淺談數(shù)控機(jī)床工作原理組成及發(fā)展趨勢(shì)
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數(shù)控機(jī)床工作原理組成及發(fā)展趨勢(shì)
論文關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床工作原理,發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，它是用數(shù)字信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程。具體地說(shuō)，將刀具移動(dòng)軌跡等加工信息用數(shù)字化的代碼記錄在程序介質(zhì)上，然后輸入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)譯碼、運(yùn)算，發(fā)出指令，自動(dòng)控制機(jī)床上的刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件，這種機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。
一：數(shù)控機(jī)床的種類
�、侔磾�(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類
數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡主要有三種形式：點(diǎn)位控制運(yùn)動(dòng)、直線控制運(yùn)動(dòng)和連續(xù)控制運(yùn)動(dòng)。
②．按進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制方式分類
由數(shù)控裝置發(fā)出脈沖或電壓信號(hào)，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床按進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制方式分類有三種形式：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
二：數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成
數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置(CNC)、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置(或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu))、可編程控制器(PLC)及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及測(cè)量裝置組成。
2.數(shù)控加工程序指令代碼
在數(shù)控機(jī)床加工程序中，我國(guó)和國(guó)際上都廣泛使用準(zhǔn)備功能G指令、輔助功能M指令、進(jìn)給功能F指令、刀具功能T指令和主軸轉(zhuǎn)速功能S指令等5種指令代碼來(lái)描述加工工藝過(guò)程和數(shù)控機(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)特征。
需要說(shuō)明的是，數(shù)控機(jī)床的指令在國(guó)際上有很多標(biāo)準(zhǔn)，并不完全一致。而隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展、不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，其系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大和使用上會(huì)更加方便。在不同數(shù)控系統(tǒng)之間，功能指令字也會(huì)更加豐富，程序格式上的差異也會(huì)一定存在。
3.數(shù)控機(jī)床的編程
自從第一臺(tái)數(shù)控銑床誕生后，數(shù)控加工技術(shù)在全世界各國(guó)得到迅速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造加工技術(shù)的發(fā)展起到重大推動(dòng)作用。數(shù)控加工技術(shù)不僅涉及數(shù)控加工設(shè)備，還涉及數(shù)控加工工藝、工裝和加工過(guò)程的自動(dòng)控制等。
在目前生產(chǎn)中，數(shù)控加工設(shè)備的種類很多，不僅有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控沖床、電加工機(jī)床，車銑教工中心、鏜銑加工中心、齒輪加工中心，還有各種柔性制造單元等等。從數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)上看，不僅有簡(jiǎn)單的二軸控制、三軸控制、四軸、五軸控制，在高檔數(shù)控系統(tǒng)中已經(jīng)可以控制在幾十個(gè)軸以上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
數(shù)控加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用突顯在航空航天技術(shù)、汽車制造、模具制造、輪船制造、電子制造等各個(gè)制造行業(yè)中，和我們?nèi)粘９ぷ鳌⑸蠲芮邢嚓P(guān)。
下面，就數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)作一簡(jiǎn)單介紹。
數(shù)控加工編程的基本概念
a．?dāng)?shù)控編程
所謂數(shù)控編程就是把零件的工藝過(guò)程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移量等信息用數(shù)控語(yǔ)言記錄在程序單上，并經(jīng)校核的全過(guò)程。為了與數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部程序（系統(tǒng)軟件）及自動(dòng)編程用的零件源程序相區(qū)別，把從外部輸入的直接用于加工的程序稱為數(shù)控加工程序，簡(jiǎn)稱為數(shù)控程序。
b．?dāng)?shù)控加工程序編制的方法
數(shù)控編程大體經(jīng)過(guò)了機(jī)器語(yǔ)言編程、高級(jí)語(yǔ)言編程、代碼格式編程和人機(jī)對(duì)話編程與動(dòng)態(tài)仿真這樣幾個(gè)階段。在上個(gè)世紀(jì)70年代，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）先后對(duì)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸和運(yùn)動(dòng)方向、數(shù)控程序編程的代碼、字符和程序段格式等制定了若干標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（我國(guó)按照ISO標(biāo)準(zhǔn)也制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)），從而出現(xiàn)了用代碼和標(biāo)示符號(hào)，按照嚴(yán)格的格式書(shū)寫(xiě)的數(shù)控加工源程序――代碼格式編程程序。這種編寫(xiě)源程序技術(shù)的重大進(jìn)步，意義極為深遠(yuǎn)。在這種編程方式出現(xiàn)后，凡是數(shù)控系統(tǒng)不論檔次高低，均具有編程功能。因?yàn)榫幊踢^(guò)程的大為簡(jiǎn)化，使得機(jī)床操作者只要查閱、細(xì)讀系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)就有能力編程。從而使數(shù)控機(jī)床走向大范圍、廣領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)控加工程序編制方法主要分為手工編程與自動(dòng)編程兩種。
4.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
為了滿足市場(chǎng)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，數(shù)控未來(lái)仍然繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向發(fā)展。
a、開(kāi)放式
為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢(shì)是體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性，設(shè)計(jì)生產(chǎn)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國(guó)、歐共體及日本發(fā)展開(kāi)放式數(shù)控的計(jì)劃等。
b、基于PC的第六代方向
基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
c、高速化、高效化
機(jī)床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。90年代以來(lái)，隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速15000－100000r/min）、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度60~120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水平。
根據(jù)高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速直線電機(jī)的推廣應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出一批高速、高效的高速響應(yīng)的數(shù)控機(jī)床以滿足汽車、農(nóng)機(jī)等行業(yè)的需求。還由于新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，模具、航空、等工業(yè)的加工零件不但復(fù)雜而且品種增多。
d、高精度化
精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時(shí)的工作量從而提高裝配效率的需要。從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。其精度從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)（<10nm），其應(yīng)用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工和各種復(fù)合加工等）。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。
隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對(duì)機(jī)床加工精度的要求也越來(lái)越高。為了滿足用戶的需要，近10多年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3~5μm，提高到±1~1.5μm。
e、高可靠性
數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因?yàn)槭巧唐�，受性能價(jià)格比的約束。對(duì)于每天工作兩班的無(wú)人工廠而言，如果要求在16小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無(wú)故障率P(t)＝99%以上的話，則數(shù)控機(jī)床的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。
MTBF大于3000小時(shí)，對(duì)于由不同數(shù)量的數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的無(wú)人化工廠差別就大多了，我們只對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10：1的話（數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)）。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的MTBF就必須大于10萬(wàn)小時(shí)。
f、智能化
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面。
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
�。�4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
綜上所述，由于數(shù)控機(jī)床不斷采納科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的各種新技術(shù)，使得其功能日趨完善，數(shù)控技術(shù)在機(jī)械加工中的地位也顯得越來(lái)越重要，數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
5．結(jié)束語(yǔ)
本文立足企業(yè)的實(shí)際情況．結(jié)合目前國(guó)際上先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。將實(shí)際數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和虛擬設(shè)計(jì)／制造相結(jié)合。提出了數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，結(jié)合機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程和應(yīng)用狀況，力圖和實(shí)際相結(jié)合，為機(jī)床行業(yè)的發(fā)展提供一種思路和方法。
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