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淺談數(shù)控機(jī)床原理、分類與選擇
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摘要:數(shù)控機(jī)床是運(yùn)用數(shù)控技術(shù)對零件進(jìn)行加工控制的機(jī)床。經(jīng)過近幾十年國內(nèi)外廠家的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的種類繁多，且控制精度日漸提高，本文對數(shù)控機(jī)床的原理、分類進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，給出了企業(yè)在選擇數(shù)控機(jī)床時(shí)應(yīng)主要考慮的幾個(gè)原則。
關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;原理;分類
數(shù)控機(jī)床是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于它具有良好的柔性、高的加工精度和穩(wěn)定性、能加工復(fù)雜零件、減輕了工人的勞動強(qiáng)度和易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在機(jī)械制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
一、數(shù)控機(jī)床原理
數(shù)控機(jī)床一般由信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成。信息載體即穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶和磁盤等，用于記錄程序編制的內(nèi)容，并通過光電紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)和磁盤驅(qū)動器等讀入裝置輸送給數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，也就是常說的NC(普通數(shù)控裝置) 或CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置)，NC是數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期的一種形式，現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床大多使用CNC系統(tǒng)。數(shù)控裝置的作用是接受讀入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過譯碼處理和運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖給伺服系統(tǒng)，完成零件加工。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分，由電動機(jī)和傳動裝置組成。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置傳來的指令脈沖信號，控制機(jī)床執(zhí)行件(工作臺或刀架)運(yùn)動的位移和速度。機(jī)床本體主要是機(jī)械部件，包括主運(yùn)動部件、進(jìn)給運(yùn)動部件和支承部件等。對于數(shù)控機(jī)床部件來講，機(jī)械部件結(jié)構(gòu)較通用機(jī)床簡單，但其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求比通用機(jī)床要高。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，首先根據(jù)零件圖編制程序，編程的代碼和指令格式大多符合ISO標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。然后將程序通過信息載體輸入到NC或CNC中，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序內(nèi)容發(fā)出指令，一方面由伺服系統(tǒng)中的電動機(jī)通過傳動裝置控制機(jī)床執(zhí)行件的運(yùn)動，另一方面控制機(jī)床的其它輔助運(yùn)動，如主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向選擇，冷卻泵的開停等。兩方面協(xié)同動作，共同完成加工內(nèi)容。
二、數(shù)控機(jī)床的分類方法多種多樣，常見的分類方法有四種
(一)按伺服系統(tǒng)類型分類
分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。由伺服系統(tǒng)控制機(jī)床執(zhí)行件運(yùn)動時(shí)，雖然其接受了數(shù)控裝置的指令要求值，但實(shí)際位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的誤差。這一誤差是由伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角誤差、減速齒輪的傳動誤差、滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差以及導(dǎo)軌副抵抗爬行的能力這四項(xiàng)因素綜合反映的。開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于使用的電動機(jī)不同、是否進(jìn)行執(zhí)行件的測量及誤差補(bǔ)償以及誤差補(bǔ)償范圍的大小不同。開環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，由于不進(jìn)行執(zhí)行件的測量及誤差補(bǔ)償，所以結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，精度相對較低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型數(shù)控機(jī)床上。閉環(huán)系統(tǒng)如圖3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求較高的大型和精密數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，介于兩者之間，只對部分誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此從理論上講其加工精度不如全閉環(huán)系統(tǒng)。圖1所示的系統(tǒng)稱之為開環(huán)系統(tǒng)(圖中虛線框部分所示)，如果加入位移檢測裝置和反饋系統(tǒng)(圖中虛線部分所示)，此時(shí)，該系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。
(二)按控制運(yùn)動的方式分類
分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制三種。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在加工平面內(nèi)只控制刀具相對于工件的定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置，而對定位移動的軌跡不作要求。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和測量機(jī)等。直線控制數(shù)控機(jī)床能控制刀具或工件的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給運(yùn)動，沿平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動和加工，或者控制兩個(gè)坐標(biāo)軸以相同的速度運(yùn)動，沿45°斜線進(jìn)行切削加工。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床以及某些加工中心。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，使刀具與工件作相對運(yùn)動，加工復(fù)雜零件。單純的點(diǎn)位控制和直線控制機(jī)床很少，大部分為輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動加工，也能進(jìn)行點(diǎn)位和直線控制。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床以及加工中心機(jī)床。
(三)按工藝用途分類
分為一般數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心。一般數(shù)控機(jī)床指與一般通用機(jī)床相對應(yīng)的數(shù)控車、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工機(jī)床。加工中心最顯著的特點(diǎn)是具有刀庫和換刀機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序加工。刀庫的容量應(yīng)為二十把刀以上，但是一般常說的四方刀架、八方刀架等不屬于刀庫的范疇。
(四)按數(shù)控裝置的功能分類
分為數(shù)控機(jī)床、簡易數(shù)控機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置功能齊全，能夠進(jìn)行自動編程、自動測量和自動故障診斷等。簡易數(shù)控機(jī)床的功能單一，僅具備實(shí)現(xiàn)自動化的基本功能，并采用直觀輸入方式，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。通用機(jī)床可采用單片機(jī)或單板機(jī)經(jīng)數(shù)控化改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，性能可靠，操作簡便。
三、選擇數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)問題
(一)企業(yè)經(jīng)濟(jì)能力和工人技術(shù)水平用戶如何合理地利用有限的資金，獲得適合本單位的數(shù)控機(jī)床十分重要。除了不同的經(jīng)濟(jì)能力購買不同檔次的數(shù)控機(jī)床外，操作人員的操作、日常維護(hù)和保養(yǎng)(預(yù)防性維修)的技術(shù)水平，維修人員的故障維修水平都會影響機(jī)床的精度、穩(wěn)定性和壽命。
(二)數(shù)控系統(tǒng)的選擇國外品牌有發(fā)那科、西門子、三菱等系統(tǒng)，國內(nèi)品牌有華中數(shù)控、廣州數(shù)控等，根據(jù)加工精度、穩(wěn)定性、價(jià)格等各方面因素進(jìn)行合理選擇。國外的數(shù)控系統(tǒng)由于發(fā)展較早，相對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)來講精度、穩(wěn)定性好一些，但價(jià)格也較高。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)有較大的價(jià)格優(yōu)勢，且各方面性能指標(biāo)都在不斷提高中，如華中數(shù)控等系統(tǒng)在國內(nèi)也占有不少的市場份額。
(三)數(shù)控機(jī)床類型、技術(shù)規(guī)格的選擇根據(jù)典型加工對象選用數(shù)控機(jī)床的類型，工件的加工批量應(yīng)大于經(jīng)濟(jì)批量，選擇的數(shù)控機(jī)床型號應(yīng)能滿足本廠大部分工件的加工要求，并能保證加工質(zhì)量。機(jī)床型號、規(guī)格的選擇切忌能包攬一切項(xiàng)目，沒必要且浪費(fèi)成本。少數(shù)超規(guī)格的工件可選擇外協(xié)或其它方法解決。
(四)售后服務(wù)質(zhì)量 數(shù)控機(jī)床由于涉及多學(xué)科知識，一般出現(xiàn)故障后是由廠家來進(jìn)行維修的。機(jī)床在初期運(yùn)行期間或正常使用后，都可能會有一些問題，此時(shí)用戶與廠家及時(shí)的溝通就顯得極為重要。實(shí)際中也有不少例子，比如一些單位購買進(jìn)口多軸聯(lián)動機(jī)床，一旦出現(xiàn)故障，維修人員都得進(jìn)出國門修理，有時(shí)候并不像顧客所希望的那樣及時(shí)。所以不管是顧客或是廠家，若售后服務(wù)質(zhì)量好的話，對雙方進(jìn)一步的發(fā)展都至關(guān)重要。
總之，數(shù)控機(jī)床由于一系列優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)床工業(yè)中日漸受到人們的重視，而且數(shù)控技術(shù)的發(fā)展也使機(jī)床的結(jié)構(gòu)、種類發(fā)生了一系列的變化。企業(yè)在數(shù)控機(jī)床的選擇中應(yīng)根據(jù)企業(yè)經(jīng)濟(jì)能力和工人技術(shù)水平結(jié)合數(shù)控機(jī)床類型、技術(shù)規(guī)格及售后服務(wù)質(zhì)量等原則，綜合考慮上述因素的利弊，確定數(shù)控機(jī)床的選擇。
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