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数控机床概述
发布时间: 2012-09-30 11:15:00 来源: 编辑: 周文煜

  一.数控机床概述

  随着我国机械制造技术的迅速发展,机械产品的更新换代也越来越频繁,这就对制造装备在性能、精度、自动化及柔性方面题提出了更高的要求,通用机床设备自动化程度不高,难以加工轮廓及形状复杂的零件;自动化专用机床和生产线,虽然效率高,自动化程度高,但产品改型困难时,而且开发周期长。数控技术及采用该技术的数控机床正好满足了这些要求。

  数控是指用数值数据的控制装置,在运行过程中不断地引入数值数据,从而对某以生产过程实现自动控制。也就是说,使用数控机床时,可将其运行过程数字化,这些数字信息包含了机床刀具运动轨迹,运行速度及其它工艺参数等,而这些数据可以根据要求很方便的实现编辑修改,满足了柔性化的要求。

  从外观及布局看,数控机床出除了具有与其对应的普通机床的床身、导轨、主轴、工作台及刀架等相同或相似的机床主体各部分外,还特别具有普通机床所不可能配置的两大部分,即对机床进行指挥、控制的计算机数控装置(Computer Numerical ControlCNC)和驱动机床运动机构,包括机床主轴伺服驱动及进给机构实施位移的进给伺服系统。

  

  数控机床是机电一体化的高技术产品, 其中集合了机械制造、计算机技术、伺服驱动及检测技术、可编程控制技术、气动液压等技术。其组成一般包括:数控装置(CNC)、可编程控制器(PLC)、伺服驱动及检测反馈、限位装置、机床主体等。

  二.数控机床的构成

  数控机床的构成如下图12.1所示:

  

  12.1数控机床的构成

  1.机床主体

  数控机床的机床主体与传统机床相似,由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

  例如,简化了主轴箱及其变速、变向等传动系统;简化了从主轴至工作台(或刀架滑板)间的机械传动结构,使机械传动链较短;广泛采用了提高机床刚性、减小振动及摩擦阻力等措施(如倾斜导轨,构件动平衡,采用滚珠丝杆、滚动导轨等);增加了多刀架、多工作台、自动养料及自动排悄装置等。

  2.数控装置

  机床数控装置(CNC)是指用数值数据的控制装置,是数控机床的核心。

  CNC系统由硬件和软件共同完成数控任务,它与数控系统的其它部分通过接口相连。数控系统硬件结构类型的分类方式很多,按CNC装置中各印制电路板的插接方式可分为大板式结构和功能模板式结构;按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器和多微处理器结构等,但总的来说,CNC装置与通用计算机一样,是由中央处理器(CPU)及存储数据与程序的存储器组成。存储器分为系统控制软件程序存储器(ROM加工程序存储器(RAM)及工作区存储器(RAM)。ROM中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入,用来完成CNC系统的各项功能,数控机床操作者将各自的加工程序存储在RAM中,供数控系统用于控制机床加工零件。工作区存储器是系统程序执行过程的活动场所,用于堆栈、参数保存、中间运算结果保存等。中央处理器(CPU)执行系统程序、读取加工程序,经过加工程序段译码、预处理计算,然后根据加工程序段指令,进行实时插补,并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号比较,从而控制机床的各坐标轴的位移。同时将辅助动作指令通过可编程序控制器(PLC)发往机床,并接收通过可编程序控制器(PLC)返回的机床各部分信息,以决定下一步操作。

  3.输入/输出设备及接口

  数控设备操作人员与数控系统之间的信息交流过程是通过输入/输出设备或接口来完成的,输入设备的作用是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同,输入设备包括光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等设备。目前数控机床加工程序主要通过键盘用手工方式直接输入数控系统或由编程计算机把零件图通过软件自动转换成加工的程序然后传送到数控系统中。

  通常采用的的通信方式有:

  1)串行通信(RS232等串行通信接口);

  2)自动控制专用接口和规范(DNCMAP等)

  3)网络技术(Internet,LAN等)。

  零件加工程序输入过程有两种不同的方式:一种是边读入边加工(数控系统内存较小时),另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器,加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。

  输出设备的作用是通过显示器把加工过程中必要的信息,如坐标值、报警信号等显示。

  4.伺服系统

  伺服系统是数控设备的驱动执行机构,分为主轴伺服系统和进给伺服系统两大类,驱动系统接受来自数控装置的指令信息,经功率放大后,严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件,以加工出符合图样要求的零件。因此,它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

  5.检测反馈装置

  检测反馈装置是高性能数控设备中的重要组成部分。检测反馈装置主要有以下两种安装方式:

  1)安装在机床的工作台或丝杠的直线位移检测元件;

  2)安装在伺服电机上的角位移检测元件。

  检测反馈装置的作用是,将检测元件准确测出直线位移或角位移迅速反馈给数控装置,以便与加工程序给定的指令进行比较。如果比较出误差,数控装置将向伺服系统发出新的修正命令,以控制机床有关机构向消除误差的方向进行补偿位移,并如此反复进行,达到消除其误差的目的。

  数控设备通常按有、无反馈检测装置及反馈方式将伺服系统分为开环、全闭环、半闭环及混合闭环系统,开环系统无检测反馈装置,其控制精度主要取决于系统的机械传动链和步进电机运行的精度,而闭环系统的控制精度则主要取决于检测反馈装置的精度。

  6.可编程序控制器

  可编程序控制器(PLC)是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序控制器,用来执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械设备和生产过程。按其控制的对象不同,分为可编程序逻辑控制器(PLC)及用于控制机床顺序动作的可编程序机床控制器(PMC),可编程序机床控制器(PMC)在数控装置(CNC)中接收来自操作面板,机床上各行程开关、传感器、按钮,强电柜中的继电器以及主轴控制,刀库控制的有关信号,经处理后输出有关信号,控制相应的器件的运行。

  CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制,其中CNC装置主要完成与数字运算和管理有关的功能,如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等;PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作,没有轨迹上的具体要求,接受CNC装置的控制代码辅助功能M指令、主轴功能S指令、刀具功能T指令等顺序动作信息,对其进行译码,转换成对应的控制信号,控制辅助装置完成机床相应的开关动作,如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开与关等一些辅助动作;它还接受机床操作面板的指令,一方面直接控制机床的动作,另一方面将一部分的指令送往CNC装置,用于加工过程的控制。

  

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