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        数控车床的基本应用

        作者:www.bjhuaduan.com来源:华锻 日期:2016年5月4日

        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,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

        关键词:数控车床 发展趋势

        数控机床的产生

            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10100件)约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。

        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。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)。

        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。

        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PC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。

        1)工序集中   20世纪50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0.52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,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。

        2)高速、高效、高精度

        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

        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。

        数控机床的分类

        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。

         

        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。

        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,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。

          数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成 。

          (1)电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数,其反馈信号也在伺服系统内联接完成,因此不需接线与调整。

          (2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器,其PI调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性,一旦这些特性发生明显变化时,首先需要对机械传动系统进行修复工作,然后重新调整速度环PI调节器。

          速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的,这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行,而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险,可以采取先摘下电动机空载调整,然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整,这时需要有一定的经验和细心。

        速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。

          (3)位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作:

          一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉

        冲数目经过外部倍频电路和/CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm,数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm,则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。

          结     语

        制定符合中国国情的总体发展战略,确立与国际接轨的发展道路,对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和产业发展趋势的分析,对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上,对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨,提出了以科技创新为先导,以商品化为主干,以管理和营销为重点,以技术支持和服务为后盾,坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上,研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。

            我们衷心希望,我国科技界、产业界和教育界通力合作,把握好知识经济给我们带来的难得机遇,迎接竞争全球化带来的严峻挑战,为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列,使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗!

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