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完整word版数控技术习题

数控技术——大作业

班级：

机制122

姓名：

徐兴隆

学号：

2012012830

数控机床的基本组成及基本功能 

一、机床本体  

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。

这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床

二、输入装置  

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。

根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采

用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从

内 部存储器中逐段逐段调出进行加工。

三、数控装置  

数控装置是数控机床的核心。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。

但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元  

件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

四、驱动装置和位置检测装置  

    驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面

质量和生产率的重要因素之一。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

五、辅助控制装置  

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

六、程序编制及程序载体  

    数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。

得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。

编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设

  计编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数  

控装置的设计类型。

数控机床发展趋势

数控机床是先进制造技术的核心。

高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是现代数控机床的发展主流。

数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

现代数控机床技术是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。

技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。

1　高速化、高精度化、高可靠性加工技术的发展趋势

1.1　数控机床高速化

随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用,高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。

应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术,优化机床结构,采用高性能功能部件,移动部件轻量化,减少运动惯性。

高速加工是一个系统工程,它需要各方面的配合以形成完整的高速切削工艺,如切削刀具、冷却润滑介质和CAD/CAM系统等,甚至还包括合适的工件形状。

与普通机床相比,高速加工采用全新的加工工艺,从刀具、切削参数到走刀路径的选择及程序的编制都不同于传统的加工。

它在提高工件加工质量和效率、降低加工成本方面的优势是显而易见的。

以模具加工为例,高速加工的模具的生产周期缩短至少60%,成本下降40%。

并且高速加工的模具较之电火花加工的模具表面质量更佳,使用寿命更长。

同时,高速加工切削力大副下降,配用合适的刀具可以实现一些传统方法难以实现的加工,如难切削材料（淬硬钢、石墨、钛合金）的加工、一些微小结构（小孔、细槽）的铣削加工、薄壁类零件的加工等。

数控机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动,以及机床结构的优化和轻量化。

高速加工不仅是设备本身,而是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术,以及人员素质的集成。

高速化的最终目地是高效化,应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间,从而实现加工制造的高质量和高效率。

1.2　数控机床高精度化

通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术,从而提高机床加工的几何精度、运动精度,减少形位误差、表面粗糙度。

从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工）,是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级（<10nm）,其应用范围日趋广泛。

超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。

随着现代科学技术的发展,对超精密加工技术不断提出了新的要求。

新材料及新零件的出现,更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺,发展新型超精密加工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。

当前,机械加工高精度的要求如下:

普通的加工精度提高了一倍,达到5微米;精密加工精度提高了两个数量级,超精密加工精度进入纳米级（0.001微米）,主轴回转精度要求达到0.01～0.05微米,加工圆度为0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性,减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。

随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。

1.3　数控机床高可靠性

国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项,正在逐步实施,对数控装备（数控机床、数控系统和功能部件）的可靠性技术研究以及产品可靠性提升和考核给予高度关注。

重大专项中共性技术课题的第一项就是“可靠性设计与性能试验技术”,其研究目标明确指出:

“提供在数控机床、重型装备、数控系统及功能部件上能付诸应用的可靠性设计方法、试验分析方法和精度保持措施,在高速、精密数控机床、重型装备、数控系统及主要功能部件上验证应用”。

在研究内容和考核指标中提出可靠性评价方法和评价指标以及可靠性增长的要求,“使本专项支持的一种或多种数控机床主机平均无故障时间（MTBF）达到900小时”。

数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上。

对于每天工作两班的无人工厂,要求16小时内连续正常工作,无故障率P（t）=99%,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF必须大于3000小时。

主机与数控系统的失效率之比为10:

1（数控的可靠比主机高一个数量级）,则数控系统的MTBF就要大于33333.3小时,其中数控装置、主轴及驱动等的MTBF必须大于10万小时。

当前数控装置的MTBF值已达6000小时以上,驱动装置达30000小时以上。

数控机床的可靠性涉及到生产厂的设计、制造、装配、供应和售后服务等厂内各部门,涉及到配套件、外协件的供应厂商,还涉及到机床用户,这是一项需要多个部门共同努力的系统工程。

2　复合化、智能化、柔性化加工技术的发展趋势

2.1　数控机床复合化

复合加工进入新的阶段,已经超过一般车、铣、钻等加工工序的复合,进一步扩大到内外圆磨削、齿面加工以及表面处理等复合。

如:

日本天田公司展示的WASINOMi18五轴联动磨床,可进行磨、车、铣复合加工,机器人更换工件。

该机床具有六大特点:

机床设计新颖、人性化,拟人性好;五轴联动磨削;驱动轴与主轴距离短,刚性高;主轴转速20000r/min、工件转速8000r/min;可以最短距离快速加工根部;新的计算机数控系统,可进行复杂型面的加工。

数控机床的功能复合化的发展,其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序,包括工序复合型—车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合,跨加工类别技术复合—金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等,目前已由机加工复合发展到非机加工复合,复合加工的精度和效率大大提高。

“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,复合加工机床发展正呈现多样化的态势。

3.2　数控机床智能化

数控机床智能化包含在线测量,监控和补偿。

智能机床的开发,是在纳米化、高速化、复合化、五轴联动化等浪潮之后的一个新的发展,为今后进一步研究开发适应控制、FMS、CIM、CIMS创造了更多有利的条件,为将来发展工厂自动化具有很大的影响和促进作用。

数控机床智能化技术主要有:

（1）自动抑制振动的功能。

在高速加工过程中,机床容易出现振动,刀具也易于磨损。

该机能自动抑制振动,大大提高了加工精度。

（2）自动测量和自动补偿功能。

减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响,使机床加工精度大大提高。

（3）自动防止刀具和工件碰撞的功能。

大大减少突发事故,提高机床工作的可靠性。

（4）自动补充润滑油和抑制噪音的功能。

大大改善工作条件。

（5）数控系统具有特殊的人机对话功能。

在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等,进一步提高了切削效率。

（6）机床故障能进行远距离诊断。

智能化技术提升了数控机床的功能和品质,数控机床智能化的发展前景,非常广阔。

它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标,也是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。

3　数控机床柔性化、集成化

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。

机器人使柔性化组合效率更高,机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用,使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。

机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。

另一方面向注重应用性和经济性方向发展,主要有:

（1）以提高系统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标。

（2）注重加强单元技术的开拓、完善,CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。

（3）数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展。

（4）网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

3　开放性加工技术的发展趋势

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求,重要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智能化、网络化方向大大发展。

例如,美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC,欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”，NGC的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的,通过虚拟机械把子系统和模块链接到计算机平台上。

新一代数控系统的开发核心是开放性,控系统的开放是大势所趋。

开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统,采用模块化,层次化的结构,并通过形式向外提供统一的应用程序接口。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

开放式数控系统形式有主要有:

（1）全开放系统:

即基于微机的数控系统,以微机作为平台,采用实时操作系统,开发数控系统的各种功能,通过伺服卡传送数据,操纵坐标轴电动机的运动。

（2）嵌入系统:

即CNC+PC,CNC操纵坐标轴电动机的运动,PC作为人机界面和互联网通信。

（3）融合系统:

在CNC的基础上增加PC主板,提供键盘操作,提高人机界面功能,如Siemens840Di和Fanuc210i。

4　网络化、信息化加工技术的发展趋势

4.1　数控机床网络化

随着柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）的发展,数控机床网络化建设已是现代制造业发展的一个大趋势。

网络化数控装备是近年的一个新的焦点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。

数控机床网络系统包括:

（1）网络服务器。

（2）局域网线。

（3）CAD/CAM计算机。

（4）CNCLINK-4.0管理系统。

（5）联网系统主控机。

（6）远程通讯接口。

（7）通讯电缆。

（8）数控机床。

其中网络服务器、局域网线、CAD/CAM系统和数控机床是企业已存在的资源。

系统管理机是一台安装了联网专用软件的工业级PC计算机,可以将客户管理端软件安装在局域网的任何一台计算机上作为管理工作站。

联网系统管理机是一台专用计算机,其作用是接受各工作站的调度,向网络上所有数控机床发送指令,实现机床信息的统一管理。

远程通讯接口设备是专用于主控机与机床间通讯的多串口分配器,其特点是可实现远距离传输而无信号损失。

通讯电缆是普通4芯屏蔽电缆,两端加光电隔离器以避免干扰信号。

随着网络技术日益普遍运用,互联网进入车间只是时间问题,这将是数字化制造的主要标志。

4.2　数控机床信息化

从数控技术的发展趋势来看,CAM（计算机辅助制造）与CNC（数控机床）的集成可以为最终的用户带来效益,是一大趋势。

当然,从更加长远的方向来看,CNC系统、运动控制系统、自动化驱动系统这三大自动系统在统一的驱动平台下工作也是数控技术的发展趋势。

数控机床信息化的典型案例是Mazak410H,该机床配备有信息塔,实现了工作地的自主管理。

信息塔具有语音、文本和视像等通讯功能。

与生产计划调度系统联网,下载工作指令和加工程序。

工件试切时,可在屏幕上观察加工过程。

信息塔实时反映机床工作状态和加工进度,并可以通过手机查询。

信息塔同时进行工作地数据统计分析和刀具寿命管理,以及故障报警显示、在线辅助排除。

机床操作权限需经指纹确认。

5　绿色机床技术的发展趋势

绿色机床提出一种全新的概念,大幅减少机床重量,节省材料,同时降低机床使用时的能源消耗。

绿色机床关注数控机床与环境和人的关系,强调节能减排,确保在大幅度提高机床生产效率的同时降低生产系统对环境的负荷以及对操作者健康的危害。

因此,绿色机床具有以下几大特点:

（1）机床主要零部件由再生材料制造。

（2）机床的重量和体积减少50%以上。

（3）通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30%～40%。

（4）使用过程中产生的各种废弃物减少50%～60%,保证基本没有污染的工作环境。

（5）报废后机床的材料100%可回收。

据统计,目前机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25%左右,各种损耗和辅助功能占去大部分。

机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床。

传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度,提高刚度就必须增加机床重量”。

因此,现有机床重量的80%用于保证机床的刚度,而只有20%用于满足机床运动学的需要。

绿色机床就是要在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量,达到省材、节能的目的。

参考文献

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