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第五章 数控机床及工业机器人

第一节　数控机床

一、什么是数控机床

计算机数控(CNC)是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。数控机床是一种采用计算机，利用数字化信息进行控制，具有高附加值的技术密集型机电一体化产品。

二、数控机床是如何加工零件的

1、在数控机床上加工零件是将加工过程所需的各种操作以及零件的形状、尺寸按规定的编码方式写成数控加工程序，输入到数控装置中。再由数控装置对这些输入的信息进行处理和运算，并控制伺服驱动系统，使坐标轴协调移动，从而实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只要更换零件加工程序。

2、为了能够加工出符合要求的零件轮廓，数控装置必须具有插补功能。插补功能是在进行曲线轮廓加工时，只要知道曲线的种类、起点、终点以及速度等信息后，就可以根据给定的数字函数，在起点和终点之间确定一些中间点，以达到数据点密化的功能。

3、处理插补的算法就是插补运算。

插补算法是数控加工技术中的一个基本问题。

目前常用的插补算法有两大类：

(1)以脉冲形式输出的脉冲增量法，它适合于以步进电动机作为驱动元件的开环伺服驱动系统;

(2)以数字量形式输出的数字增量法，它适合于以交、直流伺服电动机作为驱动元件的闭环(或半闭环)伺服驱动系统。

4、要实现数控加工，数控机床必须包括：

(1)具有一个既能接受零件图样加工要求信息，又能按照一定的数学模型进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令的数字计算机，即控制装置;

(2)具有能够快速响应，并具有足够功率的伺服驱动装置;

(3)具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。

三、为什么发展、使用数控机床

1、数控机床的优点：

(1)数控机床可以加工出普通机床难以加工或不能加工的复杂型面;

(2)数控机床按预先编写的零件加工程序自动加工，加工过程中没有人为干扰，加工精度还可以利用软件进行校正和补偿，因此可以获得高的加工精度和重复精度;

(3)与普通机床加工相比，在数控机床上加工可提高生产率2～3倍，对于一些复杂零件，生产率可提高十几倍甚至几十倍等等。

(4)数控机床加工一般借用通用夹具，几乎不需要专用的工装夹具，只需更换零件的加工程序，即可实现零件的加工，缩短生产周期;

(5)节省时间、厂房面积;

(6)加速资金周转，提高经济效益;

(7)减轻劳动强度;

(8)实现精确的成本核算、生产进度安排。

2、数控机床与普通机床的性能比较列表

四、数控机床的组成(重点)

数控机床可以分为两大部分：CNC系统和机床主机(包括辅助装置)

(一)CNC系统

CNC系统由程序、输入输出(I / O)设备、CNC装置及主轴、进给控制单元组成。

1、CNC 装置是 CNC 系统的核心，它由三部分组成，即计算机(包括硬件和软件)、可编程序控制器(PLC)和接口电路。

零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。

2、输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、显示、打印等。

3、在数控机床中，有主轴驱动系统和进给驱动系统。

主轴驱动装置由主轴控制单元、交直流主轴电动机与速度检测元件组成。

进给驱动装置由进给控制单元、进给伺服电动机与检测元件组成。

(二)主机

主机是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。

数控机床的机械结构具以下一些特点：

1、高刚度和高抗振性

2、小的机床热变形

3、高效率、无间隙、低摩擦传动

4、简化的机械传动结构

采用高性能、宽调速范围的交直流主轴电动机和伺服电动机，使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，提高传动精度和可靠性。

(三)辅助装置

必要的辅助装置包括：电器、液压、气动元件及系统;冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等装置;交换工作台，数控转台，数控分度头;刀具及其监控检测装置等。

五、数控机床的分类

(一)按照能够控制刀具与工件间相对运动的轨迹分类

1、点位控制(或位置控制)数控机床

2、轮廓控制数控机床

(二)按照伺服驱动系统的控制方式分类

自动控制有闭环控制和开环控制两种基本控制方式。

1、闭环控制数控机床

这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。

2、开环控制数控机床

这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经传动机构带动工作台移动。

3、半闭环控制数控机床

将检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头，则为半闭环控制数控机床。

(三)按照加工方式分类

1、金属切削类

2、金属成型类

3、特种加工类

4、其他类。

(四)按照CNC装置的功能水平分类

按照CNC装置的功能水平可大致把数控机床分为高、中、低(经济型)三档。

六、数控机床的再生改造(重点)

数控机床技术改造应该考虑的问题：

1、正确估计待改造的数控机床的价值

主要机械大件(如床身、立柱、主轴箱等)的使用寿命可达10年以上

数控系统的使用寿命可达10年

一些频繁运动的驱动部件(如滚动丝杠副)可保持运动精度约为5年

易损电器元件(如行程开关)的使用寿命只有2年左右

一个标准型的数控系统在制造厂生产出来，其寿命约为5-6年

(1)在再生改造时，必须仔细分析哪些部分可以利用，哪些部分必须更新，剩余价值还有多少。一般要求可利用的部分其剩余价值不应低于总价值的1/3。

(2)剩余价值较大的通常是机械部分及配套附件，数控系统往往都需要更新。

2、设备技术改造应该力求投资不超过同类新设备购置费的40～60%

3、再生改造应该全面配套，避免只进行局部改造

在改造方案中，必须对机床各主要部件的工作寿命进行综合平衡，技术参数要相互匹配。

4、设备改造要根据企业的生产需要、自身的经济能力，确定合理的科学的再生改造目标，而不要盲目追求一流水平

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