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第五章　數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人

第一節(jié)　數(shù)控機(jī)床

一、什么是數(shù)控機(jī)床

數(shù)控即數(shù)字控制，即NC(Numerical Control)。

計(jì)算機(jī)數(shù)控，Computerized Numerical Control，簡(jiǎn)寫為CNC。

二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生于1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院

三、數(shù)控機(jī)床是如何加工零件的

將工件的形狀尺寸以及加工過程所需的各種操作(如主軸變速、刀具選擇、冷卻液供給、進(jìn)給、起停等)用程序表示。

由數(shù)控裝置對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理和運(yùn)算，按照零件加工程序的要求控制機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件加工。當(dāng)被加工工件改變時(shí)，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只要更換程序即可。

在進(jìn)行曲線輪廓加工時(shí)，只要知道曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度等，就可以根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，如線性函數(shù)、圓函數(shù)或高次曲線函數(shù)，在曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)，從而加工出給定的曲線輪廓，這種方法稱為插補(bǔ)。

插補(bǔ)算法是數(shù)控加工技術(shù)中的一個(gè)基本問題。

目前常用的插補(bǔ)算法有兩大類：

以脈沖形式輸出的脈沖增量法，它適合于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);

以數(shù)字量形式輸出的數(shù)字增量法，它適合于以交、直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的閉環(huán)(或半閉環(huán))伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工必須：

⑴具有一個(gè)既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)時(shí)地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令的數(shù)字計(jì)算機(jī)，即控制裝置;

⑵具有能夠快速響應(yīng),并具有足夠功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置;

⑶具有能夠滿足上述加工方式的機(jī)床主機(jī)，輔助裝置和刀具。

四、為什么要發(fā)展、使用數(shù)控機(jī)床

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床可以加工出普通機(jī)床難以加工或不能加工的復(fù)雜型面;數(shù)控機(jī)床按預(yù)先編寫的零件加工程序自動(dòng)加工，加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正和補(bǔ)償，因此可以獲得高的加工精度和重復(fù)精度;與普通機(jī)床加工相比，在數(shù)控機(jī)床上加工可提高生產(chǎn)率2～3倍，對(duì)于一些復(fù)雜零件，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍等等?？傊?dāng)?shù)控機(jī)床特點(diǎn)高效率，高精度，柔性好

表5-1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的性能比較表

五、數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床分成兩大部分，即CNC系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)(包括輔助裝置)。

圖5-1 數(shù)控機(jī)床組成框圖

(一)CNC系統(tǒng)

由程序、輸入輸出(I / O)設(shè)備、CNC裝置、主軸驅(qū)動(dòng)單元及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元組成。

CNC 裝置是 CNC 系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)(包括硬件和軟件)、可編程控制器(PLC)和接口電路，三部分組成。

零件加工程序是CNC系統(tǒng)的重要組成部分。

輸入輸出設(shè)備主要用于零件加工程序的編制、存儲(chǔ)、打印、顯示等。

在數(shù)控機(jī)床中，有主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

主軸驅(qū)動(dòng)裝置由主軸控制單元、交直流主軸電動(dòng)機(jī)與速度檢測(cè)元件組成。

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置由進(jìn)給控制單元、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)與檢測(cè)元件組成。

(二)主機(jī)

數(shù)控機(jī)床也有普通機(jī)床都具有的床身、立柱、主軸、工作臺(tái)等關(guān)鍵部件，但在設(shè)計(jì)上已有很大變化。為了滿足數(shù)控機(jī)床高自動(dòng)化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其機(jī)械結(jié)構(gòu)具以下一些特點(diǎn)：

1.高剛度和高抗振性。提高機(jī)床靜剛度和固有頻率，改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性是提高機(jī)床動(dòng)剛度和抗振性的有效方法。

通過機(jī)床結(jié)構(gòu)、筋板的合理布局，例如加大主軸的支承軸徑，縮短主軸端部的受力懸伸段，床身采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等方法來(lái)提高剛度;采用新材料，特殊結(jié)構(gòu)也可以提高動(dòng)剛度和抗振能力。

2.減小機(jī)床熱變形。為了減小熱變形，常采取以下措施：采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施;對(duì)于發(fā)熱部件(如主軸箱、靜壓導(dǎo)軌液壓油等)采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升;對(duì)切削部位采取強(qiáng)冷措施;專門采用熱位移補(bǔ)償，即預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，存入計(jì)算機(jī)，來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

3.采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠、塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌等高效率、無(wú)間隙、低摩擦傳動(dòng)。

4.簡(jiǎn)化的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用高性能、寬調(diào)速范圍的交直流主軸電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，使主軸箱、進(jìn)給變速箱及其傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，提高傳動(dòng)精度和可靠性。

(三)輔助裝置

為了保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行、功能充分發(fā)揮，必須配備必要的輔助裝置，包括：電器、液壓、氣動(dòng)元件及系統(tǒng);冷卻、排屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等裝置;交換工作臺(tái)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，數(shù)控分度頭;刀具及其監(jiān)控檢測(cè)裝置等。

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（責(zé)任編輯：中大編輯）

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