关于数控机床的几点思考

摘要 文章首先介绍了数控机床的优点与缺点 接着阐述了数控机床的种类 最后指出了 数控机床控制技术的发展与数控机床控制技术的发展趋势 关键词 数控机床 控制技术 数控机床是机电一体化的典型产品 数控机床控制技术是集计算机及软件技术 自动 控制技术 电子技术 自动检测技术 液压与气动技术和精密机械等技术为一体的多学科 交叉的综合技术 随着科学技术的高速发展 机电一体化技术迅猛发展 数控机床在企业 普遍应用 对生产线操作人员的知识和能力要求越来越高 一 数控机床的优点与缺点 一 数控机床的优点 对零件的适应性强 可加工复杂形状的零件表面 在同一台数控机床上 只需更换加 工程序 就可适应不同品种及尺寸工件的自动加工 这就为复杂结构的单件 小批量生产 以及试制新产品提供了极大的便利 特别是对那些普通机床很难加工或无法加工的精密复 杂表面 如螺旋表面 数控机床也能实现自动加工 加工精度高 加工质量稳定 目前 数控机床控制的刀具和工作台最小移动量 脉冲当 量 普遍达到 0 0001mm 而且数控系统可自动补偿进给传动链的反向间隙和丝杠螺距误差 使数控机床达到很高的加工精度 此外 数控机床的制造精度高 其自动加工方式避免了 生产者的人为操作误差 因此 同一批工件的尺寸一致性好 产品合格率高 加工质量稳 定 生产效率高 由于数控机床结构刚性好 允许进行大切削用量的强力切削 从主轴转 速和进给量的变化范围比普通机床大 因此在加工时可选用最佳切削用量 提高了数控机 床的切削效率 节省了机动时间 与普通机床相比 数控机床的生产效率可提高 2 3 倍 良好的经济效益 使用数控机床进行单件 小批量生产时 可节省划线工时 减少调 整 加工和检验时间 节省直接生产费用 同时还能节省工装设计 制造费用 数控机床 加工精度高 质量稳定 减少了废品率 使生产成本进一步下降 此外 数控机床还可实 现一机多用 所以数控机床虽然价格较高 仍可获得良好的经济效益 自动化程度高 数控机床自动化程度高 可大大减轻工人的劳动强度 减少操作人员 的人数 同时有利于现代化管理 可向更高级的制造系统发展 二 数控机床的缺点 数控机床的主要缺点如下 价格较高 设备首次投资大 对操作 维修人员的技术要 求较高 加工复杂形状的零件时 手工编程的工作量大 二 数控机床的种类 数控机床的种类很多 主要分类如下 按工艺用途分类 按工艺用途 数控机床可分类如下 普通数控机床 这种分类方式 与普通机床分类方法一样 铣床 数控锚床 数控钻床 数控磨床 数控齿轮加工机床等 加工中心机床 数控加工中心是在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的 数控机床 它可在一次装夹后进行多种工序加工 按运动方式分类 按运动方式 数控机床可分类如下 点位控制数控机床 数控系统 只控制刀具从要有数控钻床 数控坐标锤床 数控冲剪床等 直线控制数控机床 数控系 统除了控制点与点之间的准确位置以外 还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线 而且 对移动的速度也要进行控制 这类机床主要有简易数控车床 数控销 铣床等 轮廓控制 数控机床 数控系统能对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制 使 合成的运动轨迹能满足加工的要求 这类机床主要有数控车床 数控铣床等 按伺服系统的控制方式分类 按伺服系统的控制方式 数控机床可分类如下 开环控 制系统的数控机床 闭环控制系统的数控机床 半闭环控制系统的数控机床 按数控系统的功能水平分类 技功能水平分类 数控系统可分类如下 经济性数控机 床 经济性数控机床大多指采用开环控制系统的数控机床价格便宜 适用于自动化程度要 求不高的场合 中档数控机床 这类数控机床功能较全 价格适中 应用较广 高档数控 机床 这类数控机床功能齐全 价格较贵 三 数控机床控制技术的发展 机械设备最早的控制装置是手动控制器 目前 继电器 接触器控制仍然是我国机械 设备最基本的电气控制形式之一 到了 20 世纪奶年代至 50 年代 出现了交磁放大机 电 动机控制 这是一种闭环反馈系统 系统的控制精度和快速性都有了提高 20 世纪 60 年 代出现了晶体管 晶闸管控制 由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅调运 性能大为改善 而且减少了机械设备和占地面积 耗电少 效率局 完全取代了交磁放大 机 电动机控制系统 在 20 世纪的 60 年代出现丁一种能够根据需要方便地改变控制程序 结构简单 价格 低廉的自动化装置 顺序控制器 随着大规模集成电路和微处理器技术的发展及应用 在 20 世纪 70 年代出现了一种以微处理器为核心的新型工业控制器 可编程序控制器 这 种器件完全能够适应恶劣的工业环境 由于它具备了计算机控制和继电器控制系统两方面 的优点 故目前已作为一种标准化通用设备普通应用于工业控制 随着计算机技术的迅速发展 数控机床的应用日益广泛 井进一步推动了数控系统的 发展 产生了自动编程系统 计算机数控系统 计算机群控系统和天性制造系统 计算机 集成制造系统及计算机辅助设计 制造一体化是机械制造一体化的高级阶段 可实现产品 从设计到制造的全部自动化 综上所述 机械设备控制技术的产生 并不是孤立的 而是各种技术相互渗透的结果 它代表了正在形成中的新一代的生产技术 已显示出并将越来越显示出强大的威力 四 数控机床控制技术的发展趋势 生产技术的发展对产品性能要求越来越高 产品改型频繁 采用多品种小批量生产方 式的企业越来越多 这就要求数控机床向高速化 高招度化 复合化 系统化 智能化发 展 高速化和高精度化 数控系统智能化 信息化 数控系统开放化 摘要 数控机床是运用数控技术对零件进行加工控制的机床 经过近几十年国内外 厂家的发展 数控机床的种类繁多 且控制精度日渐提高 本文对数控机床的原理 分类 进行了详细的介绍 给出了企业在选择数控机床时应主要考虑的几个原则 关键词 数控机床 原理 分类 数控机床是在普通机床的基础上发展起来的 由于它具有良好的柔性 高的加工 精度和稳定性 能加工复杂零件 减轻了工人的劳动强度和易于实现现代化管理等一系列 优点 目前在机械制造业中得到了广泛的应用 一 数控机床原理 数控机床一般由信息载体 数控装置 伺服系统和机床本体等四部分组成 信息 载体即穿孔纸带 穿孔卡 磁带和磁盘等 用于记录程序编制的内容 并通过光电纸带阅 读机 磁带机和磁盘驱动器等读入装置输送给数控装置 数控装置是数控机床的核心 也 就是常说的 NC 普通数控装置 或 CNC 计算机数控装置 NC 是数控机床发展初期 的一种形式 现在的数控机床大多使用 CNC 系统 数控装置的作用是接受读入装置输入 的加工信息 经过译码处理和运算 发出相应的指令脉冲给伺服系统 完成零件加工 伺 服系统是数控机床的执行部分 由电动机和传动装置组成 伺服系统接受数控装置传来的 指令脉冲信号 控制机床执行件 工作台或刀架 运动的位移和速度 机床本体主要是机 械部件 包括主运动部件 进给运动部件和支承部件等 对于数控机床部件来讲 机械部 件结构较通用机床简单 但其各项技术指标要求比通用机床要高 在数控机床上进行加工 时 首先根据零件图编制程序 编程的代码和指令格式大多符合 ISO 标准和相应的国家标 准 然后将程序通过信息载体输入到 NC 或 CNC 中 由数控系统根据程序内容发出指令 一方面由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床执行件的运动 另一方面控制机床的 其它辅助运动 如主轴转速 转向选择 冷却泵的开停等 两方面协同动作 共同完成加 工内容 数控机床加工零件的过程如图 1 所示 二 数控机床的分类方法多种多样 常见的分类方法有四种 一 按伺服系统类型分类 分为开环 闭环和半闭环系统 由伺服系统控制机床执行件运动时 虽然其接受 了数控装置的指令要求值 但实际位移量并不一定等同于指令要求值 也就是存在一定的 误差 这一误差是由伺服电动机的转角误差 减速齿轮的传动误差 滚珠丝杠的导程误差 以及导轨副抵抗爬行的能力这四项因素综合反映的 开环 闭环和半闭环系统的主要区别 在于使用的电动机不同 是否进行执行件的测量及误差补偿以及误差补偿范围的大小不同 开环系统如图 2 所示 由于不进行执行件的测量及误差补偿 所以结构简单 维修方便 精度相对较低 成本低 一般用于精度要求不太高的中小型数控机床上 闭环系统如图 3 所示 精度高 成本高 主要用于精度要求较高的大型和精密数控机床上 半闭环系统如 图 4 所示 介于两者之间 只对部分误差进行补偿 因此从理论上讲其加工精度不如全闭 环系统 图 1 所示的系统称之为开环系统 图中虚线框部分所示 如果加入位移检测装置 和反馈系统 图中虚线部分所示 此时 该系统称为闭环系统 二 按控制运动的方式分类 分为点位控制 直线控制和轮廓控制三种 点位控制数控机床在加工平面内只控 制刀具相对于工件的定位点的坐标位置 而对定位移动的轨迹不作要求 这类控制系统主 要用于数控钻床 数控镗床 数控冲床和测量机等 直线控制数控机床能控制刀具或工件 的适当的进给运动 沿平行于坐标轴的方向进行直线移动和加工 或者控制两个坐标轴以 相同的速度运动 沿 45 斜线进行切削加工 这类控制系统主要用于数控车床 数控镗铣 床以及某些加工中心 轮廓控制数控机床能同时控制两个或两个以上坐标轴 使刀具与工 件作相对运动 加工复杂零件 单纯的点位控制和直线控制机床很少 大部分为轮廓控制 数控机床 轮廓控制数控机床能够实现联动加工 也能进行点位和直线控制 这类控制系 统主要用于数控车床 数控铣床 数控磨床以及加工中心机床 三 按工艺用途分类 分为一般数控机床和数控加工中心 一般数控机床指与一般通用机床相对应的数 控车 铣 钻 镗 磨和齿轮加工机床 加工中心最显著的特点是具有刀库和换刀机械手 能够实现多工序加工 刀库的容量应为二十把刀以上 但是一般常说的四方刀架 八方刀 架等不属于刀库的范畴 四 按数控装置的功能分类 分为数控机床 简易数控机床和经济型数控机床 数控机床的数控装置功能齐全 能够进行自动编程 自动测量和自动故障诊断等 简易数控机床的功能单一 仅具备实现 自动化的基本功能 并采用直观输入方式 结构简单 价格便宜 通用机床可采用单片机 或单板机经数控化改造成经济型数控机床 性能可靠 操作简便 三 选择数控机床时 应主要考虑以下几个问题 一 企业经济能力和工人技术水平用户如何合理地利用有限的资金 获得适合 本单位的数控机床十分重要 除了不同的经济能力购买不同档次的数控机床外 操作人员 的操作 日常维护和保养 预防性维修 的技术水平 维修人员的故障维修水平都会影响 机床的精度 稳定性和寿命 二 数控系统的选择国外品牌有发那科 西门子 三菱等系统 国内品牌有华 中数控 广州数控等 根据加工精度 稳定性 价格等各方面因素进行合理选择 国外的 数控系统由于发展较早 相对国产数控系统来讲精度 稳定性好一些 但价格也较高 国 产数控系统有较大的价格优势 且各方面性能指标都在不断提高中 如华中数控等系统在 国内也占有不少的市场份额 三 数控机床类型 技术规格的选择根据典型加工对象选用数控机床的类型 工件的加工批量应大于经济批量 选择的数控机床型号应能满足本厂大部分工件的加工要 求 并能保证加工质量 机床型号 规格的选择切忌能包揽一切项目 没必要且浪费成本 少数超规格的工件可选择外协或其它方法解决 四 售后服务质量 数控机床由于涉及多学科知识 一般出现故障后是由厂家来 进行维修的 机床在初期运行期间或正常使用后 都可能会有一些问题 此时用户与厂家 及时的沟通就显得极为重要 实际中也有不少例子 比如一些单位购买进口多轴联动机床 一旦出现故障 维修人员都得进出国门修理 有时候并不像顾客所希望的那样及时 所以 不管是顾客或是厂家 若售后服务质量好的话 对双方进一步的发展都至关重要 总之 数控机床由于一系列优点 已在机床工业中日渐受到人们的重视 而且数 控技术的发展也使机床的结构 种类发生了一系列的变化 企业在数控机床的选择中应根 据企业经济能力和工人技术水平结合数控机床类型 技术规格及售后服务质量等原则 综 合考虑上述因素的利弊 确定数控机床的选择 论文关键词 数控技术 趋势 智能 论文摘要 随着计算机业的快速发展 数控技术也发生了根本性的变革 是 近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术 文章结合国内外情况 分析了 数控技术的发展趋势 1 引言 数控技术是一门集计算机技术 自动化控制技术 测量技术 现代机械制造技术 微电子技术 信息处理技术等多学科交叉的综合技术 是近年来应用领域中发展十分迅速 的一项综合性的高新技术 它是为适应高精度 高速度 复杂零件的加工而出现的 是实 现自动化 数字化 柔性化 信息化 集成化 网络化的基础 是现代机床装备的灵魂和 核心 有着广泛的应用领域和广阔的应用前景 2 国内外数控系统的发展概况 随着计算机技术的高速发展 传统的制造业开始了根本性变革 各工业发达国家 投入巨资 对现代制造技术进行研究开发 提出了全新的制造模式 在现代制造系统中 数控技术是关键技术 它集微电子 计算机 信息处理 自动检测 自动控制等高新技术 于一体 具有高精度 高效率 柔性自动化等特点 对制造业实现柔性自动化 集成化 智能化起着举足轻重的作用 目前 数控技术正在发生根本性变革 由专用型封闭式开环 控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展 在集成化基础上 数控系统实现 了超薄型 超小型化 在智能化基础上 综合了计算机 多媒体 模糊控制 神经网络等 多学科技术 数控系统实现了高速 高精 高效控制 加工过程中可以自动修正 调节与 补偿各项参数 实现了在线诊断和智能化故障处理 长期以来 我国的数控系统为传统的封闭式体系结构 CNC 只能作为非智能的机 床运动控制器 加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定 加工程序在实际加工前 用手工方式或通过 CAD CAM 及自动编程系统进行编制 CAD CAM 和 CNC 之间没有反 馈控制环节 整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构 在复杂环境以及多 变条件下 加工过程中的刀具组合 工件材料 主轴转速 进给速率 刀具轨迹 切削深 度 步长 加工余量等加工参数 无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调 整 更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD CAM 中的设定量 因而影响 CNC 的工作效 率和产品加工质量 由此可见 传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结 构 限制了 CNC 向多变量智能化控制发展 己不适应日益复杂的制造过程 因此 大力 发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展 提高综合国力和国 家地位的重要途径 3 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 使制造业成为工业化的 象征 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 他对国计民生的一些重要行业的 发展起着越来越重要的作用 从目前世界上数控技术发展的趋势来看 主要有如下几个方 面 3 1 高精度 高速度的发展趋势 尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势 但是科学技术的发展是没有止境的 高精度 高速度的内涵也在不断变化 目前正在向着精度和速度的极限发展 效率 质量是先进制造技术的主体 高速 高精加工技术可极大地提高效率 提 高产品的质量和档次 缩短生产周期和提高市场竞争能力 为此日本先端技术研究会将其 列为 5 大现代制造技术之一 国际生产工程学会将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一 在轿车工业领域 年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 辆 而且多品种加工是轿车装备必须解 决的重点问题之一 在航空和宇航工业领域 其加工的零部件多为薄壁和薄筋 刚度很差 材料为铝或铝合金 只有在高切削速度和切削力很小的情况下 才能对这些筋 壁进行加 工 近来采用大型整体铝合金坯料 掏空 的方法来制造机翼 机身等大型零件来替代多个 零件通过众多的铆钉 螺钉和其他联结方式拼装 使构件的强度 刚度和可靠性得到提高 这些都对加工装备提出了高速 高精和高柔性的要求 3 2 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 可用刀具最佳几何形状进行切削 不仅光 洁度高 而且效率也大幅度提高 一般认为 1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴 联动机床 特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时 5 轴联动 加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益 但过去因 5 轴联动数控系统 主机结构复杂等原 因 其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 加之编程技术难度较大 制约了 5 轴联动机 床的发展 当前由于电主轴的出现 使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 其制造难度和成本大幅度降低 数控系统的价格差距缩小 因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展 3 3 智能化 开放式 网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 智能化的内容包括在数控系统中 的各个方面 为追求加工效率和加工