认识数控车床的基础知识

查阅数控车床相关资料,了解数控车床的产生背景及其发展方向,了解数控车床的组成、分类及加工工件的特点,能够指出数控车床各组成部件的名称。在教师的带领下,参观数控车间,通过对普通车床(见图1-1-1(a))和数控车床(见图1-1-1(b))的观察,找出普通车床与数控车床的不同,从感观上对数控车床有初步认识,为后续任务做好准备。

图1-1-1　车床

1.知道数控车床的产生背景及其发展。

2.知道数控车床的分类及加工零件的特点,什么零件适合数控车床加工。

3.能够指出数控车床各结构部件的名称。

4.能够正确认识普通车床与数控车床的不同。

①观察普通车床与数控车床的外观,从感观上找出两种车床的不同。

②查阅资料,了解数控车床的产生背景及发展,总结你对数控车床的初步认识。

③通过观察及学习,写出数控车床的组成及各组成部分的作用。

分组现场识别数控车床各组成部件的名称。

通过观察、查阅资料等,对数控车床有了初步了解后,对相关内容进行评价,并将评价结果填入表1-1-1中。

表1-1-1　数控车床认识评分表

通过观察、查阅资料,总结你对数控车床这种设备的学习感受,并填入表1-1-2中。

表1-1-2　数控车床认识总结表

1)数控机床概述

(1)数控技术的基本概念

①数控技术

数控技术简称数控,即数字控制(Numerical Control,NC),是用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。

②数控系统

数控系统是数字控制系统(Numerical Control System)的简称,是实现数控机床相关功能的软硬件系统,是数控技术的载体。

③数控机床

数控机床(Numerical Control Machine Tools),是用数字代码形式的信息(程序指令)控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。

④计算机数控

计算机数控(Computer Numerical Control,CNC)是指用计算机按照存储在计算机内读写存储器中的控制程序去执行并实现数控装置的一部分或全部数控功能。

(2)数控机床的产生及发展

随着科学技术和社会生产力的迅速发展,对机械产品的质量、生产效率及零件的复杂程度提出了越来越高的要求,在这种背景下数控机床产生了。1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司在美国空军后勤部的资助下,成功研制出第一台数控铣床。数控技术及数控机床的诞生,标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来。从第一台数控机床至今,数控机床经过了两个阶段共6代的发展。

①NC 阶段

早期的计算机运算速度较低,不能适应机床适时控制的要求。人们采用电子元件来构成专门的逻辑部件,组成专用计算机来实现机床加工的要求,称为硬件连接数控。随着元器件的发展,这个阶段经历了3代,即:

第一代电子管NC:1952—1959年,采用电子管元件构成的专用NC 装置,体积较大,可靠性低,价格高,主要用于军工生产,没有得到广泛推广。

第二代晶体管NC:1959—1964年,采用晶体管电路的NC 装置,可靠性有所提高,体积大为缩小,但是可靠性还是较低,没有得到用户的认可。

第三代小规模集成电路NC:1965—1970年,采用中小规模集成电路的NC 装置,体积大大缩小,可靠性得到了实质性提高,一般用户可以接受。

②CNC 阶段

直到1970年,小型计算机得到广泛使用。其运算速度、可靠性比20世纪五六十年代有了大幅度的提高,人们将它移植过来作为数控系统的核心部件。从此进入了计算机数控阶段。在这个阶段也经历了3代,即:

第四代小型计算机:1970—1974年,采用大规模集成电路的小型通用计算机数控系统。

第五代微处理器:1974—1990年,微处理器和半导体存储器应用于数控系统(Micro(CPU)NC,MNC)。

第六代PC 机:1990年以后,PC(Personal Computer)的性能已发展到很高的阶段,可满足作为数控系统核心部件的要求,数控系统进入了基于PC 时代。

(3)我国数控机床的发展现状

我国从1958年开始研究数控技术,1975年第一台加工中心研制成功。1986年开始进入国际市场,但是,在数控技术领域,我国同先进工业国家之间还存在较大差距。

近年来,我国连续成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国,特别是在高档和大型数控机床方面,70%以上的此类机床及绝大部分的关键功能部件均需依赖进口。主要原因是国产数控机床的研究开发力度不够、制造水平落后、服务意识较低及数控人才缺乏等。

目前,我国的主要数控系统生产厂家有北京航天机床数控系统集团公司、武汉华中数控系统有限公司、沈阳数字控制股份有限公司、南京新方达数控有限公司及广州数控设备有限公司等。

(4)数控机床的发展趋势

数控机床的出现给机械制造业乃至整个工业生产带来了革命性的变化,随着电子技术及计算机技术的发展,数控机床的性能将进一步成熟,应用领域也将进一步扩大,对汽车、IT、轻工、医疗行业的发展将起着重要作用,当今数控机床的发展呈现以下发展趋势:

①高精度、高速度化

质量和效率是当今企业最核心的竞争力,数控机床的精度和速度恰恰是满足这两项指标的重要保障,因此,精度和速度也成为衡量一台数控机床的重要指标。目前,数控机床的主轴转速可达40000r/min,进给速度可达120m/min,快速移动速度可达60m/min。加工精度可达±0.005mm,个别的可达±0.0015mm ,定位精度可达±0.002～ ±0.005mm。

②高复合化

复合加工就是把不同类型机床的功能集中于一台机床上。典型代表机床如车铣复合加工中心、镗铣加工中心等。它可将许多工序和许多工艺过程集中到一台机床上完成,实现自动换刀及自动更换工件,一次装夹完成全部加工工序,可大大地减少辅助时间,从而实现一机多用,提高生产效率,节省占地面积,节约投资。

③高智能化

智能化是21世纪制造技术发展的一个方向,它适应了制造业生产柔性化、自动化发展的需要,智能化正在成为数控设备研究及发展的热点。目前,在数控机床上采用的高智能化技术主要有自适应控制(Adaptive Control,AC)、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制及前馈控制等。

④先进制造系统

柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)是一种几乎不用人参与而且能连续地对同一类型零件中不同零件进行自动化加工的最小加工单元,是独立使用的加工设备,又可作为柔性制造系统或柔性自动线的基本组成模块。

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)是由加工系统、物料自动储运系统和信息控制系统三者相结合并能自动运行的制造系统。这种系统可按任意顺序加工一组不同工序与不同加工节拍的零件,工艺过程随加工零件的不同作适当调整,能在设备的技术范围内自动地适应加工零件和生产规模的变化。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,CIMS)是一种企业经营管理哲理的体现,它强调企业的生产经营是一个整体,必须用系统工程的观点来研究和解决生产经营中出现的课题。集成的核心不仅是设备的集成,更主要的是以信息为主导的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具,计算机辅助的各单元技术是集成的基础,信息交换是桥梁、信息共享是目标。

2)数控车床的分类

(1)按主轴位置分类

①卧式数控车床

该类数控车床主轴水平放置,主要用于加工轴向尺寸大﹑径向尺寸相对较小的小型复杂零件。床身结构主要有水平导轨床身(见图1-1-2)和倾斜导轨床身(见图1-1-3)。

图1-1-2　水平导轨床身

图1-1-3　倾斜导轨床身

A.水平导轨床身布局

工艺性好,但水平床身因下部空间小,故排屑困难。

B.倾斜导轨床身布局

其导轨倾斜的角度分别为45°,60°,70°等,这种布局具有刚度好、外形美观、结构紧凑、排屑容易且便于操作和观察等优点。(www.xing528.com)

②立式数控车床(见图1-1-4)

其主轴垂直于水平面放置,一个直径很大的圆形工作台用来装夹工件。这类车床主要用于加工径向尺寸大﹑轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

(2)按刀架位置分类

①前置刀架数控车床

刀架位于Z 轴的前面,与传统卧式车床刀架的布置形式一样,刀架导轨为水平导轨,使用四工位电动刀架,如图1-1-2所示。

②后置刀架数控车床

刀架位于Z 轴的后面,刀架的导轨倾斜于正平面,便于观察刀具的切削过程,容易排除切屑,后置空间大,可设计更多工位。一般多功能的数控车床都设计为后置刀架,如图1-1-3所示。

(3)按功能分类

图1-1-4　立式数控车床

①经济型数控车床

该类机床通常配备经济型数控系统,机械部分是在普通车床的基础上改进的。它成本较低,自动化程度和功能都较差,大多采用开环或半闭环伺服系统控制,主轴多采用变频调速。

②全功能数控车床

此类车床一般采用后置转塔式刀架,可装刀具数量较多,主轴为伺服驱动,床身采用倾斜床身结构便于排屑,数控系统的功能较多,可靠性较好。

③车削中心

该类机床以车床为基本体,并在此基础上进一步增加铣﹑钻﹑镗以及副主轴的功能,可在同一台数控机床上完成多道工序的加工。

(4)按数控系统分类

数控系统是数控车床的核心。目前,在数控车床上使用的数控系统较多,这里只对常用的数控系统进行介绍。

①FANUC 数控系统(见图1-1-5)

FANUC 数控系统是日本FANUC 公司的产品,进入中国市场较早,目前在国内占有较大的市场份额。该类系统有多种产品型号,广泛使用的有FANUC0,FANUC16,FANUC18,FANUC21等。该系统具有高质量、高性能、全功能等特点,适用于各种机床及生产机械。

图1-1-5　FANUC 数控系统

图1-1-6　SINUMERIK 系统

②SINUMERIK 数控系统(见图1-1-6)

SINUMERIK 数控系统是德国西门子(SIEMENS)公司的产品。该公司的数控装置采用项目化结构设计,经济性好,在一种标准硬件上配置多种软件,具有多种工艺类型,满足各种机床的需要,并成为系列产品。其主要产品型号为SINUMERIK3/8/810/820/850/880/805/802/840等。

③GSK 数控系统(见图1-1-7)

GSK 数控系统是广州数控设备有限公司的产品。该企业是中国国家“863”重点项目“中档数控系统产业化支撑技术”承担企业,拥有我国最大的数控机床连锁超市。GSK 数控系统主要有GSK928T,GSK980T 等。

④HNC 数控系统(见图1-1-8)

HNC 数控系统是华中数控系统有限公司的产品。该公司成立于1995年,由华中理工大学、中国国家科技部、湖北省武汉市科委、武汉市东胡高新技术开发区、香港大同工业设备有限公司等共同投资组建。目前,华中“世纪星”系列数控系统包括世纪星HNC-18i,HNC-19i,HNC-21,HNC-22这4个系列产品。

图1-1-7　GSK 数控系统

图1-1-8　HNC 数控系统

(5)按伺服系统分类

①开环伺服系统

开环控制(Open Loop Control)数控车床不带位置检测反馈装置。数控装置输出的指令脉冲由驱动电路功率放大,并驱动步进电动机转动,再经传动机构带动执行部件运动,如图1-1-9所示。开环控制数控车床工作较稳定,反应快,调试维修方便,结构简单,但控制精度低,故这类数控车床多为经济型数控车床。

图1-1-9　开环伺服系统

②闭环伺服系统

闭环控制(Close Loop Control)数控车床的工作台上安装了位置检测反馈系统,用以检测机床工作台的实际移动位置,并与数控装置的指令位置进行比较,对差值进行控制,使其误差减少。闭环控制框图如图1-1-10所示。闭环控制数控车床加工精度高,但结构复杂,造价高,调试维修困难。

图1-1-10　闭环伺服系统

③半闭环伺服系统

将检测元件与电动机或丝杠同轴安装,则为半闭环控制(Semi-Close Loop Control)数控车床,如图1-1-11所示。由于半闭环的环路内不包括丝杠螺母副及工作台,因此,它具有较稳定的控制特性,调试较方便,故被广泛采用。但其控制精度不如闭环控制数控车床。

图1-1-11　半闭环伺服系统

3)数控车床的主要加工对象

(1)轮廓形状特别复杂的回转体零件

一般的数控车床都具有直线插补功能和圆弧插补功能,甚至部分数控车床具有非圆曲线插补功能,因此,数控车床可以加工由任意直线和平面曲线组成的复杂回转体零件。这些零件有的甚至无法用普通车床进行加工。

(2)精度要求高及难以控制尺寸的回转体零件

零件的精度要求主要是尺寸、形状、位置精度及表面粗糙度等。如果采用普通车床进行加工,则这些零件精度将很难或无法保证,但在数控车床上可通过数控车床的精度及特殊切削功能轻易得到保证。对一些具有封闭内腔的成型面零件,往往存在孔口小、内腔大,甚至有些尺寸无法用常规的测量手段进行测量,对这些零件,采用数控车床加工较为适合。

(3)带异形螺纹的回转体零件

对任何导程的圆柱、圆锥和端面螺纹,甚至是增导程、减导程、变导程之间平滑过渡螺纹,以及高精度的模数螺纹和盘形螺旋零件等,在普通车床上无法加工的,在数控车床上都能加工。

4)数控车床的组成

数控车床一般由输入/输出装置、数控装置(CNC 单元)、伺服系统、辅助装置、测量反馈装置及机床主体等组成。数控车床的组成部件见表1-1-3。

表1-1-3　数控车床的组成部件

续表

续表

一、理论训练

1.数控车床由哪几部分组成? 它们各有什么作用?

2.什么是数控技术? 什么是计算机数控?

3.简述数控机床的发展趋势。

4.按不同的分类方法,简述数控车床的分类。

5.简述数控车床加工零件的特点。

二、技能训练

填写如图1-1-12所示数控车床的组成名称。

图1-1-12　数控车床的组成