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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

数控即数字控制，即NC(Numerical Control)。

计算机数控，Computerized Numerical Control，简写为CNC。

二、数控机床的发展

数控机床产生于1952年，美国麻省理工学院

三、数控机床是如何加工零件的

将工件的形状尺寸以及加工过程所需的各种操作(如主轴变速、刀具选择、冷却液供给、进给、起停等)用程序表示。

由数控装置对输入的信息进行处理和运算，按照零件加工程序的要求控制机床伺服驱动系统，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，只要更换程序即可。

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，就可以根据给定的数字函数，如线性函数、圆函数或高次曲线函数，在曲线的起点和终点之间进行数据点的密化，确定一些中间点，从而加工出给定的曲线轮廓，这种方法称为插补。

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：

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;

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。

要实现数控加工必须：

⑴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;

⑵具有能够快速响应,并具有足够功率的伺服驱动装置;

⑶具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。

四、为什么要发展、使用数控机床

优点：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;数控机床按预先编写的零件加工程序自动加工，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;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。总之数控机床特点高效率，高精度，柔性好

表5-1 数控机床与普通机床的性能比较表

序号	项目	数控机床	普通机床
1	加工异型复杂零件的能力	强	弱
2	改变加工对象的柔性程度	高	低
3	加工零件质量和加工精度	高	低
4	加工效率	高	低
5	设备利用率	高	低
6	产品优化设计与CAD（计算机辅助设计）连接功能	高	低
7	前期投资	高	低
8	对操作人员素质的要求	高	低
9	对生产计划、生产准备和生产调度的要求	高	低
10	运行费	低	高
11	维修技术与维修费	高	低
12	对不合格产品再加工（即回用）的费用	低	高

五、数控机床的组成

数控机床分成两大部分，即CNC系统和机床主机(包括辅助装置)。

图5-1 数控机床组成框图

(一)CNC系统

由程序、输入输出(I / O)设备、CNC装置、主轴驱动单元及进给驱动单元组成。

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

零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。

输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。

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

数控机床也有普通机床都具有的床身、立柱、主轴、工作台等关键部件，但在设计上已有很大变化。为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其机械结构具以下一些特点：

1.高刚度和高抗振性。提高机床静刚度和固有频率，改进机床结构的阻尼特性是提高机床动刚度和抗振性的有效方法。

通过机床结构、筋板的合理布局，例如加大主轴的支承轴径，缩短主轴端部的受力悬伸段，床身采用钢板焊接结构等方法来提高刚度;采用新材料，特殊结构也可以提高动刚度和抗振能力。

2.减小机床热变形。为了减小热变形，常采取以下措施：采用热对称结构及热平衡措施;对于发热部件(如主轴箱、静压导轨液压油等)采取散热、风冷、液冷等控制温升;对切削部位采取强冷措施;专门采用热位移补偿，即预测热变形规律，建立数学模型，存入计算机，来进行实时补偿。

3.采用滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠、塑料滑动导轨等高效率、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

为了保证数控机床正常运行、功能充分发挥，必须配备必要的辅助装置，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。

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