企業(yè)動態(tài)2024-12-27
數(shù)控技術(shù)是什么
1、什么是機床的數(shù)字控制
機床依靠各個部件的相對運動實現(xiàn)各種零件的加工,。在普通機床上按手動和機動兩種方式進行控制：手動靠手工搖動手把帶動機床部件進行運動和停止,；機動時，用按鈕接通動力源(電動機)經(jīng)機械傳動系統(tǒng)使機床部件運動,，運動的停止也是靠按鈕或行程開關(guān)碰到檔鐵后切斷電路而實現(xiàn),。數(shù)字控制機床則是以數(shù)字指令方式控制機床各部件的相對運動和動作。例如：要求機床執(zhí)行如下一條指令程序段：
N003 G90 G01 X+325.927 Y+279.346Z-429.732 S1000 T02 F500 M07;
其含義為：第三個程序段,，用2號刀具加工一條空間直線段,，起點為坐標(biāo)原點或上一程序段指令點，終點為程序段中給定的點(+325.927,，+279.346,-429.732),。坐標(biāo)值的計算以坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)。還指明機床主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min,，進給部件的運動速度為500mm/min,，且需將冷卻液打開。從上面的程序段可以看出,，它由數(shù)字0—9,，文字X、Y,、Z,、S、T,、F,、M…、符號“+”“-”“.”等組成,，而這些都要轉(zhuǎn)換成“二進制”數(shù)字代碼輸入機床的數(shù)字控制裝置〔即控制機床的專用計算機)中去,，經(jīng)過計算機的計算處理,、伺服控制、驅(qū)動機床各部件運動,，完成上述空間直線段的加工,，由于指令運動過程是以”二進制”“數(shù)字”代碼進行的，所以稱這種控制為數(shù)字控制(Numerical Control縮寫為NC),；數(shù)字控制是與機床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的，因此,，人們習(xí)慣把“機床數(shù)控”簡稱為“數(shù)控”或“NC“,，用這種控制技術(shù)控制的機床就稱為“數(shù)控機床”(Numerrically Controiied Machine Tool)或“Nc機床”。數(shù)控裝置和伺服控制部分統(tǒng)稱為“數(shù)控系統(tǒng)”,。機床的數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù),，是用數(shù)字化信息實現(xiàn)機床控制一種方法。
2,、機床數(shù)字控制的原理
數(shù)控機床的加工,，首先要將被加工零件圖紙上的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序，然后將加工程序輸入數(shù)控裝置,，按照程序的要求,，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、分配,，使各坐標(biāo)移動若干個最小位移量,，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工,。
在鉆削,、鏜削或攻螺紋等加工(常稱為點位控制Poid to point Control)中，是在一定時間內(nèi),，使刀具中心從P點移動到Q點(圖1.1a),，即刀具在X、y軸移動以最小單位量計算的程序給定距離,，它們的合成量為P點和Q點間的距離,。但是，對刀具軌跡沒有嚴格的限制,，可先使刀具在X鈾上由P點移動到R點,，然后再沿Y軸從R點移動到Q點：也可以兩個坐標(biāo)以相同的速度．使刀具移動到K點，再沿X軸移動到Q點,，這樣的點位控制,是要嚴格控制點到點之間的距離,，而與所走的路徑無關(guān)。因為這種距離通常都用最小的位移(0.001mm)表示,，而且要準(zhǔn)確地停在到達點處(誤差以0.001mm計算),，所以這種要求實際上是很高的,。
在輪廓加工控制(Contouring Control)中,，包括加工平面曲線和空間曲線兩種情況,。對于平面(兩維)的任意曲線L，要求刀具T沿曲線軌跡運動．進行切削加工,如圖1.1b所示,，將曲線L分割成：L0,、L1、L2...Li等線段,。用直線(或圓弧)代替(逼近)這些線段,，當(dāng)逼近誤差δ相當(dāng)小時，這些折線段之和就接近了曲線,。由數(shù)控機床的數(shù)控裝置進行計算,、分配，通過兩個坐標(biāo)軸最小單位量的單位運動(△x,、△y)的合成,，不斷連續(xù)地控制刀具運動，不偏離地走出直線(或圓弧),，從而非常逼真地加工出平面曲線：對于空間(三維)曲線(如圖1.1c)中的f(x,y,z),同樣可用一段一段的折線(△Li)去逼近它,，只不過這時△Li的單位運動分量不僅是△x和△y,還有一個△z。
這種在允許的誤差范圍內(nèi),，用沿曲線(精確地說,，是沿逼近函數(shù))的最小單位移動量合成的分段運動代替任意曲線運動，以得出所需要的運動,，是數(shù)字控制的基本構(gòu)思之一,。輪廓控制也稱連續(xù)軌跡控制(Continuous Path Control)，它的特點是不僅對坐標(biāo)的移動量進行控制,，而且對各坐標(biāo)的速度及它們之間的比率都要進行嚴格控制,，以便加工出給定的軌跡。
通常把數(shù)控機床上刀具運動軌跡是直線的加工．稱為直線插補,；刀具運動軌跡是圓弧的加工,稱為圓弧插補,。插補(Interpolation)是指在被加工軌跡的起點和終點之間，插進許多中間點,，進行數(shù)據(jù)點的密化工作,，然后用已知線型(如直線、圓弧等)逼近,。一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有直線,、圓弧插補，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家,，逐漸推出了具有拋物線插補,，螺旋線插補、極坐標(biāo)插補,、樣條曲線插補,、曲面直接插等豐富功能的數(shù)控系統(tǒng)，以滿足用戶的不同需要,。
機床的數(shù)字控制是由數(shù)控系統(tǒng)完成的,。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置，伺服驅(qū)動裝置,、可編程控制器和檢測裝置等,。數(shù)控裝置能接收零件圖紙加工要求的信息，進行插補運算,，實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令。伺服驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令,，驅(qū)動機床各坐標(biāo)袖運動,，同時能提供足夠的功率和扭矩。伺服控制按其工作原理可分兩種控制方式：關(guān)斷控制和調(diào)節(jié)控制,。關(guān)斷控制是將指令值與實測值在關(guān)斷電路的比較器中進行比較,，相等后發(fā)出信號，控制結(jié)束,。這種方式用于點位控制,。調(diào)節(jié)控制是數(shù)控裝置發(fā)出運動的指令信號，伺服驅(qū)動裝置快速響應(yīng)跟蹤指令信號,。檢測裝置將坐標(biāo)位移的實際值檢測出來,，反饋給數(shù)控裝置的調(diào)節(jié)電路中的比較器，有差值就發(fā)出運動控制信號,，從而實現(xiàn)偏差控制,；不斷比較指令值與反饋的實際值、不斷發(fā)出信號,，直到差值為零,，運動結(jié)束：這種方式適用于連續(xù)軌跡控制。
在數(shù)控機床上除了上述軌跡控制和點位控制外,，還有許多動作,，如：主軸的啟停、刀具更換,、冷卻液開關(guān),、電磁鐵的吸合、電磁閥啟閉、離合器的開合,、各種運動的互鎖,、連鎖，運動行程的限位,、急停,、報警、進給保持,、循環(huán)啟動,、程序停止、復(fù)位等等,。這些都屬于開關(guān)量控制,，一般由可編程控制器(Programmable controller簡稱PC，也稱為可編程邏輯控制器PLC,，又稱為可編程機床控制器PMC,，下文均稱為PLC)來完成，開關(guān)量僅有“0”和“1”兩種狀態(tài),，顯然可以很方便地融人機床數(shù)控系統(tǒng)中,，實現(xiàn)對機床各種運動協(xié)調(diào)的數(shù)字控制。
3,、數(shù)控機床的組成及特點
數(shù)控機床的組成
圖1.2是一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床的組成圖,，它是由X、Y,、Z三個坐標(biāo)來實現(xiàn)刀具和工件間的相對運動的立式數(shù)控銑床,。從圖中可以看出包括信息輸入，運算控制（數(shù)控裝置）,，伺服驅(qū)動及檢測反饋,，機床本體，機電接口等部分,。
(1)信息輸入
這一部分是數(shù)控機床的信息輸入通道．加工零件的程序和各種參數(shù),、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送進計算機系統(tǒng)(數(shù)控裝置)。早期的輸入方式為穿孔紙帶,，磁帶,。目前較多采用磁盤；在生產(chǎn)現(xiàn)場,，特別是一些簡單的零件程序都采用按鍵,、配合顯示器(CRT)的手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)方式；手搖脈沖發(fā)生器輸入多用于調(diào)整機床和對刀時使用,；通過通訊接口,，可由上位機輸入。
(2)數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是由中央處理單元(CPU)、存儲器,、總線和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的專用計算機,，它接收到輸入信息后，經(jīng)過譯碼,、軌跡計算(速度計算),、插補運算和補償計算．再給各個坐標(biāo)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移指令,。這一部分是數(shù)控機床的核心,。整個數(shù)控機床的功能強弱主要由這一部分決定。它具備的主要功能如下：
1)多軸聯(lián)動,、多坐標(biāo)控制,。
2)實現(xiàn)多種函數(shù)的插補(直線、圓弧,、拋物線,、螺旋線、極坐標(biāo),、樣條等),。
3)多種程序輸入功能(人機對話、手動數(shù)據(jù)輸入,、由上級計算機及其它輸入設(shè)備的程序輸入),，以及編輯和修改功能,。
4)信息轉(zhuǎn)換功能：包括EIA/ISO代碼轉(zhuǎn)換,，公制／英制轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,、絕對值／增量值轉(zhuǎn)換等,。
5)補償功能：刀具半徑補償、刀具長度補償,、傳動間隙補償,、螺距誤羌補償?shù)取?/font>
6)多種加工方式選擇?？梢詫崿F(xiàn)各種加工循環(huán),，重復(fù)加工，凹凸模加工和鏡象加工等,。
7)具有故障白診斷功能,。
8)顯示功能。用CRT可以顯示字符,、軌跡,、平面圖形和動態(tài)三維圖形。
9)通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。
(3)伺服驅(qū)動裝置及檢測反饋裝置
伺服驅(qū)動裝置又稱為伺服系統(tǒng)．它接受計算機運算處理后分配來的信號,。該信號經(jīng)過調(diào)解,、轉(zhuǎn)換、放大以后去驅(qū)動伺服電機,，帶動機床的執(zhí)行部件運動,。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置分為主軸驅(qū)動單元(主要是速度控制)、進給驅(qū)動單元(包括速度控制和位置控制),、回轉(zhuǎn)工作臺和刀庫伺服控制裝置以及它們相應(yīng)的伺服電機等,。伺服系統(tǒng)分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，而交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng),；以步進電機驅(qū)動的伺服系統(tǒng)在某些具體場合仍可采用,；直線電機系統(tǒng)是適應(yīng)高速、高精度的一種伺服機構(gòu),。在伺服系統(tǒng)中還包括安裝在伺服電機上(或機床的執(zhí)行部件上)的速度,，位移撿測元件及相應(yīng)電路．該部分能及時將信息反饋回來，構(gòu)成閉環(huán)控制(交流數(shù)字閉環(huán)控制中還包括電流檢測反饋),。常用檢測裝置有測速發(fā)電機,、旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器,、感應(yīng)同步器,、光柵、磁性檢測元件,、霍耳檢測元件等組成的系統(tǒng),。一艙來說，數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng),，要求具有很好的快速響應(yīng)性能,，以及能夠靈敏而準(zhǔn)確地跟蹤指令的功能。所以,，伺服驅(qū)動及檢測反饋是數(shù)控機床的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。
(4)機床本體
機床本體也稱主機，它包括機床的主運動部件,、進給運動部件,、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件，如底座,、立柱,、滑鞍、工作臺(刀架),、導(dǎo)軌等,。數(shù)控機床與普通機床不同,，它的主運動，各個坐標(biāo)軸的進給運動都由單獨的伺服電機(無級變速)驅(qū)動,，所以它的傳動鏈短,、結(jié)構(gòu)比較簡單。普通機床上各個傳動鏈之間有復(fù)雜的齒輪聯(lián)系,，在數(shù)控機床上改由計算機來協(xié)調(diào)控制各個坐標(biāo)軸之間的運動關(guān)系：為了保證數(shù)控機床的快速響應(yīng)持性,，在數(shù)控機床上普遍采用精密滾珠絲杠和直線滾動導(dǎo)軌副。為了保證數(shù)控機床的高精度,、高效率和高自動化加工,，機床的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度,、阻尼精度,、耐磨性以及抗熱變形性能。在加工中心上還具備有刀庫和自動交換刀具的機械手,。同時還有一些良好的配套設(shè)施．如冷卻,、自動排屑、防護,、可靠的潤滑,、程編機和對刀儀等，以利于充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能,。
(5)機電接口
機床上除了點位,、軌跡控制采用數(shù)字控制外，還有許多其它的控制,，如主軸的啟停,，刀具的更換，工件的夾緊松開,，各種輔助交流電動機的啟停,，電磁鐵的吸合,、釋放,，離合器的開、合,，電磁閥的打開與關(guān)閉等,。它們的動力來源是由電源變壓器．控制變壓器，各種斷路器,，保護開關(guān),，接觸器，勸率斷路器及熔斷器等組成的強電線路提供的,，而這種強電線路是不能與低壓下工作的控制電路或弱電線路直接連接,，只能通過斷路器,，熱動開關(guān)，中間繼電器等轉(zhuǎn)換成直流低壓下工作的觸點的開,、合(關(guān))工作,，成為繼電器邏輯電路或PLC可接收的信號。其它還有為了保證人身和設(shè)備安全,、或者為了操作,、為了兼容性所必須的：如“急停”,、“進給保持”,、“循環(huán)啟動”、“NC準(zhǔn)備好”,、“行程限位”,、“JOG命令(手動連續(xù)進給)”、“NC報警”,、“程序停止”,、“復(fù)位”、“M信號”,、“s信號”“T信號”等等信號也需由PLC來傳送,。這些動作都按機床工作的邏輯順序由PLC來完成。PLC控制的雖是動作先后邏輯順序,，但它處理的是數(shù)字信息“O”和“1”,，不管是由PLC本身帶“CPU“、還是由數(shù)控裝置內(nèi)的CPU來處理這些信息,，數(shù)控機床的計算機都能將數(shù)字控制信息和開關(guān)量控制信息很好地協(xié)調(diào)起來,，實現(xiàn)正常的運轉(zhuǎn)和工作。
以上這些都是屬于數(shù)控裝置和機床之間的接口問題,，統(tǒng)稱為機電接口,。解決這些問題，首先要知道機床上有哪些動作,，其次是這些動作的先后順序,，以及它們之間的邏輯(聯(lián)鎖．互鎖等)關(guān)系等。
數(shù)控機床的特點
近代,，在汽車拖拉機及輕工業(yè)消費品等大批量生產(chǎn)方面,，采用大量的組合機床自動線，流水線,；在標(biāo)準(zhǔn)件等大量生產(chǎn)中,，采用了凸輪控制的專用機床和自動機床。這些適合于大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線．其建造和調(diào)試很困難,，過程很長,。一旦需要更換產(chǎn)品,，則整個工藝過程全變了。即原來所有的設(shè)備將被拋棄．另外制造或購置新的設(shè)備,，重新安裝和調(diào)試生產(chǎn)線,，資金的投人和時間投入將會很大。人們把這種生產(chǎn)模式稱為剛性自動化,。
現(xiàn)代,，出于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新加快的要求，解決單件,、小批量生產(chǎn)自動化的問題便迫在眉睫,。在航空、宇航,、造船,、電子、軍工,、模具等工業(yè)對解決形狀復(fù)朵零件的高精度加工要求越來越高,。剛性自動化很難滿足這些領(lǐng)域的要求，而以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的柔性加工和柔性自動化便應(yīng)運而生的發(fā)展起來,。
數(shù)控機床是一種新型的自動化機床．它具有廣泛的通用性和很高的自動化程度,。數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動生產(chǎn)線的基本單元,。數(shù)控機床在如下一些零件的加工中,，更能顯示出它的優(yōu)越性，它們是：①小批量而又輪番生產(chǎn)的零件,；⑦幾何形狀復(fù)雜的零件,；③在加工過程中必須進行多種工序加工的零件；④切削余量大的零件,；⑤必須嚴格控制公差(即公差帶范圍很小)的零件,；⑧工藝設(shè)計會經(jīng)常變化的零件；⑦加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件,；⑧需全部檢測的零件,，等等。
4,、數(shù)控機床的優(yōu)勢
(1)數(shù)控機床有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性,，它能夠加工普通機床難以完成,，或者根本不能加工的,、復(fù)雜型面的零件。所以數(shù)控機床首先在航空,、航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用,；在復(fù)雜形面的模具加工中,，在蝸輪葉片和螺旋槳葉片的加工中也都得到了廣泛的應(yīng)用。
(2)數(shù)控機床按照預(yù)先編制的零件加工程序自動加工,，加工過程不需要人工干預(yù),，故加工零件的一致性好，重復(fù)精度高,，這很適合批量生產(chǎn),。由于數(shù)控機床本身的剛度好，精度高,，并且精度保持性也好．這更有利于數(shù)控機床加工質(zhì)量的長期穩(wěn)定,。此外還可利用軟件進行精度校正和補償，這為獲得比機床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度展示了前景,。
(3)數(shù)控機床是一種高度自動化,、高效率的機床，它可以采用較大的切削用量,，具有自動變速,、自動換刀、自動交換工件,，生產(chǎn)率得以極大提高,，一般為普通機床的3—4倍，甚至更高,，尤其是對于某些復(fù)雜零件(如箱體),、加工量大的零件和易出差錯的印刷電路板加工等，生產(chǎn)率可提高幾十倍,，且大大減輕了工人勞動強度,。
(4)數(shù)控機床加工完這一種(或這一批)零件后，需要更換為另一種(或另一批)零件時,，只需要更換新的零件加工程序,，而將原來的零件加工程序保存起來．待以后使用。組合機床自動線加工零件改變時,，則需要重新設(shè)計,、制造、安裝,、調(diào)試新的組合機床及各種鉆模,、鏜模夾具；自動化機床或?qū)Ｓ脵C床則需要重新設(shè)計更換凸輪,、靠模,、樣板等工藝裝備。保存這些不用(或暫時不用的)機床,、夾具比保存加工程序要復(fù)雜得多,。顯然數(shù)控機床加工零件更換時,，生產(chǎn)準(zhǔn)備也相對容易，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期也較短,；大大節(jié)省了占用廠房的面積,。所以數(shù)控機床是產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁時代的首選柔性設(shè)備。
(5)加工中心采用工藝復(fù)合,，一機多能(如加工中心的銑,、鉆、捏削功能合一,；車削中心的車,、銑、鉆削功能合一等),，再配上分度工作臺或數(shù)控轉(zhuǎn)臺,，主軸立、臥轉(zhuǎn)換,，工作臺立,、臥轉(zhuǎn)換以及工作臺(或托盤)交換、刀具交換等工序高度集中措施,，實現(xiàn)在一次零件定位裝夾中完成多工位,、多面、多刀加工,。大大節(jié)省了工序之間的運輸,、測量裝夾時間，既有利于提高加工零件的精度．節(jié)省了機床的占地面積,，也極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益,。
(6)數(shù)控機床是一種高新技術(shù)設(shè)備，它不僅價格較高,，而且要求操作人員有較豐富的專業(yè)知識和較高的操作,、維護、保養(yǎng)技能,。通過應(yīng)用數(shù)控機床可以不斷提高企業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì),，促進企業(yè)的文明生產(chǎn)、樹立企業(yè)的良好形象,。
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