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    數控加工技術 三年制技師

    時間:2016-7-7 17:48:00 來源:山東技校網  熱度:點擊
    菏澤技師學院 數控加工技術 三年制技師

    菏澤技師學院數控技術及數控機床

    一、什么是數控機床

    數字控制機床(Numerical Control Machine
    Tools)簡稱數控機床,這是一種將數字計算技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數字表示,通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號,控制機床的動作,按圖紙要求的形狀和尺寸,自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題,是一種柔性的、高效能的自動化機床,代表了現代機床控制技術的發展方向,是一種典型的機電一體化產品。

    二、數控機床的加工原理

    數控機床加工工件的過程如圖1-1所示。

    圖1-1 數控機床的加工過程

    1)在數控機床上加工工件時,首先要根據加工零件的圖樣與工藝方案,用規定的格式編寫程序單,并且記錄在程序載體上;

    2)把程序載體上的程序通過輸入裝置輸入到數控裝置中去;

    3)數控裝置將輸入的程序經過運算處理后,向機床各個坐標的伺服系統發出信號;


    4)伺服系統根據數控裝置發出的信號,通過伺服執行機構(如步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機),經傳動裝置(如滾珠絲杠螺母副等),驅動機床各運動部件,使機床按規定的動作順序、速度和位移量進行工作,從而制造出符合圖樣要求的零件。

    由上述數控機床的工作過程可知,數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。下面分別對各組成部分的基本工作原理進行概要說明。

    1.加工程序載體

    數控機床工作時,不需要工人直接去操作機床,要對數控機床進行控制,必須編制加工程序。零件加工程序中,包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數(進給量主軸轉速等)和輔助運動等。將零件加工程序用一定的格式和代碼,存儲在一種程序載體上,如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等,通過數控機床的輸入裝置,將程序信息輸入到CNC單元。

    2.數控裝置

    數控裝置是數控機床的核心。現代數控裝置均采用CNC(Computer Numerical
    Control)形式,這種CNC裝置一般使用多個微處理器,以程序化的軟件形式實現數控功能,因此又稱軟件數控(Software
    NC)。CNC系統是一種位置控制系統,它是根據輸入數據插補出理想的運動軌跡,然后輸出到執行部件加工出所需要的零件。因此,數控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構成。而所有這些工作都由計算機的系統程序進行合理地組織,使整個系統協調地進行工作。

    (1)輸入裝置
    將數控指令輸入給數控裝置,根據程序載體的不同,相應有不同的輸入裝置。目前主要有鍵盤輸入、磁盤輸入、CAD/CAM系統直接通信方式輸入和連接上級計算機的DNC(直接數控)輸入,現仍有不少系統還保留有光電閱讀機的紙帶輸入形式。


    1)紙帶輸入方式。可用紙帶光電閱讀機讀入零件程序,直接控制機床運動,也可以將紙帶內容讀入存儲器,用存儲器中儲存的零件程序控制機床運動。

    2)MDI手動數據輸入方式。操作者可利用操作面板上的鍵盤輸入加工程序的指令,它適用于比較短的程序。


    在控制裝置編輯狀態(EDIT)下,用軟件輸入加工程序,并存入控制裝置的存儲器中,這種輸入方法可重復使用程序。一般手工編程均采用這種方法。


    在具有會話編程功能的數控裝置上,可按照顯示器上提示的問題,選擇不同的菜單,用人機對話的方法,輸入有關的尺寸數字,就可自動生成加工程序。

    3)采用DNC直接數控輸入方式。把零件程序保存在上級計算機中,CNC系統一邊加工一邊接收來自計算機的后續程序段。DNC方式多用于采用CAD/CAM軟件設計的復雜工件并直接生成零件程序的情況。

    (2)信息處理
    輸入裝置將加工信息傳給CNC單元,編譯成計算機能識別的信息,由信息處理部分按照控制程序的規定,逐步存儲并進行處理后,通過輸出單元發出位置和速度指令給伺服系統和主運動控制部分。CNC系統的輸入數據包括:零件的輪廓信息(起點、終點、直線、圓弧等)、加工速度及其他輔助加工信息(如換刀、變速、冷卻液開關等)控
    ,數據處理的目的是完成插補運算前的準備工作。數據處理程序還包括刀具半徑補償、速度計算及輔助功能的處理等。

    (3)輸出裝置
    輸出裝置與伺服機構相聯。輸出裝置根據控制器的命令接受運算器的輸出脈沖,并把它送到各坐標的伺服控制系統,經過功率放大,驅動伺服系統,從而控制機床按規定要求運動。

    3.伺服系統和測量反饋系統


    伺服系統是數控機床的重要組成部分,用于實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統的作用是把接受來自數控裝置的指令信息,經功率放大、整形處理后,轉換成機床執行部件的直線位移或角位移運動。由于伺服系統是數控機床的最后環節,其性能將直接影響數控機床的精度和速度等技術指標,因此,對數控機床的伺服驅動裝置,要求具有良好的快速反應性能,準確而靈敏地跟蹤數控裝置發出的數字指令信號,并能忠實地執行來自數控裝置的指令,提高系統的動態跟隨特性和靜態跟蹤精度。


    伺服系統包括驅動裝置和執行機構兩大部分。驅動裝置由主軸驅動單元、進給驅動單元和主軸伺服電動機、進給伺服電動機組成。步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機是常用的驅動裝置。


    測量元件將數控機床各坐標軸的實際位移值檢測出來并經反饋系統輸入到機床的數控裝置中,數控裝置對反饋回來的實際位移值與指令值進行比較,并向伺服系統輸出達到設定值所需的位移量指令。

    4.機床主體


    機床主機是數控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。與傳統的機床相比,數控機床主體具有如下結構特點:


    (1)采用具有高剛度、高抗震性及較小熱變形的機床新結構。通常用提高結構系統的靜剛度、增加阻尼、調整結構件質量和固有頻率等方法來提高機床主機的剛度和抗震性,使機床主體能適應數控機床連續自動地進行切削加工的需要。采取改善機床結構布局、減少發熱、控制溫升及采用熱位移補償等措施,可減少熱變形對機床主機的影響。

    (2)廣泛采用高性能的主軸伺服驅動和進給伺服驅動裝置,使數控機床的傳動鏈縮短,簡化了機床機械傳動系統的結構。

    (3)采用高傳動效率、高精度、無間隙的傳動裝置和運動部件,如滾珠絲杠螺母副、塑料滑動導軌、直線滾動導軌、靜壓導軌等。

    5.數控機床的輔助裝置


    輔助裝置是保證充分發揮數控機床功能所必需的配套裝置,常用的輔助裝置包括:氣動、液壓裝置,排屑裝置,冷卻、潤滑裝置,回轉工作臺和數控分度頭,防護,照明等各種輔助裝置。

    三、數控機床的適用范圍


    數控機床是一種可編程的通用加工設備,但是因設備投資費用較高,還不能用數控機床完全替代其他類型的設備,因此,數控機床的選用有其一定的適用范圍。圖1-2可粗略地表示數控機床的適用范圍。從圖1-2a可看出,通用機床多適用于零件結構不太復雜、生產批量較小的場合;專用機床適用于生產批量很大的零件;數控機床對于形狀復雜的零件盡管批量小也同樣適用。隨著數控機床的普及,數控機床的適用范圍也愈來愈廣,對一些形狀不太復雜而重復工作量很大的零件,如印制電路板的鉆孔加工等,由于數控機床生產率高,也已大量使用。因而,數控機床的適用范圍已擴展到圖1-2a中陰影所示的范圍。

    圖1-2b表示當采用通用機床、專用機床及數控機床加工時,零件生產批量與零件總加工費用之間的關系。據有關資料統計,當生產批量在100件以下,用數控機床加工具有一定復雜程度零件時,加工費用最低,能獲得較高的經濟效益。

    圖1-2 數控機床的適用范圍

    由此可見,數控機床最適宜加工以下類型的零件:

    (1)生產批量小的零件(100件以下);

    (2)需要進行多次改型設計的零件;

    (3)加工精度要求高、結構形狀復雜的零件,如箱體類,曲線、曲面類零件;

    (4)需要精確復制和尺寸一致性要求高的零件;

    (5)價值昂貴的零件,這種零件雖然生產量不大,但是如果加工中因出現差錯而報廢,

    將產生巨大的經濟損失。

    第二節 數控機床的特點和分類

    一、數控機床的特點

    與通用機床和專用機床相比,數控機床具有以下主要特點:

    (1)加工精度高,質量穩定。數控系統每輸出一個脈沖,機床移動部件的位移量稱為脈沖當量,數控機床的脈沖當量一般為0.001mm,高精度的數控機床可達0.0001mm,其運動分辨率遠高于普通機床。另外,數控機床具有位置檢測裝置,可將移動部件實際位移量或絲杠、伺服電動機的轉角反饋到數控系統,并進行補償。因此,可獲得比機床本身精度還高的加工精度。數控機床加工零件的質量由機床保證,無人為操作誤差的影響,所以同一批零件的尺寸一致性好,質量穩定。

    (2)能完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件加工。例如,采用二軸聯動或二軸以上聯動的數控機床,可加工母線為曲線的旋轉體曲面零件、凸輪零件和各種復雜空間曲面類零件。


    (3)生產效率高。數控機床的主軸轉速和進給量范圍比普通機床的范圍大,良好的結構剛性允許數控機床采用大的切削用量,從而有效地節省了機動時間。對某些復雜零件的加工,如果采用帶有自動換刀裝置的數控加工中心,可實現在一次裝夾下進行多工序的連續加工,減少了半成品的周轉時間,生產率的提高更為明顯。


    (4)對產品改型設計的適應性強。當被加工零件改型設計后,在數控機床上只需變換零件的加工程序,調整刀具參數等,就能實現對改型設計后零件的加工,生產準備周期大大縮短。因此,數控機床可以很快地從加工一種零件轉換為加工另一種改型設計后的零件,這就為單件、小批量新試制產品的加工,為產品結構的頻繁更新提供了極大的方便。

    (5)有利于制造技術向綜合自動化方向發展。數控機床是機械加工自動化的基本設備,以數控機床為基礎建立起來的FMC、FMS、CIMS等綜合自動化系統使機械制造的集成化、智能化和自動化得以實現。這是由于數控機床控制系統采用數字信息與標準化代碼輸入、并具有通信接口,容易實現數控機床之間的數據通信,最適宜計算機之間的聯接,組成工業控制網絡,實現自動化生產過程的計算、管理和控制。形

    (6)監控功能強,具有故障診斷的能力。CNC系統不僅控制機床的運動,而且可對機床進行全面監控。例如,可對一些引起故障的因素提前報警,進行故障診斷等,極大地提高了檢修的效率。

    (7)減輕工人勞動強度、改善勞動條件。

    二、數控機床的分類

    數控機床的種類繁多,根據數控機床的功能和組成的不同,可以從多種角度對數控機床進行分類。

    1. 按運動軌跡分類

    (1)點位控制系統
    它的特點是刀具相對工件的移動過程中,不進行切削加工,對定位過程中的運動軌跡沒有嚴格要求,只要求從一坐標點到另一坐標點的精確定位。如數控坐標鏜床、數控鉆床、數控沖床、數控點焊機和數控測量機等都采用此類系統。如圖l—3a所示。

    (2)直線控制系統
    這類控制系統的特點是除了控制起點與終點之間的準確位置外,而且要求刀具由一點到另一點之間的運動軌跡為一條直線,并能控制位移的速度,因為這類數控機床的刀具在移動過程中要進行切削加工。直線控制系統的刀具切削路徑只沿著平行于某一坐標軸方向運動,或者沿著與坐標軸成一定角度的斜線方向進行直線切削加工。如圖l—3b所示。采用這類控制系統的機床有數控車床、數控銑床等。

    同時具有點位控制功能和直線控制功能的點位/直線控制系統,主要應用在數控鏜銑床、加工中心機床上。

    (3)輪廓控制系統
    也稱連續控制系統。其特點是能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續控制。加工時不僅要控制起點和終點位置,而且要控制兩點之間每一點的位置和速度,使機床加工出符合圖紙要求的復雜形狀(任意形狀的曲線或曲面)的零件。它要求數控機床的輔助功能比較齊全。CNC裝置一般都具有直線插補和圓弧插補功能。如數控車床、數控銑床、數控磨床、數控加工中心、數控電加工機床、數控繪圖機等都采用此類控制系統。

    這類數控機床絕大多數具有兩坐標或兩坐標以上的聯動功能,不僅有刀具半徑補償、刀具長度補償功能,而且還具有機床軸向運動誤差補償,絲杠、齒輪的間隙補償等一系列功能,如圖1-3c所示。

     

    圖1-3 數控系統控制方式

    2. 按伺服系統控制方式分類

    (1)開環伺服系統
    這種控制方式不帶位置測量元件。數控裝置根據信息載體上的指令信號,經控制運算發出指令脈沖,使伺服驅動元件轉過一定的角度,并通過傳動齒輪、滾珠絲杠螺母副,使執行機構(如工作臺)移動或轉動。圖1-4為開環控制系統的框圖。這種控制方式沒有來自位置測量元件的反饋信號,對執行機構的動作情況不進行檢查,指令流向為單向,因此被稱為開環控制系統。

     

    圖l-4 開環控制系統框圖

    步進電動機伺服系統是最典型的開環控制系統。這種控制系統的特點是系統簡單,調試維修方便,工作穩定,成本較低。由于開環系統的精度主要取決于伺服元件和機床傳動元件的精度、剛度和動態特性,因此控制精度較低。目前在國內多用于經濟型數控機床,以及對舊機床的改造。

    (2)閉環伺服系統
    這是一種自動控制系統,其中包含功率放大和反饋,使輸出變量的值響應輸入變量的值。數控裝置發出指令脈沖后,當指令值送到位置比較電路時,此時若工作臺沒有移動,即沒有位置反饋信號時,指令值使伺服驅動電動機轉動,經過齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動元件帶動機床工作臺移動。裝在機床工作臺上的位置測量元件,測出工作臺的實際位移量最后,反饋到數控裝置的比較器中與指令信號進行比較,并用比較后的差值進行控制。若兩者存在差值,經放大器放大后,再控制伺服驅動電動機轉動,直至差值為零時,工作臺才停止移動。這種系統稱為閉環伺服系統。圖1-5為閉環控制系統框圖。閉環伺服系統的優點是精度高、速度快。主要用在精度要求較高的數控鏜銑床、數控超精車床、數控超精鏜床等機床上。

    圖l-5 閉環控制系統框圖

    (3)半閉環伺服系統
    這種控制系統不是直接測量工作臺的位移量,而是通過旋轉變壓器、光電編碼盤或分解器等角位移測量元件,測量伺服機構中電動機或絲杠的轉角,來間接測量工作臺的位移。這種系統中滾珠絲杠螺母副和工作臺均在反饋環路之外,其傳動誤差等仍會影響工作臺的位置精度,故稱為半閉環控制系統。圖1-6為半閉環控制系統框圖。

    圖l-6 半閉環控制系統框圖

    半閉環伺服系統介于開環和閉環之間,由于角位移測量元件比直線位移測量元件結構簡單,因此裝有精密滾珠絲杠螺母副和精密齒輪的半閉環系統被廣泛應用。目前已經把角位移測量元件與伺服電動機設計成一個部件,使用起來十分方便。半閉環伺服系統的加工精度雖然沒有閉環系統高,但是由于采用了高分辨率的測量元件,這種控制方式仍可獲得比較滿意的精度和速度。系統調試比閉環系統方便,穩定性好,成本也比閉環系統低,目前,大多數數控機床采用半閉環伺服系統。

    3. 按功能水平分類

    數控機床按數控系統的功能水平可分為低、中、高三檔。這種分類方式,在我國用的很多。低、中、高檔的界限是相對的,不同時期的劃分標準有所不同,就目前的發展水平來看,大體可以從以下幾個方面區分:

    項 目
    低檔
    中檔
    高檔

    分辨率和進給速度
    10μm 、8~15m/min
    1μm 、15~24m/min
    0.1μm 、15~100m/min

    伺服進給類型
    開環、步進電動機系統
    半閉環直流或交流伺服系統
    閉環直流或交流伺服系統

    聯動軸數
    2軸
    3~5軸
    3~5軸

    主軸功能
    不能自動變速
    自動無級變速
    自動無級變速、C軸功能

    通信能力

    RS-232C或DNC接口
    MAP通信接口、連網功能

    顯示功能
    數碼管顯示、CRT字符
    CRT顯示字符、圖形
    三維圖形顯示、圖形編程

    內裝PLC




    主CPU
    8bitCPU
    16或32bitCPU
    64bitCPU

     

    4. 按工藝用途分類

    數控機床按不同工藝用途分類有數控的車床、銑床、磨床與齒輪加工機床等。在數控金屬成型機床中,有數控的沖壓機、彎管機、裁剪機等。在特種加工機床中有數控的電火花切割機、火焰切割機、點焊機、激光加工機等。近年來在非加工設備中也大量采用數控技術,如數控測量機、自動繪圖機、裝配機、工業機器人等。


    加工中心是一種帶有自動換刀裝置的數控機床,它的出現突破了一臺機床只能進行一種工藝加工的傳統模式。它是以工件為中心,能實現工件在一次裝夾后自動地完成多種工序的加工。常見的有以加工箱體類零件為主的鏜銑類加工中心和幾乎能夠完成各種回轉體類零件所有工序加工的車削中心。

    近年來一些復合加工的數控機床也開始出現,其基本特點是集中多工序、多刀刃、復合工藝加工在一臺設備中完成。

    第三節 數控技術的應用與發展

    隨著電子、信息等高新技術的不斷發展,隨著市場需求個性化與多樣化,未來先進制造技術發展的總趨勢是向精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發展。數控技術是制造業實現這些先進制造技術的基礎,而數控技術水平高低和數控設備擁有量是體現國家綜合國力水平、衡量國家工業現代化的重要標志之一。

    一、現代制造技術的發展趨勢


    21世紀是知識經濟新時代,制造業作為我國新世紀的戰略產業將面臨著劇烈的挑戰和經歷一場深刻的技術變革。在傳統制造技術基礎之上發展起來的先進制造技術代表了制造技術發展的前沿,對制造業的發展將產生巨大影響。當前先進制造技術的發展大致有以下特點:

    1.信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合


    隨著信息技術向制造技術的注入和融合,促進著制造技術的不斷發展。它使制造技術的技術含量提高,使傳統制造技術發生質的變化。促進了加工制造的精密化、快速化,自動化技術的柔性化、智能化,整個制造過程的網絡化、全球化。相繼出現的各種先進制造模式,如CIMS、并行工程、精益生產、敏捷制造、虛擬企業與虛擬制造等,均以信息技術的發展為支撐。

    2.計算機輔助設計、輔助制造、輔助工程分析(CAD/CAM/CAE)

    制造信息的數字化,將實現CAD/CAPP/CAM/CAE的一體化,使產品向無圖紙制造方向發展。在發達國家的大型企業中,已廣泛使用CAD/CAM,實現100%數字化設計。將數字化技術注入產品設計開發,提高了企業產品自主開發能力和產品檔次,同時也提高了企業對市場的應變能力和快速響應能力。通過局域網實現企業內部并行工程,通過Internet建立跨地區的虛擬企業,實現資源共享,優化配置,也使制造業向互聯網輔助制造方向發展。

    3.加工制造技術向著超精密、超高速以及發展新一代制造裝備的方向發展

    (1)超精密加工技術
    超精密加工技術是為了獲得被加工件的形狀、尺寸精度和表面粗糙度均優于亞微米級的一門高新技術。超精加工技術的加工精度由紅外波段向可見光和不可見光的紫外波段趨進,目前加工精度達到0.025μm,表面粗糙度達0.045μm,已進入納米級加工時代。美國為了適應航空、航天等尖端技術的發展,已研制出多種數控超精密加工車床,最大的加工直徑可達1.63m,定位精度為28納米(10-9m)。

    (2)超高速切削
    目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過1600m/min,鑄鐵為1500m/min,超耐熱鎳合金為300m/min,鈦合金200m/min。超高速切削的發展已轉移到一些難加工材料的切削加工。現代數控機床主軸的最高轉速可達到10000~20000r/min,采用高速內裝式主軸電動機后,使主軸直接與電動機連接成一體,可將主軸轉速提高到40000~50000r/min。

    (3)新一代制造裝備的發展
    市場競爭和新產品、新技術、新材料的發展推動著新型加工設備的研究與開發,如“并聯桁架式結構數控機床”(或俗稱“六腿”機床),突破了傳統機床的結構方案,采用可以伸縮的六個“腿”連接定平臺和動平臺,每個“腿”均由各自的伺服電動機和精密滾珠絲杠驅動,控制這六條“腿”的伸縮就可以控制裝有主軸頭的動平臺的空間位置和姿勢,滿足刀具運動軌跡的要求。

    4.工藝研究由“經驗”走向“定量分析”


    先進制造技術的一個重要發展趨勢是通過計算機技術和模擬技術的應用,使工藝研究由“經驗判斷”走向“定量分析”,加工工藝由技藝發展為工程科學。

    5.虛擬現實技術在制造業中獲得越來越多的應用

    虛擬現實技術(Virtual Reality Technology)主要包括虛擬制造技術和虛擬企業兩個部分。

    虛擬制造技術將從根本上改變了設計、試制、修改設計、規模生產的傳統制造模式。在產品真正制出之前,首先在虛擬制造環境中生成軟產品原型(Soft設
    Prototype)代替傳統的硬樣品(Hard
    Prototype)進行試驗,對其性能和可制造性進行預測和評價,從而縮短產品的設計與制造周期,降低產品的開發成本。

    虛擬企業是為了快速響應某一市場需求,通過信息高速公路,將產品涉及到的不同企業臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網絡聯系、統一指揮的合作經濟實體。虛擬企業的特點是企業的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結構上的非永久性,即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。

    二、數控機床和數控系統的發展

    隨著先進生產技術的發展,要求現代數控機床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向發展。

    1.高速度、高精度化

    高速化指數控機床的高速切削和高速插補進給,目標是在保證加工精度的前提下,提高加工速度。這不僅要求數控系統的處理速度快,同時還要求數控機床具有大功率和大轉矩的高速主軸、高速進給電動機、高性能的刀具、穩定的高頻動態剛度。

    高精度包括高進給分辨率、高定位精度和重復定位精度、高動態剛度、高性能閉環交流數字伺服系統等。

    數控機床由于裝備有新型的數控系統和伺服系統,使機床的分辨率和進給速度達到0.1μm(24m/min),lμm(100~240m/min),現代數控系統已經逐步由16位CPU過渡到32位CPU。日本產的FANUCl5系統開發出64位CPU系統,能達到最小移動單位0.1μm時,最大進給速度為100m/min。FANUCl6和FANUCl8采用簡化與減少控制基本指令的RISC(Reduced備
    Instruction Set
    Computer)精簡指令計算機,能進行更高速度的數據處理,使一個程序段的處理時間縮短到0.5ms,連續lmm移動指令的最大進給速度可達到120m/min。

    日本交流伺服電動機已裝上每轉可產生100萬個脈沖的內藏位置檢測器,其位置檢測精度可達到0.01mm/脈沖及在位置伺服系統中采用前饋控制與非線性控制等方法。補償技術方面,除采用齒隙補償、絲杠螺距誤差補償、刀具補償等技術外,還開發了熱補償技術,減少由熱變形引起的加工誤差。

    2.“開放式”

    要求新一代數控機床的控制系統是一種開放式、模塊化的體系結構:系統的構成要素應是模塊化的,同時各模塊之間的接口必須是標準化的;系統的軟件、硬件構造應是“透明的”、“可移植的”;了
    系統應具有“連續升級”的能力。

    為滿足現代機械加工的多樣化需求,新一代數控機床機械結構更趨向于“開放式”:機床結構按模塊化、系列化原則進行設計與制造,以便縮短供貨周期,最大限度滿足用戶的工藝需求。數控機床的很多部件的質量指標不斷提高,品種規格逐漸增加、機電一體化內容更加豐富,因此專門為數控機床配套的各種功能部件已完全商品化。

    3.智能化

    所謂智能化數控系統,是指具有擬人智能特征,智能數控系統通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統的內部狀態及外部環境,快速做出實現最佳目標的智能決策,對進給速度、切削深度、坐標移動、主軸轉速等工藝參數進行實時控制,使機床的加工過程處于最佳狀態。


    (1)在數控系統中引進自適應控制技術。數控機床中因工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、潤滑或冷卻液等因素的變化將直接或間接影響加工效果。自適應控制是在加工過程中不斷檢查某些能代表加工狀態的參數,如切削力、切削溫度等,通過評價函數計算和最佳化處理,對主軸轉速、刀具(或工作臺)進給速度等切削用量參數進行校正,使數控機床能夠始終在最佳的切削狀態下工作。


    (2)設置故障自診斷功能。數控機床工作過程中出現故障時,控制系統能自動診斷,并立即采取措施排除故障,以適應長時間在無人環境下的正常運行要求。


    (3)具有人機對話自動編程功能。可以把自動編程機具有的功能,裝入數控系統,使零件的程序編制工作可以在數控系統上在線進行,用人機對話方式,通過CRT彩色顯示和手動操作鍵盤的配合,實現程序的輸入、編輯和修改,并在數控系統中建立切削用量專家系統,從而達到提高編程效率和降低操作人員技術水平的要求。

    (4)應用圖像識別和聲控技術。由機床自己辨別圖樣,并自動地進行數控加工的智能化技術和根據人的語言聲音對數控機床進行自動控制的智能化技術。

    4.復合化

    復合化加工,即在一臺機床上工件一次裝夾便可以完成多工種、多工序的加工,通過減少裝卸刀具、裝卸工件、調整機床的輔助時間,實現—機多能,最大限度提高機床的開機率和利用率。60年代初期,在一般數控機床的基礎上開發了數控加工中心(MC),即自備刀庫的自動換刀數控機床。在加工中心機床上,工件一次裝夾后,機床的機械手可自動更換刀具,連續地對工件的各加工面進行多種工序加工。目前加工中心的刀庫容量可多達120把左右,自動換刀裝置的換刀時間為l~2s。加工中心中除了鏜銑類加工中心和車削類車削中心外,還出現了集成型車/銑加工中心、自動更換電極的電火花加工中心,帶有自動更換砂輪裝置的內圓磨削加工中心等。

    隨著數控技術的不斷發展,打破了原有機械分類的工藝性能界限,出現了相互兼容、擴大工藝范圍的趨勢。復合加工技術不僅是加工中心、車削中心等在同類技術領域內的復合,而且正向不同類技術領域內的復合發展。


    多軸同時聯動移動,是衡量數控系統的重要指標,現代數控系統的控制軸數可多達16軸,同時聯動軸數已達到6軸。高檔次的數控系統,還增加了自動上下料的軸控制功能,有的在PLC里增加位置控制功能,以補充軸控制數的不足,這將會進一步擴大數控機床的工藝范圍。

    5.高可靠性


    高可靠性的數控系統是提高數控機床可靠性的關鍵。選用高質量的印制電路和元器件,對元器件進行嚴格地篩選,建立穩定的制造工藝及產品性能測試等一整套質量保證體系。在新型的數控系統中采用大規模、超大規模集成電路實現三維高密度插裝技術,進一步地把典型的硬件結構集成化,做成專用芯片,提高了系統的可靠性。


    現代數控機床均采用CNC系統,數控系統的硬件由多種功能模塊制成,對于不同功能的模塊可根據機床數控功能的需要選用,并可自行擴展,組成滿意的數控系統。在CNC系統中,只要改變—下軟件或控制程序,就能制成適應各類機床不同要求的數控系統。

    現代數控機床都裝備有各種類型的監控、檢測裝置,以及具有故障自動診斷與保護功能。能夠對工件和刀具進行監測,發現工件超差,刀具磨損、破裂,能及時報警,給予補償,或對刀具進行調換,具有故障預報和自恢復功能,保證數控機床長期可靠地工作。數控系統一般能夠對軟件、硬件進行故障自診斷,能自動顯示故障部位及類型,以便快速排除故障。此外系統中注意增強保護功能,如行程范圍保護功能、斷電保護功能等,以避免損壞機床和工件的報廢。

    6.多種插補功能

    數控機床除具有直線插補、圓弧插補功能外,有的還具有樣條插補、漸開線插補、螺旋插補、極坐標插補、指數曲線插補、圓柱插補、假想坐標插補等。

    7.人機界面的友好


    現代數控機床具有豐富的顯示功能,多數系統都具有實時圖形顯示、PLC梯形圖顯示和多窗口的其他顯示功能;豐富的編程功能,像會話式自動編程功能、圖形輸入自動編程功能,有的還具有CAD/CAM功能;方便的操作,有引導對話方式幫助你很快熟悉操作,設有自動工作手動參與功能;根據加工的要求,各系統都設了多種方便于編程的固定循環;伺服系統數據和波形的顯示,伺服系統參數的自動設定;系統具有多種管理功能,刀具及其壽命的管理、故障記錄、工作記錄等;PLC程序編制方法增加,目前有梯形圖編程(Ladder分
    Language Program)方法、步進順序流程圖編程(Step Sequence
    Program)方法。現在越來越廣泛地用C語言編寫PLC程序;幫助功能,系統不但顯示報警內容,而且能指出解決問題的方法。

    三、數控技術與計算機集成制造系統

    1.柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)

    FMC
    在早期是作為簡單和初級的柔性制造技術而發展起來的。它在MC的基礎上增加了托盤自動交換裝置或機器人、刀具和工件的自動測量裝置、加工過程的監控功能等,它和MC相比具有更高的制造柔性和生產效率。

    圖1-7為配有托盤交換系統構成的
    FMC。托盤上裝夾有工件,在加工過程中,它與工件一起流動,類似通常的隨行夾具。環形工作臺用于工件的輸送與中間存儲,托盤座在環形導軌上由內側的環鏈拖動而回轉,每個托盤座上有地址識別碼。當一個工件加工完畢,數控機床發出信號,由托盤交換裝置將加工完的工件(包括托盤)拖至回轉臺的空位處,然后轉至裝卸工位,同時將待加工工件推至機床工作臺并定位加工。

    在車削FMC 中一般不使用托盤交換工件,而是直接由機械手將工件安裝在卡盤中,裝卸料由機械手或機器人實現,如圖1-8所示。

    圖1-7 帶有托盤交換系統的FMC

    1-環行交換工作臺 2-托盤座 3-托盤 4-加工中心 5-托盤交換裝置

    圖1-8 機器人搬運式FMC

    1-車削中心 2-機器人 3-物料傳送裝置

    FMC 是在加工中心(MC)、車削中心(TC)的基礎上發展起來的,又是FMS
    和CIMS的主要功能模塊。FMC具有規模小,成本低(相對FMS),便于擴展等優點,它可在單元計算機的控制下,配以簡單的物料傳送裝置,擴展成小型的柔性制造系統,適用于中小企業。

    2.柔性制造系統(Flexible Manufacturing System)

    FMS
    是集自動化加工設備、物流和信息流自動處理為一體的智能化加工系統。FMS由一組CNC機床組成,它能隨機地加工一組具有不同加工順序及加工循環的零件。實行自動運送材料及計算機控制,以便動態地平衡資源的供應,從而使系統自動地適應零件生產混合的變化及生產量的變化。圖1-9為一柔性制造系統框圖。由圖可見,柔性制造系統由加工系統、物料輸送系統和信息系統組成。

     

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