數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史,經(jīng)過磨練才到今天的科技
發(fā)布日期:2021-05-12
數(shù)字控制機(jī)床:是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令),控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動速度和軌跡進(jìn)行自動加工的機(jī)床,簡稱數(shù)控機(jī)床。
特點:數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性,加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令;加工性能比一般自動機(jī)床高,可以精確加工復(fù)雜型面,因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件,并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多,有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
發(fā)展簡史:1948年,美國帕森斯公司接受美國空軍委托,研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣,精度要求高,一般加工設(shè)備難以適應(yīng),于是提出計算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。
1949年,該公司在美國麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下,開始數(shù)控機(jī)床研究,并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床,不久即開始正式生產(chǎn),于1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破,標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ),這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言,具有劃時代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件,體積龐大,價格昂貴,只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復(fù)雜型面零件;
1959年,制成了晶體管元件和印刷電路板,使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代,體積縮小,成本有所下降;
1960年以后,較為簡單和經(jīng)濟(jì)的點位控制數(shù)控鉆床,和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展,使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。
我國于1958年開始研制數(shù)控機(jī)床,成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,1965年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。
1965年,出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置,不僅體積小,功率消耗少,且可靠性提高,價格進(jìn)一步下降,促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。
60年代末,先后出現(xiàn)了由一臺計算機(jī)直接控制多臺機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱DNC),又稱群控系統(tǒng);采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC),使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機(jī)化為特征的第四代。
1974年,研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱MNC),這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比,數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍,而體積則縮小為原來的1/20,價格降低了3/4,可靠性也得到極大的提高。
80年代初,隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程序的數(shù)控裝置;數(shù)控裝置愈趨小型化,可以直接安裝在機(jī)床上;數(shù)控機(jī)床的自動化程度進(jìn)一步提高,具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。分類經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前的數(shù)控機(jī)床已實現(xiàn)了計算機(jī)控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用,在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。針對車削、銑削、磨削、鉆削和刨削等金屬切削加工工藝及電加工、激光加工等特種加工工藝的需求,開發(fā)了各種門類的數(shù)控加工機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床種類繁多,一般將數(shù)控機(jī)床分為16大類:數(shù)控車床(含有銑削功能的車削中心)數(shù)控銑床(含銑削中心)數(shù)控鏗床以銑程削為主的加工中心。數(shù)控磨床(含磨削中心)、數(shù)控鉆床(含鉆削中心)、數(shù)控拉床、數(shù)控刨床、數(shù)控切斷機(jī)床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床、數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床(含電加工中心)、數(shù)控板村成型加工機(jī)床、數(shù)控管料成型加工機(jī)床其他數(shù)控機(jī)床組成,數(shù)控機(jī)床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算、管理和控制,通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運(yùn)算并對機(jī)床產(chǎn)生作用;伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機(jī)床,把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動部件的運(yùn)動指令,使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運(yùn)動;檢測系統(tǒng)則是用來檢測機(jī)床執(zhí)行件(工作臺、轉(zhuǎn)臺、滑板等)的位移和速度變化量,并將檢測結(jié)果反饋到輸入端,與輸入指令進(jìn)行比較,根據(jù)其差別調(diào)整機(jī)床運(yùn)動;機(jī)床傳動系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動元件至機(jī)床執(zhí)行件之間的機(jī)械進(jìn)給傳動裝置;輔助系統(tǒng)種類繁多,如:固定循環(huán)(能進(jìn)行各種多次重復(fù)加工)、自動換刀(可交換指定刀具)、傳動間隙補(bǔ)償償機(jī)械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙誤差)等等。
數(shù)字控制數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類。點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準(zhǔn)確定位,然后進(jìn)行定點加工,而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準(zhǔn)確定位外,還要控制在這兩點之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控銑床,以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。連續(xù)軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓,數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能,使刀具的運(yùn)動軌跡以小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線,并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度,以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。
伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路,和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度,通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡單,工作穩(wěn)定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部,利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動機(jī)、寬調(diào)速交流電動機(jī)和電液伺服馬達(dá)。
位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu),為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同,只是位置檢測器安裝在工作臺上,可直接測出工作臺的實際位置,故反饋精度高于半閉環(huán)控制,但掌握調(diào)試的難度較大,常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。
閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)與半閉環(huán)相同,位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或長磁柵。關(guān)鍵零部件為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力,數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等,以盡量減小反向間隙。機(jī)床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌,以提高運(yùn)動的平穩(wěn)性并使低速運(yùn)動時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動機(jī),可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速,這就簡化了機(jī)床的傳動機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸,部分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。
大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器的可編程序控制器,以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器,提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和靈活性。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化,具備完善的自診斷功能;可靠性也大大提高;數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。發(fā)展方向未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化,多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來越多;激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上,從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍;數(shù)控機(jī)床的自動化程度更加提高,并具有多種監(jiān)控功能,從而形成一個柔性制造單元,更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。
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