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1、数控机床数控机床是20世纪50年代初期发展起来的一种应用数控技术解决机械加工过程的新型自动化机床。随着现代机械制造业向更高层次发展，它已成为柔性制造单元()、柔性制造系统()以及计算机集成制造系统(I)的基础装备之一。作为数控机床的关键技术，数控技术是机械专业的工科大学生必备的专业技能之一。一、数控机床的组成机床的数控技术包括机床、数控系统和外围技术，其组成见表：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。现对各组成部分简介如下：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的全部动作和刀具
2、相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等，也可通过通信接口直接输入所需各种信息，采用何种控制介质则取决于数控装置的类型。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。特别是微处理器和微型计算机在数控装置上成功的应用后，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
3、床的迅速发展。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。装置的基本功工作有：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、处理、显示和诊断等，它具备的主要功能如下：(1) 多坐标控制（多轴联动）(2) 实现多种函数的插补；(3) 多种程序输入（人机对话、手动数据输入，由上级计算机及其它计算机设备的借口输入），以及编辑和修改。(4) 信息转换；(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；(7) 故障自诊显示；(8) 通信和联网。 3、伺服系统 机床伺服系统是数
4、控装置与机床的连接环节，它是以机床移动部件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（或计算计）插补生成的进给脉冲或进给位移量，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）、进给驱动单元、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相应性能，进给速度范围要大，灵敏而准确的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
5、的系统成为开环系统。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。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。数控机床的结构有下面几个特点：（1） 由于采用了高性能的主轴进给伺服驱动装置，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，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。二、 数控机床的特点1、工对象改型的适应性强由于在数控机床上改变加工件时，只需要重新编制程序，更换一条新的穿孔纸带或
6、者手动输入就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要重新调整机床。因此数控机床可以很快的从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。对于使用点位控制系统的多孔零件的加工，当需要修改设计，改变其中某些孔的位置和尺寸时，只需局部修改增删孔带的相应部分，花费很短的生产准备时间就可以把修改后的新产品制造出来，为产品结果的不断攻心提供了有利条件。精度高 数控机床是按以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量普遍达到了0.001mm，而且进给传动链的反向
7、间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到较高的加工精度。对于中小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm.。因为数控及传动系统与机床的结构都具有很高的刚度和热稳定性，而且提高了它的制造精度，特别是数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差，同一批加工零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量十分稳定。在采用点位控制系统的钻孔加工中，由于不需要使用钻模板与钻套，钻模板的坐标误差造成的影响也不复存在。又由于加工中排除切削的条件得以改善，可以进行有效的冷却，被加工孔的精度及表面质量都有所提高。对于复杂零件的轮廓加工，在编制程序是已考虑到对进
8、给速度的控制，可以做到在曲率变化时，刀具沿轮廓的切向进给速度基本不变，被加工表面就可获得较高的精度和表面质量。3、产率高 零件加工所需要的时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能够有效的减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效的节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床的少得多。数控机床在更换被加工零件是几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装
9、在简单的定位加紧装置中，用于停机进行零件安装调整的时间可以节省不少。数控机床的加工精度比较稳定，在穿孔带经过校验以及刀具完好的情况下，一般只作首件校验或工序间关键尺寸的抽样检验。因而可以减少停机检验的时间。因此数控机床的利用系数比一般机床的高得多。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心机床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。操作者的劳动强度数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔带或操作键盘，装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳
10、动条件也得到相应的改善。例如电子工业中印刷电路板的钻孔，如果在台式钻床上进行手动加工，单调频繁的手工操作很容易造成工人视觉的极度疲劳，从而产生不少差错，因此通常很难进行一小时以上的连续操作。当采用高速数控钻床时，就能根本的改善操作者的劳动条件。良好的经济效益使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能够获得良好的经济效益。使用数控机床，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上以后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另一方面，由于数控机床加工零件不需要手工制作模型，凸轮、钻模板及其它工夹具，节省了工
11、艺装备费用。还由于数控机床的加工精度稳定，减少了废品，使生产成本进一步降低。6、有利于生产管理用数控机床加工零件，能准确的计算零件的加工工时，并有效的简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床使用数字信息与标准代码输入，最适宜于与数字计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、制造及管理一体化的基础。三、数控机床的应用范围数控机床确实存在一般机床不具备的许多优点，但是这些优点是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件：品种小批量生产
12、的零件图1表示了三类机床的零件加工数量与综合费用的关系。从图中看出零件加工批量的增大对于选数控机床是不利的。原因在于数控机床设备费 用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比，其效率还不够高。 2、结构比较复杂的零件 图2表示了三类机床的被加工零件复杂程度与零件批量大小的关系。通常数控机床适宜于加工结构比较复杂，在非数控机床上加工是需要有昂贵的工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。繁改型的零件在国防与尖端工业部门中，零件频繁改型的必要性是众所周知的。在民用工业部门中引入了竞争机制，市场上销售的产品也必须不断更新，这就为数控机床提供了用户。它节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。价值昂贵，不允许报
13、废的关键零件需要最少生产周期的急需零件广泛推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大，由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。位置控制系统是数控机床的一个重要部分，现在介绍其控制的具体原理。位置控制伺服机构，将施加在当得指挥站里操作轮上的运动在某个遥远的地方再现出来。输入运动可被用来将一个很重的物体移动到一个期望的位置上，于是指令的功率放大与精确再现是必不可少的。信号可以通过机械连接或通过液压导管、气动导管或电缆直接传送。与机械连接不同，最迅速的传送方式是电连接，这是非常普遍的，尽管
14、并不总是如此。当它被应用时，机械输入与输出信号首先被转换成一定比例的电信号，然后通过导线将其传送到比较装置上，比较装置会产生一个正比于误差的信号。低功率的误差信号被送到放大器，放大器从外部电源获得功率并将可控的功率传送到电动机。传感器与比较器元件的组合构成了误差监测器，放大器就是控制器，电动机与它的变速箱构成了输出元件。如果电动机是用电的，那么放大器可以是纯电的。若电动机是液压的或气动的，那么放大器必须是电-液的或电-气的。需强调的是，这个系统的任务就是供可旋转的物体尽可能的复现操作轮的运动。先考虑当物体一开始处于静止状态，操作轮的位置被非常快的转动一个角度后，将会出现什么情况。该物体一开始没
15、有速度并且输出位置是零，于是一个信号k 立刻会出现在放大器的输入端上；放大器的输出被传送到电动机上，电动机随后驱动这个物体使误差减少。当接近时，误差变得很小，于是传送到电动机上的功率也随着减小。所涉及的系统通常是物体恰好超过所要求的位置,既然此时比大，误差变负，电动机使物体停止并且改变方向。在物体最终稳定在所要求的位置之前，可能会产生达到给定位置或进一步超过给定值的现象。只有当完全一致时，放大器的输入才为零，电动机被迫朝一个方向或另一个方向转动直至所有的运动都停止。因此只有放大器的输入信号为零时（即当输入为质量权与指令一样时），电动机才会停止工作。从上面的讨论我们可以知道，除非精心设计，否则相当有可能在期望位置附近震荡加剧而不是快速衰减。震荡加剧的系统是不稳定的，因此在控制工程中的许多设计工作都与产生一个稳定的系统有关。当然，使党的稳定性仅仅是几个要求中的一个。另一项要求是如实的复现各类输入信号。图4所使得系统不可能在任何程度上复现输入位置突然变化。另一类输入指令可能由恒角速度的操纵轮运动构成。那么这个系统将具有震荡的瞬态相应，物体中会稳定在与指令相同的速度上，但是在位置上角度输入有一个小的角度滞后。输入与输出位置之间的细微差别将具有这样的数量级，使得电机产生一个足以使物体克服摩擦力
