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第五章 數(shù)控機床及工業(yè)機器人

第一節(jié)　數(shù)控機床

一、什么是數(shù)控機床

計算機數(shù)控(CNC)是指用計算機實現(xiàn)部分或全部基本數(shù)控功能。數(shù)控機床是一種采用計算機，利用數(shù)字化信息進行控制，具有高附加值的技術(shù)密集型機電一體化產(chǎn)品。

二、數(shù)控機床是如何加工零件的

1、在數(shù)控機床上加工零件是將加工過程所需的各種操作以及零件的形狀、尺寸按規(guī)定的編碼方式寫成數(shù)控加工程序，輸入到數(shù)控裝置中。再由數(shù)控裝置對這些輸入的信息進行處理和運算，并控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，使坐標軸協(xié)調(diào)移動，從而實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件加工。當被加工工件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只要更換零件加工程序。

2、為了能夠加工出符合要求的零件輪廓，數(shù)控裝置必須具有插補功能。插補功能是在進行曲線輪廓加工時，只要知道曲線的種類、起點、終點以及速度等信息后，就可以根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，在起點和終點之間確定一些中間點，以達到數(shù)據(jù)點密化的功能。

3、處理插補的算法就是插補運算。

插補算法是數(shù)控加工技術(shù)中的一個基本問題。

目前常用的插補算法有兩大類：

(1)以脈沖形式輸出的脈沖增量法，它適合于以步進電動機作為驅(qū)動元件的開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng);

(2)以數(shù)字量形式輸出的數(shù)字增量法，它適合于以交、直流伺服電動機作為驅(qū)動元件的閉環(huán)(或半閉環(huán))伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

4、要實現(xiàn)數(shù)控加工，數(shù)控機床必須包括：

(1)具有一個既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數(shù)學模型進行插補運算，實時地向各坐標軸發(fā)出速度控制指令的數(shù)字計算機，即控制裝置;

(2)具有能夠快速響應，并具有足夠功率的伺服驅(qū)動裝置;

(3)具有能夠滿足上述加工方式的機床主機，輔助裝置和刀具。

三、為什么發(fā)展、使用數(shù)控機床

1、數(shù)控機床的優(yōu)點：

(1)數(shù)控機床可以加工出普通機床難以加工或不能加工的復雜型面;

(2)數(shù)控機床按預先編寫的零件加工程序自動加工，加工過程中沒有人為干擾，加工精度還可以利用軟件進行校正和補償，因此可以獲得高的加工精度和重復精度;

(3)與普通機床加工相比，在數(shù)控機床上加工可提高生產(chǎn)率2～3倍，對于一些復雜零件，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍等等。

(4)數(shù)控機床加工一般借用通用夾具，幾乎不需要專用的工裝夾具，只需更換零件的加工程序，即可實現(xiàn)零件的加工，縮短生產(chǎn)周期;

(5)節(jié)省時間、廠房面積;

(6)加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟效益;

(7)減輕勞動強度;

(8)實現(xiàn)精確的成本核算、生產(chǎn)進度安排。

2、數(shù)控機床與普通機床的性能比較列表

四、數(shù)控機床的組成(重點)

數(shù)控機床可以分為兩大部分：CNC系統(tǒng)和機床主機(包括輔助裝置)

(一)CNC系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)由程序、輸入輸出(I / O)設(shè)備、CNC裝置及主軸、進給控制單元組成。

1、CNC 裝置是 CNC 系統(tǒng)的核心，它由三部分組成，即計算機(包括硬件和軟件)、可編程序控制器(PLC)和接口電路。

零件加工程序是CNC系統(tǒng)的重要組成部分。

2、輸入輸出設(shè)備主要用于零件加工程序的編制、存儲、顯示、打印等。

3、在數(shù)控機床中，有主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng)。

主軸驅(qū)動裝置由主軸控制單元、交直流主軸電動機與速度檢測元件組成。

進給驅(qū)動裝置由進給控制單元、進給伺服電動機與檢測元件組成。

(二)主機

主機是數(shù)控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分。

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具以下一些特點：

1、高剛度和高抗振性

2、小的機床熱變形

3、高效率、無間隙、低摩擦傳動

4、簡化的機械傳動結(jié)構(gòu)

采用高性能、寬調(diào)速范圍的交直流主軸電動機和伺服電動機，使主軸箱、進給變速箱及其傳動系統(tǒng)大為簡化，提高傳動精度和可靠性。

(三)輔助裝置

必要的輔助裝置包括：電器、液壓、氣動元件及系統(tǒng);冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等裝置;交換工作臺，數(shù)控轉(zhuǎn)臺，數(shù)控分度頭;刀具及其監(jiān)控檢測裝置等。

五、數(shù)控機床的分類

(一)按照能夠控制刀具與工件間相對運動的軌跡分類

1、點位控制(或位置控制)數(shù)控機床

2、輪廓控制數(shù)控機床

(二)按照伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式分類

自動控制有閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種基本控制方式。

1、閉環(huán)控制數(shù)控機床

這類數(shù)控機床帶有位置檢測反饋裝置。位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置，并與CNC裝置的指令位置進行比較，用差值進行控制。

2、開環(huán)控制數(shù)控機床

這類數(shù)控機床不帶位置檢測反饋裝置。CNC裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路的功率放大，驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動，再經(jīng)傳動機構(gòu)帶動工作臺移動。

3、半閉環(huán)控制數(shù)控機床

將檢測元件安裝在電動機的端頭或絲杠的端頭，則為半閉環(huán)控制數(shù)控機床。

(三)按照加工方式分類

1、金屬切削類

2、金屬成型類

3、特種加工類

4、其他類。

(四)按照CNC裝置的功能水平分類

按照CNC裝置的功能水平可大致把數(shù)控機床分為高、中、低(經(jīng)濟型)三檔。

六、數(shù)控機床的再生改造(重點)

數(shù)控機床技術(shù)改造應該考慮的問題：

1、正確估計待改造的數(shù)控機床的價值

主要機械大件(如床身、立柱、主軸箱等)的使用壽命可達10年以上

數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命可達10年

一些頻繁運動的驅(qū)動部件(如滾動絲杠副)可保持運動精度約為5年

易損電器元件(如行程開關(guān))的使用壽命只有2年左右

一個標準型的數(shù)控系統(tǒng)在制造廠生產(chǎn)出來，其壽命約為5-6年

(1)在再生改造時，必須仔細分析哪些部分可以利用，哪些部分必須更新，剩余價值還有多少。一般要求可利用的部分其剩余價值不應低于總價值的1/3。

(2)剩余價值較大的通常是機械部分及配套附件，數(shù)控系統(tǒng)往往都需要更新。

2、設(shè)備技術(shù)改造應該力求投資不超過同類新設(shè)備購置費的40～60%

3、再生改造應該全面配套，避免只進行局部改造

在改造方案中，必須對機床各主要部件的工作壽命進行綜合平衡，技術(shù)參數(shù)要相互匹配。

4、設(shè)備改造要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需要、自身的經(jīng)濟能力，確定合理的科學的再生改造目標，而不要盲目追求一流水平

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