什么是數控技術、數控機床,一次講清楚!

數控技術與數控

數控技術,簡稱數控(Numerical Control—NC),是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現代數控都采用了計算機進行控制,因此,也可以稱為計算機數控(Computerized Numerical Control—CNC)。

為了對機械運動及加工過程進行數字化信息控制,必須具備相應的硬件和軟件。用來實現數字化信息控制的硬件和軟件的整體成為數控系統(Numerical Control System),數控系統的核心是數控裝置(Numerical Controller)。

采用數控技術進行控制的機床,稱為數控機床(NC機床)。它是一種綜合應用了計算機技術、自動控制技術、精密測量技術和機床設計等先進技術的典型機電一體化產品,是現代制造技術的基礎。控制機床也是數控技術應用最早、最廣泛的領域,因此,數控機床的水平代表了當前數控技術的性能、水平和發展方向。

數控機床種類繁多,有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數控機床等等,凡是采用了數控技術進行控制的機床統稱為NC機床。

帶有自動換刀裝置ATC(Automatic Tool Changer—ATC)的數控機床(帶有回轉刀架的數控車床除外)稱為加工中心(Machine Center—MC)。它通過刀具的自動交換,工件可以一次裝、夾完成多工序的加工,實現了工序集中和工藝的復合,從而縮短了輔助加工時間,提高了機床的效率;減少了工件安裝、定位次數,提高了加工精度。加工中心是目前數控機床中產量最大、應用最廣的數控機床。

在加工中心的基礎上,通過增加多工作臺(托盤)自動交換裝置(Auto Pallet Changer—APC)以及其他相關裝置,組成的加工單元稱為柔性加工單元(Flexible Manufacturing Cell—FMC)。FMC不僅實現了工序的集中和工藝的復合,而且通過工作臺(托盤)的自動交換和較完善的自動監測、監控功能,可以進行一定時間的無人化加工,從而進一步提高了設備的加工效率。FMC既是柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System)的基礎,又可以作為獨立的自動化加工設備使用,因此其發展速度較快。

在FMC和加工中心的基礎上,通過增加物流系統、工業機器人以及相關設備,并由中央控制系統進行集中、統一控制和管理,這樣的制造系統稱為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System)。FMS不僅可以進行長時間的無人化加工,而且可以實現多品種零件的全部加工和部件裝配,實現了車間制造過程的自動化,它是一種高度自動化的先進制造系統。

隨著科技發展,為了適應市場需求多變的形勢,對現代制造業來說,不僅需要發展車間制造過程的自動化,而且要實現從市場預測、生產決策、產品設計、產品制造直到產品銷售的全面自動化。將這些要求綜合、構成的完整的生產制造系統,稱為計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS)。CIMS將一個更長的生產、經營活動進行了有機的集成,實現了更高效益、更高柔性的智能化生產,是當今自動化制造技術發展的最高階段。在CIMS中,不僅是生產設備的集成,更主要的是以信息為特征的技術集成和功能集成。計算機是集成的工具,計算機輔助的自動化單元技術是集成的基礎,信息和數據的交換及共享是集成的橋梁,最終形成的產品,可以看成是信息和數據的物質體現。

數控系統及其組成

數控系統的基本組成

數控系統是所有數控設備的核心。數控系統的主要控制對象是坐標軸的位移(包括移動速度、方向、位置等),其控制信息主要來源于數控加工或運動控制程序。因此,作為數控系統的最基本組成應包括:程序的輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動這三部分。

輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置的作用是進行數控加工或運動控制程序、加工與控制數據、機床參數以及坐標軸位置、檢測開關的狀態等數據的輸入、輸出。鍵盤和顯示器是任何數控設備都必備的最基本的輸入/輸出裝置。此外,根據數控系統的不同,還可以配光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。作為外圍設備,計算機是目前常用的輸入/輸出裝置之一。
數控裝置數控裝置是數控系統的核心。它由輸入/輸出接口線路、控制器、運算器和存儲器等部分組成。數控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數據,通過內部的邏輯電路或控制軟件進行編譯、運算和處理,并輸出各種信息和指令,以控制機床的各部分進行規定的動作。

在這些控制信息和指令中,最基本的是坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量指令。它經插補運算后生成,提供給伺服驅動,經驅動器放大,最終控制坐標軸的位移。它直接決定了刀具或坐標軸的移動軌跡。

此外,根據系統和設備的不同,如:在數控機床上,還可能有主軸的轉速、轉向和起、停指令;刀具的選擇和交換指令;冷卻、潤滑裝置的起、停指令;工件的松開、夾緊指令;工作臺的分度等輔助指令。在數控系統中,它們是通過接口,以信號的形式提供給外部輔助控制裝置,由輔助控制裝置對以上信號進行必要的編譯和邏輯運算,放大后驅動相應的執行器件,帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規定的動作。

伺服驅動伺服驅動通常由伺服放大器(亦稱驅動器、伺服單元)和執行機構等部分組成。在數控機床上,目前一般都采用交流伺服電動機作為執行機構;在先進的高速加工機床上,已經開始使用直線電動機。另外,在20世紀80年代以前生產的數控機床上,也有采用直流伺服電動機;對于簡易數控機床,也有用作為執行器件。伺服放大器的形式決定于執行器件,它必須與驅動電動機配套使用。
以上是數控系統最基本的組成部分。隨著數控技術的發展和機床性能水平的提高,對系統的功能要求也日益增強,為了滿足不同機床的控制要求,保證數控系統的完整性和統一性,并方便用戶使用,常用較為先進的數控系統,一般都帶有內部可編程控制器作為機床的輔助控制裝置。此外,在金屬切削機床上,主軸驅動裝置也可以成為數控系統的一個部分;在閉環數控機床上,測量、檢測裝置也是數控系統必不可少的。對于先進的數控系統,有時甚至采用計算機作為系統的人機界面和數據的管理、輸入/輸出設備,從而使數控系統的功能更強、性能更完善。

總之,數控系統的組成決定于控制系統的性能和設備的具體控制要求,其配置和組成具有很大的區別,除加工程序的輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動這三個最基本的組成部分外,還可能有更多的控制裝置。圖1-1的虛線框部分表示計算機數控系統。

NC、CNC、SV與PLC的概念

NC(CNC)、SV與PLC(PC、PMC)是數控設備中最為常用的英文縮寫,在實際使用中,在不同的場合具有不同的含義。

NC(CNC)NC與CNC分別是數控(Numerical Control)與計算機數控(Computerized Numerical Control)的常用英文縮寫。由于現代數控都采用了計算機控制,因此,可以認為NC和CNC的含義完全等同。在工程應用上,根據使用場合的不同,NC(CNC)通常有三種不同的含義:在廣義上代表一種控制技術——數控技術;在狹義上代表一種控制系統的實體——數控系統;此外,還可以代表一種具體的控制裝置——數控裝置。

SVSV是伺服驅動(Servo Drive,簡稱伺服)的常用英文縮寫。按日本JIS標準規定的術語,它是“以物體的位置、方向、狀態作為控制量,追蹤目標值的任意變化的控制機構”。簡言之,它是一種能夠自動跟隨目標位置等物理量的控制裝置。
在數控機床上,伺服驅動的作用主要有兩個方面:一是使坐標軸按照數控裝置給定的速度運行;二是使坐標軸按照數控裝置給定的位置定位。

伺服驅動的控制對象通常是機床坐標軸的位移和速度;執行機構是伺服;對輸入指令信號進行控制和功率放大的部分常稱為伺服放大器(亦稱為驅動器、放大器、伺服單元等),它是伺服驅動的核心。

伺服驅動不僅可以和數控裝置配套使用,而且還可以單獨作為一個位置(速度)隨同系統使用,故也常稱為伺服系統。在早期的數控系統上,位置控制部分一般與CNC制成一體,伺服驅動只進行速度控制,因此,伺服驅動又常稱為速度控制單元。

PLCPC是可編程序控制器(Programmable Controller)的英文縮寫。隨著個人計算機的日益普及,為了避免和個人計算機(亦稱PC)混淆,現在一般都將可編程序控制器稱為可編程序邏輯控制器(Programmalbe Logic Controller——PLC)或可編程序機床控制器(Programmable Machine Controller——PMC)。因此,在數控機床上,PC、PLC、PMC具有完全相同的含義。
PLC具有響應快、性能可靠、使用方便、編程和調試容易等特點,并可直接驅動部分機床電器,因此,被廣泛用來作為數控設備的輔助控制裝置。目前,大多數數控系統都帶有內部PLC,用于處理數控機床的輔助指令,從而大大簡化了機床的輔助控制裝置。此外,在很多場合,通過PLC的軸控制模塊、定位模塊等特殊功能模塊,還可以直接利用PLC,實現點位控制、直線控制以及簡單的輪廓控制,組成數控專用機床或數控生產線。

數控機床的組成與加工原理

數控機床的基本組成

數控機床是最典型的數控設備。為了了解數控機床的基本組成,首先需要分析數控機床加工零件的工作過程。在數控機床上,為了進行零件的加工,可以通過如下步驟進行:

據被加工零件的圖樣與工藝方案,用規定的代碼和程序格式,將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數、切削用量等編寫成數控系統能夠識別的指令形式,即編寫加工程序。

將所編寫的加工程序輸入數控裝置。

數控裝置對輸入的程序(代碼)進行譯碼、運算處理,并向各坐標軸的伺服驅動裝置和輔助機能控制裝置發出相應的控制信號,以控制機床的各部件的運動。

在運動過程中,數控系統需要隨時檢測機床的坐標軸位置、行程開關的狀態等,并與程序的要求相比較,以決定下一步動作,直到加工出合格的零件。

操作者可以隨時對機床的加工情況、工作狀態進行觀察、檢查,必要時還需要對機床動作和加工程序進行調整,以保證機床安全、可靠的運行。

由此可知,作為數控機床的基本組成,它應包括:輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動和反饋裝置、輔助控制裝置以及機床本體等部分(如圖1-1所示)。

圖1—1數控機床的組成
圖1—1中的虛線框部分統稱為數控系統,實現對機床主機的加工控制。目前數控系統大部分采用計算機數控(即CNC),圖中的輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動和反饋裝置構成的機床數控系統,作用在上面已經敘述。下面再簡要介紹其他組成部分。

測量反饋裝置它是閉環(半閉環)數控機床的檢測環節,其作用是通過現代化的測量元件:脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺和激光測量儀等,將執行元件(如、刀架等)或工作臺等的實際位移的速度和位移量檢測出來,反饋回伺服驅動裝置或數控裝置,并補償進給的速度或執行機構的運動誤差,以達到提高運動機構精度的目的。檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置,決定于數控系統的結構形式,伺服內裝式脈沖編碼器、測速機以及直線光柵等都是較常用的檢測部件。

由于先進的伺服都采用了數字式伺服驅動技術(稱為數字伺服),伺服驅動和數控裝置間一般都采用總線進行連接;反饋信號在大多數場合都是與伺服驅動進行連接,并通過總線傳送到數控裝置。只有在少數場合或采用模擬量控制的伺服驅動(俗稱模擬伺服)時,反饋裝置才需要直接和數控裝置進行連接。

輔助控制機構、進給傳動機構它是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制部件。其主要作用是接受數控裝置輸出的主軸轉速、轉向和啟停指令;刀具選擇交換;冷卻、潤滑裝置的啟停指令;工件和機床部件的松開、夾緊工作臺轉位等輔助指令信號,以及機床上檢測開關的狀態等信號,經必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執行元件,帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規定的動作。它通常由PLC和強電控制回路構成,PLC在結構上可以與CNC一體化(內置式PLC),也可以相對獨立(外置式PLC)。

機床本體就是數控機床的機械結構件,也是由主傳動系統、進給傳動系統、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置、排屑、防護系統等部分組成。但為了滿足數控的要求,充分發揮機床性能,它在總體布局、外觀造型、傳動系統結構、刀具系統以及操作性能方面都已發生了很大的變化。機床機械部件包括床身、箱體、立柱、導軌、工作臺、主軸、進給機構、刀具交換機構等。

數控加工的原理

在傳統的金屬切削機床上,加工零件時需要操作者根據圖樣的要求,通過不斷改變刀具的運動軌跡和運動速度等參數,使刀具對工件進行切削加工,最終加工出合格零件。

數控機床的加工,其實質是應用了“微分”原理。其工作原理與過程可以簡述如下
數控裝置根據加工程序要求的刀具軌跡,將軌跡按機床對應的坐標軸,以最小移動量(脈沖當量)進行微分(圖1-2中的△X、△Y),并計算出各坐標軸需要移動的脈沖數。

通數控裝置的“插補”軟 件或“插補”運算器,把要求的軌跡用以“最小移動單位”為單位的等效折線進行擬合,并找出最接近理論軌跡的擬合折線。

③數控裝置根據擬合折線的軌跡,給相應的坐標軸連續不斷地分配進給脈沖,并通過伺服驅動使機床坐標軸按分配的脈沖運動。
由上可見:第一,只要數控機床的最小移動量(脈沖當量)足夠小,所用的擬合折線就可以等效代替理論曲線。第二,只要改變坐標軸的脈沖分配方式,即可以改變擬合折線的形狀,從而達到改變加工軌跡的目的。第三,只要改變分配脈沖的頻率,即可改變坐標軸(刀具)的運動速度。這樣就實現了數控機床控制刀具移動軌跡的根本目的。

以上根據給定的數學函數,在理想軌跡(輪廓)的已知點之間,通過數據點的密化,確定一些中間點的方法,稱為插補。能同時參與插補的坐標軸數,稱為聯動軸數。顯然,當數控機床的聯動軸數越多,機床加工輪廓的性能就越強。因此,聯動軸的數量是衡量數控機床性能的重要技術指標。

 

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