数控机床工作原理组成和发展趋势及维护

深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 1 页共 10 页 数控机床工作原理组成和发展趋势及维护数控机床工作原理组成和发展趋势及维护 摘要 数控机床集计算机技术 电子技术 自动控制技术 传感 测量 机械制造 是典型的机电一体化产品 它的发展和应用开 创了制造业的新时代 改变了制造业的生产方式 产业结构 管 理方式 使世界制造业的格局发生了巨大的变化 本文主要讲述了数控机床的发展概况 现代数控技术的发展趋 势 介绍了数控机床的特点 组成与分类 本文在编写过程中 参阅了同行的教材 资料和文献 得到了 许多帮助 在此谨致谢意 关键字 关键字 发展趋势 组成 维护 前前 言言 从 20 世纪中叶数控技术出现以来 数控机床给机械制造业带来了革命 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 2 页共 10 页 性的变化 数控加工具有如下特点 加工柔性好 加工精度高 生产率高 减轻操作者劳动强度 改善劳动条件 有利于生产管理的现代化以及经济效 益的提高 数控机床是一种高度机电一体化的产品 适用于加工多品种小批 量零件 结构较复杂 精度要求较高的零件 需要频繁改型的零件 价格昂 贵不允许报废的关键零件 要求精密复制的零件 需要缩短生产周期的急需 零件以及要求 100 检验的零件 数控机床的特点及其应用范围使其成为国 民经济和国防建设发展的重要装备 进入 21 世纪 我国经济与国际全面接轨 进入了一个蓬勃发展的新时期 机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机 也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力 加速推进数控机 床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键 随着制造业对数控机床的 大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步 数控机床的应用范围 还在不断扩大 并且不断发展以更适应生产加工的需要 本文简要分析了数 控机床高速化 高精度化 智能化 开放化 网络化 等发展趋势 略 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 3 页共 10 页 2 2 数控机床的概要数控机床的概要 一 数控机床的产生 制造业是生产物质财富的产业 机床是制造业的主要生产设备 制造 业中的绝大多数零件都直接或间接地经过机床加工 固此机床 也称工作母 机 是制造业的基础 在传统制造业中 对于大批量生产的产品 往往采用 组合机床等专用机床组成的自动或半自动生产线 对于单件或小批量生产的 产品 一般采用通用机床加工 随着科学技术的不断发展和社会生产力的不 断提高 市场对机械产品的要求越来越高 不仅要求提高产品的质量水平 而且要求加快产品更撕换代的速度 这样就导致了现代制造业中多品种 中 小批量生产的比重不断增加 在这样的情况下 再采用传统的加工机床就显 得不合理了 这主要体现在两个方面 应用专用机床生产线生产准备周期 长 费用高 产品不易更新 有时甚至不可能实现产品更新 应用通用机床则无法大幅度地提高生产效率或精确地控制产品质量 同时 通用机床也无法加工一些复杂度和精度要求很高的小批量生产的产品 相比 之下 数控机床的出现恰恰满足了这些要求 1948 年美国帕森斯 P ns 公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床 时 首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念 1952 年帕森斯公司和麻省理工学院 MIT 伺服机构研究所合作研制成功世界 E 第 一台三坐标数控铣床 其数控系统采用脉冲乘法器原理 全部由电子管元件 组成 虽然体积庞大 功能简单 但却意义重大 标志着机械制造业进入 r 一个新的发展阶段 1958 年我国北京机床研究所和清华大学开始研制数控 机床 1965 年北京第一机床厂开始生产三坐标数控铣床 数控机床的出现极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展 对于整个制 造业来说 由于数控机床的大量使用 使得产品质量大幅度提高 新产品开 发周期明显缩短 目前数控机床已经遍布军工 航空航天 汽车 造船 机 车车辆 机床建筑 通用机械 纺织 轻工 电子等几乎所有制造行业 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 4 页共 10 页 2 数控机床的发展 1 数控机床的发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机 这表明人类自 g 造了可增强和部 分代替脑力劳动的工具 它与人类在农业 工业社会中创造的那些只是增强 体力劳动的工具相比 起了质的飞跃 为人类进 信息社会奠定了基础 6 年后 即在 1 952 年 计算机技术应用于机床上 从而一种新型的用数字程 序控制的机床应运而生 这种机床是一种综合运用了计算机技术 自动控制 精密测景和机械设计等新技术的机电体化典型产品 数控机床是一种装有程 序控制系统 数控系统 的自动化机床 计算机数控阶段也经历了三个时代 即 1970 年的第四代 小型计算机 1974 年的第五代微处理器和 1990 年 的第六代 基于 Pc 国外称为 Pc based 从 1952 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统 到现在已走过 了 50 多年的历程 数控系统由当初的电子管式起步 经历了以下几个发展 阶段 分立式晶体管式汕规模集成电路式 大规模集成电路式 超大规模集 成电路巾型计算机式 微机式的数控系统 前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬件数控装置 一般称为 Nc 数 控系统 到 20 世纪 80 年代 总体发展趋势是 数控装置由 Nc 向 cNc 发展 广泛采用 32 位 CPU 组成多微处理器系统 提高系统的集成度 缩小体积 采用模块化结构 便于裁剪 扩展和功能升级 满足不同类型数控机床的需 要 驱动装置向交流 数字化方向发展 cNc 装置向人 T 智能化方向发展 采用新型的自动编程系统 增强通信功能 数控系统的可靠性不断提高 总 之 数控机床技术不断发展 功能越来越完善 使用越来越方便 可靠性越 来越高 性能价格比也越来越高 到 1990 年 全世界数控系统专业生产厂 家年产数控系统约 13 万台 套 2 我国敷控机床发展概况 我国于 1958 年研制第一台数控机床 发展过程大致可分为三大阶段 1958 1979 年为第一阶段 979 1989 年为第二阶段 t 从 1989 年至今为第 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 5 页共 10 页 三阶段 第一阶段由于我国基础理论研究滞后 相关工业基础薄弱 特别是 电子技术落后 数控系统没有突破 虽然我国起步不晚 但发展不快 20 世纪 60 70 年代 由于文革等因索 我国与发达国家差距开始拉大 20 世 纪 70 年代国家组织数控机床攻关 取得一定成效 相继推出一些数控机床 品种 但从整体来看 我国数控机床产业尚处于起步阶段 第二阶段从日 德 美 西先后引进数控系统技术 从日 美 德 意 英 法 瑞 匈 奥 韩等国及台湾地区引进数控机床先进技术和合作 合资生产 解头了可 靠性 稳定性问题 数控机床开始正式生产和使用 并逐步向前发展 第三 阶段国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产韭进行了重点扶持 并 加快了国产数控系统的开发 普及型数控系统开发成功 为数控机床商品化 和规模化生产奠定了基础 一些数控机床主机厂组建床身 箱体 主轴 轴 套等成组单元 厂内组织专业化生产 生产水平进一步提高 cAD 1APP CAM 开始应用 开发能力 工艺水平和产品质量进一步提高 奠定了产业化基础 数控机床进了快速发展期 3 数控机床的种类 1 按数控机床运动轨迹分类 数控机床运动轨迹主要有三种形式 点位控制运动 直线控制运动和连 续控制运动 2 按进给伺服系统控制方式分类 由数控装置发出脉冲或电压信号 通过伺服系统控制机床各运动部件运 动 数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式 开环控制系统 闭 环控制系统和半闭环控制系统 四 数控机床的组成及工作原理 数控机床一般由数控系统 伺服系统 包含伺服电机和检测反馈装置 强电 控制柜 机床本体和各类辅助装置组成 1 控制介质 控制介质叉称信息载体 是联系人与数控机床之间的中间媒介物质 反映了 数控加工中的全部信息 数控机床的加工程序可以存储在控制 质上 常用 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 6 页共 10 页 的控制介质有穿孔纸带 磁带和磁盘等 2 输入装置 输入装置的作用是将程序载体 信息载体 上的数控代码传递并存人 数 控系统内 3 数控装置 数控装置是数控机床的核心 其作用是 从内部存储器中取出或接受输入装 置送来的一段或几段数控加工程序 经过数控装置的逻辑电路或 统软件进 行编译 运算处理后 输出几种控制信息和指令 控制机床各部分的工作 使其进行规定的有序运动和动作 4 伺服单元和驱动装置 伺服单元是 cNc 和机床本体的联系环节 它把来自 cNc 装置的微弱指令信号 放大成控制驱动装置的大功率信号 根据接收指令的不同 伺服单元有脉冲 式和模拟式之分 而模拟式伺服单元按电源种类叉可分为直流伺服单元和交 流伺服单元 伺服单元还包括位置检测装置 位置检测装置将数控机床各坐 标轴的实际位移检测出来 经反馈系统反馈到机床的数控系统中 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动 通过简单的机械连接部件驱动 机床 使工作台精确定位或接规定的轨迹作严格的相对运动 最后加工出图 纸所要求的零件 和伺服单元相对应 驱动装置有步进电机 直流伺服电机 和交流伺服电机等 伺服单元和驱动装置可台称为伺服驱动系统 它是机床工作的动力装置 cNc 装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施 所以 伺服驱动系统是数控机 床的重要组成部分 从某种意义上说 数控机床功能的强弱主要取决于 cNc 装置 而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统 5 辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号 经过 翻译 逻辑判断和运算 再经功率放大后驱动相应的电器 带动机床的机械 液压 气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作 这些控制包括主轴运动 部件的变速 换向和启停指令 刀具的选择和交换指令 冷却 润 骨装置 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 7 页共 10 页 的启停 工件和机床部件的松开和夹紧 分度工作台的转位分度等开关辅助 动作 当今数控机床已广泛采用可编程控制器作为辅助控制装置 6 机廉本体 数控机床的本体指其机械结构宴体 它与传统的普通机床相似 但数控 机床在整体布局 外观造型 传动机构 工具系统及操作机构等方面都发生 了很大的变化 归纳起来主要有以下几个方面 采用高性能主轴及主传动部件 进给传动采用高效传动件 一般采用滚珠丝杠副 直线滚动导轨副等 具有完善的刀具自动交换和管理系统 机床本身具有很高的动 静刚度 采用全封闭罩壳 由于数控机床是自动完成加工的 为了操作安全等因素 一般采用移动门结构的全封闭罩壳 四 数控机床的发展趋势四 数控机床的发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要 为了达到现代制造技术对数控技 术提出的更高的要求 数控未来仍然继续向开放式 基于 PC 的第六代方向 高速化和高精度化 智能化等方向发展 1 开放式 为适应数控进线 联网 普及型个性化 多品种 小批量 柔性化及数 控迅速发展的要求 最重要的发展趋势是体系结构的开放性 设计生产开放 式的数控系统 例如美国 欧共体及日本发展开放式数控的计划等 2 基于 PC 的第六代方向 基于 PC 所具有的开放性 低成本 软硬件资源丰富等特点 更多的数 控系统生产厂家会走上这条道路 至少采用 PC 机作为它的前端机 来处理 人机界面 编程 联网通信等问题 由原有的系统承担数控的任务 PC 机 所具有的友好的人机界面 将普及到所有的数控系统 远程通讯 远程诊断 和维修将更加普遍 3 高速化 高效化 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 8 页共 10 页 机床向高速化方向发展 可充分发挥现代刀具材料的性能 不但可大幅 度提高加工效率 降低加工成本 而且还可提高零件的表面加工质量和精度 超高速加工技术对制造业实现高效 优质 低成本生产有广泛的适用性 90 年代以来 随着超高速切削机理 超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具 大 功率高速电主轴 高加 减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统 含监控系统 和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决 欧 美 日各国争相开发应用新一代高速数控机床 加快机床高速化发展步伐 高速 主轴单元 电主轴 转速 15000 100000r min 高速且高加 减速度的进 给运动部件 快移速度 60 120m min 切削进给速度高达 60m min 高性能 数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破 达到了新的技术水平 根据高效率 大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展 高速直线电 机的推广应用 开发出一批高速 高效的高速响应的数控机床以满足汽车 农机等行业的需求 还由于新产品更新换代周期加快 模具 航空 等工业 的加工零件不但复杂而且品种增多 4 高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要 也是为了提高普通机电产品的 性能 质量和可靠性 减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要 从 精密加工发展到超精密加工 特高精度加工 是世界各工业强国致力发展 的方向 其精度从微米级到亚微米级 乃至纳米级 10nm 其应用范围日 趋广泛 超精密加工主要包括超精密切削 车 铣 超精密磨削 超精密 研磨抛光以及超精密特种加工 三束加工及微细电火花加工 微细电解加工 和各种复合加工等 随着现代科学技术的发展 对超精密加工技术不断提 出了新的要求 新材料及新零件的出现 更高精度要求的提出等都需要超精 密加工工艺 发展新型超精密加工机床 完善现代超精密加工技术 以适应 现代科技的发展 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高 机床用户对 机床加工精度的要求也越来越高 为了满足用户的需要 近 10 多年来 普 深圳职业技术学院毕业论文深圳职业技术学院毕业论文 设计用纸设计用纸 第 9 页共 10 页 通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m 精密级加工中心的加 工精度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 5 高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上 但也不 是可靠性越高越好 仍然是适度可靠 因为是商品 受性能价格比的约束 对于每天工作两班的无人工厂而言 如果要求在 16 小时内连续正常工作 无故障率 P t 99 以上的话 则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就 必须大于 3000 小时 MTBF 大于 3000 小时 对于由不同数量的数控机床构 成的无人化工厂差别就大多了 我们只对一台数控机床而言 如主机与数控 系统的失效率之比为 10 1 的话 数控的可靠比主机高一个数量级 此时 数控系统的 MTBF 就要大于 33333 3 小时 而其中的数控装置 主轴及驱动 等的 MTBF 就必须大于 10 万小时 6 智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展 数控系统的智能化程度 将不断提高 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 应用自适应控制技术 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验 加工的一般规律和特殊规律存入系统中 以 工艺参数数据库为支撑 建立具有人工智能的专家系统 引入故障诊断专家系统 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载 而自动调整参数 使驱动系统获得最佳的