    ◆ 高生產(chǎn)率

    數(shù)控車床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。

    ◆ 勞動條件好

機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。

    ◆ 有利于管理現(xiàn)代化

采用數(shù)控機床有利于向計算機控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。

2、數(shù)控機床的適用范圍

    由于數(shù)控機床的上述特點，適用于數(shù)控加工的零件有：

  （1）批量小而又多次重復(fù)生產(chǎn)的零件；

  （2）幾何形狀復(fù)雜的零件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試制件。

三、數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)的組成

1、數(shù)控系統(tǒng)組成

（1）操作面板

  a. 它是操作人員與數(shù)控裝置進行信息交流的工具。

  b. 組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器。

  c. 它是數(shù)控機床特有部件。

（2）控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備

  a. 控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介

  b. 輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。

  c. 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口）、

  e. 自動控制專用接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）

  f. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN）等

(3) CNC裝置(CNC單元)

  a. 組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。

  b. 作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC 等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心

(4) 伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置

  a. 伺服單元和驅(qū)動裝置

  b. 主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機

  c. 進給伺服驅(qū)動裝置和進給電機

 測量裝置

  a. 位置和速度測量裝置。以實現(xiàn)進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

  b. 作用 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：

  c. 進給運動指令：實現(xiàn)零件加工的成形運動（速度和位置控制）。

  d. 主軸運動指令，實現(xiàn)零件加工的切削運動（速度控制）

(5) PLC、機床I/O電路和裝置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關(guān)順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；

  b. 機床I/O電路和裝置：實現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；

  c. 功能：

    接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作

   接受操作面板和機床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。

2、數(shù)控機床機械部分：

   數(shù)控機床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。

組成： 由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應(yīng)的傳動機構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng)工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。

四、數(shù)控機床的分類

1、按加工方式和工藝用途分類

（1）普通數(shù)控車床

    普通數(shù)控機床一般指在加工工藝過程中的一個工序上實現(xiàn)數(shù)字控制的自動化機床，如數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床與數(shù)控齒輪加工機床等。普通數(shù)控機床在自動化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完成。

（2）加工中心

    加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，它將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將其大部分加工面進行銑、鏜、鉆、擴、鉸及攻螺紋等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差，所以它適用于產(chǎn)品更換頻繁、零件形狀復(fù)雜、精度要求高、生產(chǎn)批量不大而生產(chǎn)周期短的產(chǎn)品。

2、按運動方式分類

（1）點位控制數(shù)控機床

    如圖1所示，點位控制是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標鏜床等。

圖1 點位控制加工示意圖

圖2 點位直線控制加工示意圖

（2）點位直線控制數(shù)控機床

    如圖2所示，點位直線控制是指數(shù)控系統(tǒng)除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。

圖3 輪廓控制加工示意圖

（3）輪廓控制數(shù)控機床

    亦稱連續(xù)軌跡控制，如圖3所示，能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。

3、按控制方式分類

（1） 開環(huán)控制系統(tǒng)

    開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，由步進電機驅(qū)動線路和步進電機組成，如圖4所示。數(shù)控裝置經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。

圖4 開環(huán)控制

這種伺服機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

（2）半閉環(huán)控制系統(tǒng)

    如圖5所示，半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。

圖5 半閉環(huán)控制

這種伺服機構(gòu)所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。

（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)

    如圖6所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確定位的控制系統(tǒng)。

圖6 閉環(huán)控制

環(huán)控制，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試維修的難度較大，常用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度高于半閉高精度和大型數(shù)控機床。

4、按聯(lián)動軸數(shù)分類

    數(shù)控系統(tǒng)控制幾個坐標軸按需要的函數(shù)關(guān)系同時協(xié)調(diào)運動，稱為坐標聯(lián)動，按照聯(lián)動軸數(shù)可以分為：

（1）兩軸聯(lián)動

    數(shù)控機床能同時控制兩個坐標軸聯(lián)動，適于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床銑削平面輪廓。

（2）兩軸半聯(lián)動

    軸可以在兩軸的基礎(chǔ)上增加了Z軸的移動，當機床坐標系的X、Y軸固定時，Z作周期性進給。兩軸半聯(lián)動加工可以實現(xiàn)分層加工。

（3）三軸聯(lián)動

數(shù)控機床能同時控制三個坐標軸的聯(lián)動，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。

（4）多坐標聯(lián)動

    數(shù)控機床能同時控制四個以上坐標軸的聯(lián)動。多坐標數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高、程序編制復(fù)雜，適于加工形狀復(fù)雜的零件，如葉輪葉片類零件。

    通常三軸機床可以實現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。

                    泰安市海特機器制造有限責任公司  技術(shù)中心  供稿

                                                    2010年1月26日