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第五章 數控機床及工業機器人

第一節　數控機床

一、什么是數控機床

計算機數控(CNC)是指用計算機實現部分或全部基本數控功能。數控機床是一種采用計算機，利用數字化信息進行控制，具有高附加值的技術密集型機電一體化產品。

二、數控機床是如何加工零件的

1、在數控機床上加工零件是將加工過程所需的各種操作以及零件的形狀、尺寸按規定的編碼方式寫成數控加工程序，輸入到數控裝置中。再由數控裝置對這些輸入的信息進行處理和運算，并控制伺服驅動系統，使坐標軸協調移動，從而實現刀具與工件的相對運動，完成零件加工。當被加工工件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只要更換零件加工程序。

2、為了能夠加工出符合要求的零件輪廓，數控裝置必須具有插補功能。插補功能是在進行曲線輪廓加工時，只要知道曲線的種類、起點、終點以及速度等信息后，就可以根據給定的數字函數，在起點和終點之間確定一些中間點，以達到數據點密化的功能。

3、處理插補的算法就是插補運算。

插補算法是數控加工技術中的一個基本問題。

目前常用的插補算法有兩大類：

(1)以脈沖形式輸出的脈沖增量法，它適合于以步進電動機作為驅動元件的開環伺服驅動系統;

(2)以數字量形式輸出的數字增量法，它適合于以交、直流伺服電動機作為驅動元件的閉環(或半閉環)伺服驅動系統。

4、要實現數控加工，數控機床必須包括：

(1)具有一個既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數學模型進行插補運算，實時地向各坐標軸發出速度控制指令的數字計算機，即控制裝置;

(2)具有能夠快速響應，并具有足夠功率的伺服驅動裝置;

(3)具有能夠滿足上述加工方式的機床主機，輔助裝置和刀具。

三、為什么發展、使用數控機床

1、數控機床的優點：

(1)數控機床可以加工出普通機床難以加工或不能加工的復雜型面;

(2)數控機床按預先編寫的零件加工程序自動加工，加工過程中沒有人為干擾，加工精度還可以利用軟件進行校正和補償，因此可以獲得高的加工精度和重復精度;

(3)與普通機床加工相比，在數控機床上加工可提高生產率2～3倍，對于一些復雜零件，生產率可提高十幾倍甚至幾十倍等等。

(4)數控機床加工一般借用通用夾具，幾乎不需要專用的工裝夾具，只需更換零件的加工程序，即可實現零件的加工，縮短生產周期;

(5)節省時間、廠房面積;

(6)加速資金周轉，提高經濟效益;

(7)減輕勞動強度;

(8)實現精確的成本核算、生產進度安排。

2、數控機床與普通機床的性能比較列表

四、數控機床的組成(重點)

數控機床可以分為兩大部分：CNC系統和機床主機(包括輔助裝置)

(一)CNC系統

CNC系統由程序、輸入輸出(I / O)設備、CNC裝置及主軸、進給控制單元組成。

1、CNC 裝置是 CNC 系統的核心，它由三部分組成，即計算機(包括硬件和軟件)、可編程序控制器(PLC)和接口電路。

零件加工程序是CNC系統的重要組成部分。

2、輸入輸出設備主要用于零件加工程序的編制、存儲、顯示、打印等。

3、在數控機床中，有主軸驅動系統和進給驅動系統。

主軸驅動裝置由主軸控制單元、交直流主軸電動機與速度檢測元件組成。

進給驅動裝置由進給控制單元、進給伺服電動機與檢測元件組成。

(二)主機

主機是數控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分。

數控機床的機械結構具以下一些特點：

1、高剛度和高抗振性

2、小的機床熱變形

3、高效率、無間隙、低摩擦傳動

4、簡化的機械傳動結構

采用高性能、寬調速范圍的交直流主軸電動機和伺服電動機，使主軸箱、進給變速箱及其傳動系統大為簡化，提高傳動精度和可靠性。

(三)輔助裝置

必要的輔助裝置包括：電器、液壓、氣動元件及系統;冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等裝置;交換工作臺，數控轉臺，數控分度頭;刀具及其監控檢測裝置等。

五、數控機床的分類

(一)按照能夠控制刀具與工件間相對運動的軌跡分類

1、點位控制(或位置控制)數控機床

2、輪廓控制數控機床

(二)按照伺服驅動系統的控制方式分類

自動控制有閉環控制和開環控制兩種基本控制方式。

1、閉環控制數控機床

這類數控機床帶有位置檢測反饋裝置。位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置，并與CNC裝置的指令位置進行比較，用差值進行控制。

2、開環控制數控機床

這類數控機床不帶位置檢測反饋裝置。CNC裝置輸出的指令脈沖經驅動電路的功率放大，驅動步進電動機轉動，再經傳動機構帶動工作臺移動。

3、半閉環控制數控機床

將檢測元件安裝在電動機的端頭或絲杠的端頭，則為半閉環控制數控機床。

(三)按照加工方式分類

1、金屬切削類

2、金屬成型類

3、特種加工類

4、其他類。

(四)按照CNC裝置的功能水平分類

按照CNC裝置的功能水平可大致把數控機床分為高、中、低(經濟型)三檔。

六、數控機床的再生改造(重點)

數控機床技術改造應該考慮的問題：

1、正確估計待改造的數控機床的價值

主要機械大件(如床身、立柱、主軸箱等)的使用壽命可達10年以上

數控系統的使用壽命可達10年

一些頻繁運動的驅動部件(如滾動絲杠副)可保持運動精度約為5年

易損電器元件(如行程開關)的使用壽命只有2年左右

一個標準型的數控系統在制造廠生產出來，其壽命約為5-6年

(1)在再生改造時，必須仔細分析哪些部分可以利用，哪些部分必須更新，剩余價值還有多少。一般要求可利用的部分其剩余價值不應低于總價值的1/3。

(2)剩余價值較大的通常是機械部分及配套附件，數控系統往往都需要更新。

2、設備技術改造應該力求投資不超過同類新設備購置費的40～60%

3、再生改造應該全面配套，避免只進行局部改造

在改造方案中，必須對機床各主要部件的工作壽命進行綜合平衡，技術參數要相互匹配。

4、設備改造要根據企業的生產需要、自身的經濟能力，確定合理的科學的再生改造目標，而不要盲目追求一流水平

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（責任編輯：中大編輯）

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