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数控剪板机床基础知识

发布时间:2019-8-19

           数控剪板机床基础知识
  1、数控剪板机床的概念
  用数字化信号,对机床及其加工过程进行控制的机床,称为数字程序控制(NC)机床,简称数控剪板机床。数控剪板机床较好地解决了形状复杂、精密零件的加工问题,并满足了产品批量小、更新快的要求。数控剪板机床是一种高效而灵活的自动化机床,具有适应性强、加工精度较高、加工质量稳定和生产率高的优点。随着电子技术、计算机技术、自动控制技术和精密测试技术等的不断进步,数控剪板机床在机械制造中的地位将越来越重要。
  数控剪板机床的研制始于20世纪50年代初,1955年第一台数控剪板机床投入使用并在复杂曲面加工中发挥了极大的作用。但直到50年代末,由于技术和价格上的原因,数控剪板机床只局限于航空工业中使用。60年代初,数控系统由电子管过渡到使用晶体管和印刷板电路,这使数控系统的可靠性得到了提高,成本也开始下降,民用工业也开始发展数控剪板机床。1965年以后,由于体积小、功耗低的集成电路的规模不断扩大,使数控系统的可靠性以及功能迅速提高。经过40余年的发展,已经从当初的点位控制机床发展成为具有多功能、多种类、高精度、高效率的数控剪板机床,甚至由多台数控剪板机床组成的“柔性加工系统"。
  2、数控剪板机床的组成
  数控剪板机床一般由机床机械本体、数控装置、伺服系统、可编程序控制器、检测反馈装置等组成。如图1所示为数控剪板机床组成框图。
  1)数控剪板机床的机械本体
  数控剪板机床的机械本体一般包括床身、工作台、主轴部件、刀具部件等内容。数控剪板机床是机电一体化产品的典型代表,一方面它的机械结构与普通机床有许多相似之处,另一方面,它与普通机床相比,在结构上有以下几个方面的特点:
  (1)主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式,可利用程序控制主轴的转动方向和速度,主传动具有较宽的调速范围。高转速数控剪板机床的主传动系统已开始采用结构紧凑、性能优异的电主轴。
  (2)进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动,利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩擦力,提高传动精度。高进给数控剪板机床的进给部件直接使用直线电动机驱动,从而实现了高速、高灵敏度伺服驱动。
  (3)床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形状,且采取一些补偿变形的措施,使其具有较高的结构刚度。
  (4)加工中心备有刀库和自动换刀装置,可进行多工序、多面加工,大大提高了生产率。
  2)数控装置
  数控装置是数控剪板机床的核心,它的功能是接受载体送来的加工信息,经计算和处理后去控制机床的具体动作。它由硬件和软件组成。
  数控装置的硬件组成如图2所示。硬件部分除计算机(一般为专用电路)外,其外围设备主要包括显示器、键盘、操作面板、机床接El等。显示器供显示加工信息与监控;键盘用于输入操作命令、零件加工程序及编辑、修改加工程序等;操作面板可供操作人员改变工作方式、输入设定数据、运行加工等;机床接VI是计算机和机床之间联系的桥梁,机床接口包括伺服驱动接口及机床输Ⅳ输出接口。

  图2数控装置的硬件组成
  数控装置的软件由管理软件和控制软件组成。断等程序;控制软件由输入、译码、刀具补偿、组成。
  3)驱动系统
  管理软件主要包括输入输出、显示、自诊速度控制、插补运算、位置控制等部分
  数控装置发出的脉冲信号,必须经过驱动系统放大,才能由相应的电动机拖动机床的机械部分进行相应的动作。在数控剪板机床中,这样的系统称为伺服驱动系统,简称伺服器。
  数控剪板机床中的驱动系统包括用于控制进给的驱动系统和控制主轴的驱动系统两种。其中进给驱动系统要求必须能对机床移动部件的位置和速度进行控制。主轴驱动系统的基本要求是能对主轴转速进行控制,加工中心的主轴系统还要能对转角进行精确控制。
  常见的进给驱动系统有步进驱动和交流伺服驱动等。如图3所示。


  图3驱动系统
  (a)步进驱动器;(b)交流伺服驱动器
  主轴驱动包括专用于伺服主轴的控制器和用于普通电动机的变频器等。专用于伺服主轴的控制器功率一般较进给驱动要大(控制的是机床的主运动),其调速性能稳定。用于普通电动机的变频器,如图4所示。
  4)其他部件
  检测装置是对数控剪板机床中运动部件的位置及速度进行检测,以控制驱动元件正确运转。位置检测指对运动部件的位置作测量,而速度检测则是对运动件速度作测量(如测速发电机)。检测装置的精度直接影响数控剪板机床的定位精度和加工精度。
  数控装置是数控剪板机床的核心,通过接口协调采集外部信息,并将处理过的信息,发送给各种执行元件和机构。对于一台数控剪板机床而言,单台机床工作时需接收诸如各种键盘命令、行程开关信号;调试或加工工件时,需要将数控程序传送给伺服系统等以控制机床的各种动作。
  可编程序控制器,即PLC,它对主轴单元实现控制,将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速;管理刀库,进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等运作;还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等)进行控制。
数控剪板机床有的使用单独的PLC(如图5所示),有的PLC集成于数控装置的内部。
  3、数控剪板机床的分类
  1)按工艺用途分类
  (1)普通数控剪板机床。普通数控剪板机床是指在加工工艺过程中能完成一个(或部分)工序加工的数控剪板机床,如数控铣床、数控车床(如图6所示)、数控钻床、数控磨床等。普通数控剪板机床在自动化程度上还不够完善,刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。
  但值得注意的是,现代普通数控车床一般都带有自动回转刀架,可以一次完成较多工序的加工,完成复杂形状零件的加工。
  (2)加工中心。加工中心是指带有刀库(可容纳16~100把刀具)和自动换刀装置的数控剪板机床,可分为铣削加工中心(如图7所示)和车削加工中心。铣削加工中心将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起,零件在一次装夹后,可以对大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、。铰及攻螺纹等多工序加工。车削加工中心将部分铣削功能移植到动力刀架上,从而零件在一次装夹后,可以完成回转体零件的常规车削和端面铣、钻孔等功能。加工中心能有效地减少由于多次装夹造成的定位误差,所以它适用于零件工序多、形状复杂、精度要求高、生产批量较小的产品。

   图6数控车床
  1-主轴的起停、速度;2-切削液动作;3-刀架旋转;4-移动刀架(速度、加速度)

  图7铣削加工中心  1-刀库;2-换刀机械手;
   按伺服系统控制方式分类
  (1)开环控制系统。开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统,开环控制系统框图如图8所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号,每一脉冲信号使步进电动机转动二定角度,步进电动机通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。
  采用这种结构的数控剪板机床结构比较简单,工作稳定,容易掌握使用,但控制精度和加工速度一般,适用于要求不高的零件加工。
  (2)半闭环控制系统。半闭环控制系统框图如9所示,这种控制系统的特点是将角位移传感器装在传动丝杠或伺服电动机上,它检测的是转角信号。角位移信号反馈到数控装置的比较器中,与输入原指令位移值进行比较,用比较后的差值进行控制,使移动部件补充位移,直到差值消除为止,从而实现了从数控装置到电动机转角间的闭环自动调节。

  图9半闭环控制系统框图 A一速度测量元件;B一角度测量元件
  半闭环系统的优点是系统稳定性好,精度控制适中,优于开环系统;缺点是所组成的控制环不包括机械传动链,故精度相对于闭环要低。半闭环系统是大多数中小型数控剪板机床首选的结构形式。
  (3)闭环控制系统。闭环控制系统框图如图10所示。其特点是机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置,检测装置将检测的实际位移反馈到系统的比较器中,与输入的原指令位移值进行比较,系统用比较后的差值控制移动部件作补充位移,直到差值消除时才停止移动,从而实现精确定位与运动控制。

  图10闭环控制系统框图 A一速度测量元件;C一直线位移测量元件
  闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制系统,但结构比较复杂,调试维修的难度较大,常用于高精度和大型数控剪板机床。
  3)按控制轨迹分类
  (1)点位控制数控剪板机床。点位控制数控剪板机床的工作过程如图1 1所示,其特点是数控装置只控制刀具或工作台从一点准确移至另一点,然后进行定点加工,而点与点之间的路径不需要控制。采用这种控制的有数控钻床、数控镗床等。
  (2)点位直线控制数控剪板机床。点位直线控制数控剪板机床的工作过程如图12所示,其特点是数控装置除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外,在这两点之间还要控制进给速度并进行直线切削。采用这种控制的有简单的数控铣床、数控车床和数控磨床等。

  图11点位控制数控剪板机床工作过程 图12点位直线控制数控剪板机床工作过程
  (3)轮廓控制数控剪板机床。轮廓控制数控剪板机床的工作过程如图13所示,其特点是数控装置能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动并进行切削加工。为了使刀具或工作台能控制预定的轨迹加工出工件的曲线轮廓,数控装置具有插补运算的功能。采用这种控制的有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。

  图13轮廓控制数控剪板机床工作过程