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数控机床的产生4 M6 Y( k- C1 g+ t
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社会需求是推动生产力发展最有力的因素。二十世纪四十年代以来,由于航空航天技术的飞速发展,对于各种飞行器的加工提出了更高的要求,这些零件大多形状非常复杂,材料多为难加工的合金。用传统的机床和工艺方法进行加工,不能保证精度,也很难提高生产效率。为了解决零件复杂形状表面的加工问题,1952年,美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来,数控技术得到了迅猛的发展,加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六个时代:& B+ X: ~# V( D* U
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(1)数控(NC)阶段(1952年~1970年)
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G2 _, ?. Z' c 早期的计算机运算速度低,不能适应机床实时控制的要求,人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统,这就是硬件连接数控,简称数控(NC)。随着电子元器件的发展,这个阶段经历了三代,即1952年的第一代——电子管数控机床,1959年的第二代——晶体管数控机床,1965年的第三代——集成电路数控机床。( j i2 i U3 j; K# [0 W& a
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(2)计算机数控(CNC)阶段(1970年~现在)' \- e7 c6 B. n
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1970年,通用小型计算机已出现并投入成批生产,人们将它移植过来作为数控系统的核心部件,从此进入计算机数控阶段。这个阶段也经历了三代,即1970年的第四代——小型计算机数控机床,1974年的第五代——微型计算机数控系统,1990年的第六代——基于PC的数控机床。
& f" C0 f9 {# Z) X/ k. I! G S 随着微电子技术和计算机技术的不断发展,数控技术也随之不断更新,发展非常迅速,几乎每5年更新换代一次,其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。
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2.数控机床的发展趋势) o; Y: [0 U* Q4 X" q
8 F( e! t, C6 \* {# V 数控机床的出现不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势:
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(1)高速度高精度化1 z- M. J" [% H3 T" X u6 |
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速度和精度是数控机床的两个重要技术指标,它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控机床,高速度化首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后,能高速度处理并计算出伺服电机的位移量,并要求伺服电机高速度地做出反应。此外,要实现生产系统的高速度化,还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件也要实现高速度化。 " t/ c/ v. D0 ]
提高数控机床的加工精度,一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少数控系统误差方面,一般采取三种方法:①提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给;②提高位置检测精度;③位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。在采用补偿技术方面,除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外,还采用了热变形补偿技术。, c; H! q% H2 k2 A) C1 g
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(2)多功能化. o8 B, t9 d1 Y- z D6 T; t4 O
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一机多能的数控机床,可以最大限度地提高设备的利用率。如数控加工中心(Machining Center——MC)配有机械手和刀具库,工件一经装夹,数控系统就能控制机床自动地更换刀具,连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工,从而避免多次装夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工夹具和操作人员,节省了占地面积和辅助时间。为了提高效率,新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。例如,采取多系统混合控制方式,用不同的切削方式(车、钻、铣、攻螺纹等)同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴数多达15轴,同时联动的轴数已达到6轴。
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(3)智能化
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, z( @! i& p/ [ B5 {" X i, k7 q 数控机床应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面:
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①引进自适应控制技术
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自适应控制技术(Adaptive Control——AC)的目的是要求在随机的加工过程中,通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性,按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数,以达到或接近最佳工作状态。通常数控机床是按照预先编好的程序进行控制,但随机因素,如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确保质量,势必在编程时采用较保守的切削用量,从而降低了加工效率。AC系统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量,并由CPU进行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信号,确保AC处于最佳的切削用量状态,从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门用于特种材料的加工。1 C+ T9 z7 {2 N+ g1 l7 e" R
. Z( d1 l& S. c6 k- S1 g4 c ②附加人机会话自动编程功能( y. P- x2 V3 n+ I: k" d
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建立切削用量专家系统和示教系统,从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。: F1 H2 b- `/ }5 p0 G' q
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③具有设备故障自诊断功能 \' {- V# t& k7 I9 y
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数控系统出了故障,控制系统能够进行自诊断,并自动采取排除故障的措施,以适应长时间无人操作环境的要求。; s, i O6 ]1 d$ h; h! ~
8 Q. w9 O6 t9 j' m4 L (4)小型化
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( R+ Y! C% G0 [' N# c 蓬勃发展的机电一体化设备,对数控系统提出了小型化的要求,体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法,使电子元器件得以高密度地安装,大大地缩小了系统的占有空间。此外,它们还采用了新型TFT彩色液晶薄型显示器,使数控系统进一步小型化,这样可更方便地将它们装到机械设备上。6 v; ?8 E/ S6 ~1 T2 T) F
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(5)高可靠性
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数控系统比较贵重,用户期望发挥投资效益,因此要求设备具有高可靠性。特别是对在长时间无人操作环境下运行的数控系统,可靠性成为人们最为关注的问题。提高可靠性,通常可采取如下一些措施:& B" Z- D5 x( b* T+ l6 a
; L6 P% f9 N* d2 p& |) z ①提高线路集成度
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/ {0 V& T# S' u3 ]8 {6 A" o! n9 a7 U# d 采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路,以减少元器件的数量,精简外部连线和减低功耗。
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0 ~, o& d m% b# C) q" B1 ^! T ②建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系
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' U2 K1 Z6 s% v# L3 |8 z: W) l 例如,采取防电源干扰,输入/输出光电隔离;使数控系统模块化、通用化及标准化,以便于组织批量生产及维修;在安装制造时注意严格筛选元器件;对系统可靠性进行全面的检查考核等。通过这些手段,保证产品质量。
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) a9 u! {" i0 U M, g; ^$ _ ③增强故障自诊断功能和保护功能
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6 M" L. r1 l/ o( F- w 由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因,数控机床完全可能出现故障。数控机床一般具有故障自诊断功能,能够对硬件和软件进行故障诊断,自动显示出故障的部位及类型,以便快速排除故障。新型数控机床还具有故障预报、自恢复功能、监控与保护功能。例如,有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能,以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施,现代数控机床的平均无故障时间(MTBF)可达到10000~36000h。 |
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