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第二章数控机床的发展
2.1数控系统的发展……………………………………………6
2.2机床的发展趋势……………………………………………6
第三章数控机床的分类
3.1按加工工艺方法分类……………………………………….8
3.1.1金属切削类数控机床…………………………………8
3.1.2特种加工类数控机床…………………………………8
3.1.3板材加工类数控机床…………………………………8
3.2按控制运动轨迹分类………………………………………9
3.2.1点位控制数控机床……………………………………9
3.2.2直线控制数控机床……………………………………9
3.2.3轮廓控制数控机床……………………………………10
3.3按驱动装置的特点分类……………………………………10
3.3.1开环控制数控机床……………………………………10
3.3.2闭环控制数控机床……………………………………11
3.3.3半闭环控制数控机……………………………………12
3.3.4混合控制数控机床……………………………………12
第四章数控机床产生几何误差的因素
4.1普遍认为数控机床的几何误差由以下几方面原因引起……14
4.2几何误差补偿技术……………………………………………15
第五章数控机床维修中应注意事项………………………………17
第六章数控加工安全规则…………………………………………19
结语……………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………21
第一章、数控机床的产生
在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量,单件与小批量生产的零件(批量在10~100件)约占机械加工总量的80%以上。
尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。
为了满足多品种,小批量的自动化生产,迫切需要一种灵活的,通用的,能够适用产品频繁变化的柔性自动化机床。
数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。
它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。
根据国家标准GB/T8129-1997,对机床数字控制的定义:
用数字控制的装置(简称数控装置),在运行过程中,不断地引入数字数据,从而对某一生产过程实现自动控制,叫数字控制,简称数控。
用计算机控制加工功能,称计算机数控(computerizednumerical,缩写CNC)。
数控机床即使采用了数控技术的机床,或者说装备了数控系统的机床。
从应用来说,数控机床就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松加工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等)和步骤,以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示,通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机,计算机对输入的信息进行处理与运算,发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件,是机床自动加工出所需要的零件。
第二章数控机床的发展
2.1数控系统的发展
从1952年第一台数控机床问世后,数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展,其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控PC机的通用CNC系统。
其中前三代为第一阶段,称作为硬件连接数控,简称NC系统;
后三代为第二阶段,乘坐计算机软件数控,简称CNC系统。
2.2机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。
(1)工序集中20世纪50年代末期,在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心,即自备刀具库的自动换刀数控机床。
在加工中心机床上,工件一次装夹后,机床的机械手可以自动更换刀具,连续的对工件进行多种工序加工。
目前,加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具,自动换刀装置的换刀时间仅需0.5~2秒。
加工中心机床使工序集中在一台机床上完成,减少了由于工序分散,工件多次安装引起的定位误差,提高了加工精度,同时也减少了机床的台数与占地面积,压缩了半成品的库存量,减少了工序间的辅助时间,有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。
(2)高速、高效、高精度
高速、高效、高精度是机械加工的目标,数控机床因其价格昂贵,在上述三方面的发展也就更为突出。
(3)方便使用
数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。
1)加工编程方便
手工编程和自动编程已经使用了几十年,有了长足的发展,在手工编程方面,开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能,CAD/CAM的研究发展,从技术上来讲可以替代手工编程。
但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件,投资较大,学习、掌握时间较长,对大多数的简单工件很不经济。
近年来,发展起来的图形交互式编程系统(WOP,又称面向车间编程),很受用户欢迎。
这种编程方式不使用G、M代码,而是借助图形菜单,输入整个图形块以及相应参数作为加工指令,形成加工程序,与传统加工时的思维方式类似。
图形交互编程方法在制定标准后,有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。
2)使用方法
数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。
有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。
第三章数控机床的分类
3.1按加工工艺方法分类
3.1.1.金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别,具体的控制方式也各不相同,但机床的动作和运动都是数字化控制的,具有较高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。
例如铣、镗、钻加工中心,它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的,工件一次装夹后,可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工,特别适合箱体类零件的加工。
加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差,减少了机床的台数和占地面积,缩短了辅助时间,大大提高了生产效率和加工质量。
3.1.2.特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外,数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。
3.1.3.板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。
近年来,其它机械设备中也大量采用了数控技术,如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。
3.2按控制运动轨迹分类
3.2.1.点位控制数控机床
位置的精确定位,在移动和定位过程中不进行任何加工。
机床数控系统只控制行程终点的坐标值,不控制点与点之间的运动轨迹,因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。
可以几个坐标同时向目标点运动,也可以各个坐标单独依次运动。
这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。
点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。
3.2.2.直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度,沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工,进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。
直线控制的简易数控车床,只有两个坐标轴,可加工阶梯轴。
直线控制的数控铣床,有三个坐标轴,可用于平面的铣削加工。
现代组合机床采用数控进给伺服系统,驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工,它也可算是一种直线控制数控机床。
数控镗铣床、加工中心等机床,它的各个坐标方向的进给运动的速度
能在一定范围内进行调整,兼有点位和直线控制加工的功能,这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。
3.2.3.轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制,使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。
它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标,而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移,将工件加工成要求的轮廓形状。
常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。
数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。
轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂,在加工过程中需要不断进行插补运算,然后进行相应的速度与位移控制。
现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现,增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。
因此,除少数专用控制系统外,现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。
3.3按驱动装置的特点分类
3.3.1开环控制数控机床
这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件,伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。
数控系统每发出一个进给指令,经驱动电路功率放大后,驱动步进电机旋转一个角度,再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠螺母机构转换为
移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。
此类数控机床的信息流是单向的,即进给脉冲发出去后,实际移动值不再反馈回来,所以称为开环控制数控机床。
开环控制系统的数控机床结构简单,成本较低。
但是,系统对移动部件的实际位移量不进行监测,也不能进行误差校正。
因此,步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。
开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床,特别是简易经济型数控机床。
3.3.2闭环控制数控机床
接对工作台的实际位移进行检测,将测量的实际位移值反馈到数控装置中,与输入的指令位移值进行比较,用差值对机床进行控制,使移动部件按照实际需要的位移量运动,最终实现移动部件的精确运动和定位。
从理论上讲,闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度,也与传动链的误差无关,因此其控制精度高。
图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。
图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。
当位移指令值发送到位置比较电路时,若工作台没有移动,则没有反馈量,指令值使得伺服电动机转动,通过A将速度反馈信号送到速度控制电路,通过C将工作台实际位移量反馈回去,在位置比较电路中与位移指令值相比较,用比较后得到的差值进行位置控制,直至差值为零时为止。
这类控制的数控机床,因把机床工作台纳
入了控制环节,故称为闭环控制数控机床。
闭环控制数控机床的定位精度高,但调试和维修都较困难,系统复杂,成本高。
3.3.3半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置(如光电编码器等),通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移,然后反馈到数控装置中去,并对误差进行修正。
通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速,从而推算出工作台的实际位移量,将此值与指令值进行比较,用差值来实现控制。
由于工作台没有包括在控制回路中,因而称为半闭环控制数控机床。
半闭环控制数控系统的调试比较方便,并且具有很好的稳定性。
目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体,这样,使结构更加紧凑。
3.3.4混合控制数控机床
将以上三类数控机床的特点结合起来,就形成了混合控制数控机床。
混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床,因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度,其传动链惯量与力矩大,如果只采用全闭环控制,机床传动链和工作台全部置于控制闭环中,闭环调试比较复杂。
混合控制系统又分为两种形式:
(1)开环补偿型。
它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构,另外附加一个校正电路。
用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。
(2)半闭环补偿型。
它是用半闭环控制方式取得高精度控制,再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正,以获得高速度与高精度的统一。
其中A是速度测量元件(如测速发电机),B是角度测量元件,C是直线位移测量元件。
4.1、普遍认为数控机床的几何误差由以下几方面原因引起
4.1.1机床的原始制造误差
是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生的主要原因。
4.1.2机床的控制系统误差
包括机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。
4.1.3热变形误差
由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
4.1.4切削负荷造成工艺系统变形所导致的误差
包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。
这种误差又称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件或使用
细长刀具时,这一误差更为严重。
4.1.5机床的振动误差
在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。
导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
4.1.6检测系统的测试误差
包括以下几个方面:
(1)由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差;
(2)由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
4.1.7外界干扰误差
由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
4.1.8其它误差
如编程和操作错误带来的误差。
上面的误差可按照误差的特点和性质,归为两大类:
即系统误差和随机误差。
数控机床的系统误差是机床本身固有的误差,具有可重复性。
数控机床的几何误差是其主要组成部分,也具有可重复性。
利用该特性,可对其进行“离线测量”,可采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿,使其减小,达到机床精度强化的目的。
随机误差具有随机性,必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响,该方法对测量仪器、测量环境要求严格,难于推广。
4.2、几何误差补偿技术
针对误差的不同类型,实施误差补偿可分为两大类。
随机误差补偿要求“在线测量”,把误差检测装置直接安装在机床上,在机床工作的同时,实时地测出相应位置的误差值,用此误差值实时的对加工指令进行修正。
随机误差补偿对机床的误差性质没有要求,能够同时对机床的随机误差和系统误差进行补偿。
但需要一整套完整的高精度测量装置和其它相关的设备,成本太高,经济效益不好。
进行了温度的在线测量和补偿,未能达到实际应用。
系统误差补偿是用相应的仪器预先对机床进行检测,即通过“离线测量”得到机床工作空间指令位置的误差值,把它们作为机床坐标的函数。
机床工作时,根据加工点的坐标,调出相应的误差值以进行修正。
要求机床的稳定性要好,保证机床误差的确定性,以便于修正,经补偿后的机床精度取决于机床的重复性和环境条件变化。
数控机床在正常情况下,重复精度远高于其空间综合误差,故系统误差的补偿可有效的提高机床的精度,甚至可以提高机床的精度等级。
第五章数控机床维修注意事项
数控机床维修中应注意的事项;
(1)从整机上取出某块线路板时,应注意记录其相对应的位置,连接的电缆号,对于固定安装的线路板,还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。
拆卸下的压件及螺钉应放在专门的盒内,以免丢失,装配后,盒内的东西应全部用上,否则装配不完整。
(2)电烙铁应放在顺手的前方,远离维修线路板。
烙铁头应作适当的修整,以适应集成电路的焊接,并避免焊接时碰伤别的元器件。
(3)测量线路间的阻值时,应断电源,测阻值时应红黑表笔互换测量两次,以阻值大的为参考值。
(4)线路板上大多刷有阻焊膜,因此测量时应找到相应的焊点作为测试点,不要铲除焊膜,有的板子全部刷有绝缘层,则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。
(5)不应随意切断印刷线路。
有的维修人员具有一定的家电维修经验,习惯断线检查,但数控设备上的线路板大多是双面金属孔板或多层孔化板,印刷线路细而密,一旦切断不易焊接,且切线时易切断相邻的线,再则有的点,在切断某一根线时,并不能使其和线路脱离,需要同时切断几根线才行。
(6)不应随意拆换元器件。
有的维修人员在没有确定故障元件的情况下只是凭感觉那一个元件坏了,就立即拆换,这样误判率较高,拆下的元件人为损坏率也较高。
进口泵阀门
(7)拆卸元件时应使用吸锡器及吸锡绳,切忌硬取。
同一焊盘不应长时间加热及重复拆卸,以免损坏焊盘。
(8)更换新的器件,其引脚应作适当的处理,焊接中不应使用酸性焊油。
(9)记录线路上的开关,跳线位置,不应随意改变。
进行两极以上的对照检查时,或互换元器件时注意标记各板上的元件,以免错乱,致使好板亦不能工作。
(10)查清线路板的电源配置及种类,根据检查的需要,可分别供电或全部供电。
应注意高压,有的线路板直接接入高压,或板内有高压发生器,需适当绝缘,操作时应特别注意。
第六章数控加工安全规则
1、进入车间实习时,要穿好工作服,大袖口要扎紧,衬衫要系入裤内。
不得穿凉鞋、拖鞋、高跟鞋、背心、裙子和戴围巾进入车间。
注意:
不允许戴手套操作机床;
2、注意不要移动或损坏安装在机床上的警告标牌;
3、注意不要在机床周围放置障碍物,工作空间应足够大;
4、某一项工作如需要俩人或多人共同完成时,应注意相互间的协调一致;
5、不允许采用压缩空气清洗机床、电气柜及NC单元;
6、应在指定的机床或计算机上进行操作。
未经允许,其它机床设备、工具或电器开关等均不得乱动。
结语
通过我这几年的数控专业的学习,了解了我国的机械工业发展取得的辉煌的成就。
但和发达国家相比还有一段距离,我在学校四年的系统我已经基本掌握了数控专业技能,能过自己独立操作,工艺分析和工艺编程。
也可以对机床电器做最基本的电路分析和机床的故障排查等,一个高职学生应具备的专业技能素质,系统学习了机械制造、机械制图、电子电工、机械CAD、数控原理与结构,数控编程等专业课程。
我希望自己在以后的工作中锻炼自己,检验自己的掌握程度。
这次设计就达到了这样的目的,使自己更了解数控机床,对它的结构系统等有了更进一步的掌握,使自己的理论水平和实际操作水平更上一层楼。
参考文献
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机械工业出版社,2002
[2]王润孝,秦现生主编.机床数控原理与系统.西安:
西北工业大学出版社,2003
[3]卢小平主编.数控加工与编程.西安:
电子科技大学出版社,1999
[4]彼得*斯密德著.罗学科,刘瑛,黄根隆等译,数控编程手册.北京:
化学工业出版社,2005
[5]毕毓杰主编机床数控技术,北京,机械工业出版社,1995
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