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    數控車床加工的分類特點和加工特點

    CNC數控機床品種已經基本齊全,規格繁多,據不完全統計已有400多個品種規格??梢园凑斩喾N原則來進行分類。但歸納起來,常見的是以下面4種方法來分類的。 
    1、按工藝用途分類 
    (1)一般數控機床。這類機床和傳統的通用機床種類一樣,有數控的車、銑、 鏜、鉆、磨床等等, 而且每一種又有很多品種,例如數控銑床中就有立銑、臥銑、工具銑、龍門銑等。這類機床的工藝可能性和通用機床相似,所不同的是它能加工復雜形狀的零件。 
    (2)CNC數控機床中心機床。這類機床是在一般數控機床的基礎上發展起來的。它是在一般數控機床上加裝一個刀庫(可容納10-100多把刀具)和自動換刀裝置而構成的一種帶自動換刀裝置的數控機床(又稱多工序數控機床或鏜銑類加工中心,習慣上簡稱為加工中心——Machining Center),這使數控機床更進一步地向自動化和高效化方向發展 。 
    數控加工中心機床和一般數控機床的區別是:工件經一次裝夾后,數控裝置就能控制機床自動地更換刀具,連續地對工件各加工面自動地完成銑 ( 車 ) 、鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。這類機床大多是以鏜銑為主的,主要用來加工箱體零件。它和一般的數控機床相比具有如下優點: 
    ① 減少機床臺數, 便于管理,對于多工序的零件只要一臺機床就能完成全部加工,并可以減少半成品的庫存量; 
    ② 由于工件只要一次裝夾,因此減少了由于多次安裝造成的定位誤差,可以依靠機床精度來保證加工質量; 
    ③ 工序集中,減少了輔助時間,提高了生產率; 
    ④ 由于零件在一臺機床上一次裝夾就能完成多道工序加工,所以大大減少了專用工夾具的數量,進一步縮短了生產準備時間。 
    由于數控加工中心機床的優點很多,深受用戶歡迎,因此在數控機床生產中占有很重要的地位。 
    另外還有一類加工中心,是在車床基礎上發展起來的,以軸類零件為主要加工對象。除可進行車削、鏜削外,還可以進行端面和周面上任意部位的鉆削、銑削和攻絲加工。這類加工中心也設有刀庫,可安裝4-12把刀具,習慣上稱此類機床為車削中心(TC:Turning Center) 。 
                
                       圖1 五軸聯動的數控加工 
    (3)多坐標數控機床。有些復雜形狀的零件,用三坐標的數控機床還是無法加工,如螺旋槳、飛機曲面零件的加工等,需要三個以上坐標的合成運動才能加工出所需形狀。于是出現了多坐標的數控機床,其特點是數控裝置控制的軸數較多,機床結構也比較復雜,其坐標軸數通常取決于加工零件的工藝要求?,F在常用的是 4,5,6坐標的數控機床。圖1為五軸聯動的數控加工示意圖。這時,x,y,z 三個坐標與轉臺的回轉、刀具的擺動可以同時聯動,以加工機翼等類零件。 
    2、按CNC數控機床的運動軌跡分類 
    按照能夠控制的刀具與工件間相對運動的軌跡,可將數控機床分為點位控制數控機床、點位直線控制數控機床、輪廓控制數控機床等?,F分述如下: 
    (1)點位控制數控機床。 這類機床的數控裝置只能控制機床移動部件從一個位置 ( 點 ) 精確地移動到另一個位置 ( 點 ) ,即僅控制行程終點的坐標值,在移動過程中不進行任何切削加工,至于兩相關點之間的移動速度及路線則取決于生產率。為了在精確定位的基礎上有盡可能高的生產率,所以兩相關點之間的移動先是以快速移動到接近新的位置,然后降速 1-3 級,使之慢速趨近定位點,以保證其定位精度。 
    這類機床主要 數控坐標鏜床、數控鉆床、數控沖床和數控測量機等,其相應的數控裝置稱之為點位控制裝置。 
    (2)點位直線控制數控機床。 這類機床工作時,不僅要控制兩相關點之間的位置 (即距離),還要控制兩相關點之間的移動速度和路線(即軌跡)。其路線一般都由和各軸線平行的直線段組成。它和點位控制數控機床的區別在于:當機床的移動部件移動時,可以沿一個坐標軸的方向(一般地也可以沿45°斜線進行切削,但不能沿任意斜率的直線切削)進行切削加工,而且其輔助功能比點位控制的數控機床多,例如,要增加主軸轉速控制、循環進給加工、刀具選擇等功能。 
    這類機床主要有簡易數控車床、數控鏜銑床和數控加工中心等。相應的數控裝置稱之為點位直線控制裝置。 
    (3)輪廓控制數控機床。這類機床的控制裝置能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續控制。加工時不僅要控制起點和終點,還要控制整個加工過程中每點的速度和位置,使機床加工出符合圖紙要求的復雜形狀的零件。它的輔助功能亦比較齊全。 
    這類機床主要有數控車床、數控銑床、數控磨床和電加工機床等。其相應的數控裝置稱之為輪廓控制裝置(或連續控制裝置) 。 
    3、按伺服系統的控制方式分類 
    數控機床按照對被控制量有無檢測反饋裝置可以分為開環和閉環兩種。在閉環系統中,根據測量裝置安放的位置又可以將其分為全閉環和半閉環兩種。在開環系統的基礎上,還發展了一種開環補償型數控系統。 
    (1) 開環控制數控機床。在開環控制中,機床沒有檢測反饋裝置(見圖2)。 
                   
                            圖2 開環控制系統框圖 
    數控裝置發出信號的流程是單向的,所以不存在系統穩定性問題。也正是由于信號的單向流程,它對機床移動部件的實際位置不作檢驗,所以機床加工精度不高,其精度主要取決于伺服系統的性能。 工作過程是: 輸入的數據經過數控裝置運算分配出指令脈沖,通過伺服機構(伺服元件常為步進電機)使被控工作臺移動。 
    這種機床工作比較穩定、反應迅速、調試方便、維修簡單,但其控制精度受到限制。 它適用于一般要求的中、小型數控機床。 
    (2) 閉環控制數控機床。由于開環控制精度達不到精密機床和大型機床的要求,所以必須檢測它的實際工作位置,為此,在開環控制數控機床上增加檢測反饋裝置,在加工中時刻檢測機床移動部件的位置,使之和數控裝置所要求的位置相符合,以期達到很高的加工精度。 
    閉環控制系統框圖如圖3所示。 圖中A為速度測量元件, C為位置測量元件。當指令值發送到位置比較電路時,此時若工作臺沒有移動,則沒有反饋量,指令值使得伺服電機轉動,通過A將速度反饋信號送到速度控制電路,通過C將工作臺實際位移量反饋回去,在位置比較電路中與指令值進行比較,用比較的差值進行控制,直至差值消除時為止,最終實現工作臺的精確定位。這類機床的優點是精度高、速度快,但是調試和維修比較復雜。其關鍵是系統的穩定性,所以在設計時必須對穩定性給予足夠的重視 。 
                  
                          圖3 閉環控制系統框圖 
    (3) 可以通用。因而靈活性和適應性強,也便于批量生產,模塊化的軟、硬件,提高了系統的質量和可靠性。所以,現代數控機床都采用 CNC 裝置。 半閉環控制數控機床。半閉環控制系統的組成如圖4所示。 
                   
                           圖4 半閉環控制系統框圖 
    這種控制方式對工作臺的實際位置不進行檢查測量,而是通過與伺服電機有聯系的測量元件,如測速發電機 A 和光電編碼盤 B( 或旋轉變壓器 ) 等間接檢測出伺服電機的轉角,推算出工作臺的實際位移量,圖4半閉環控制系統框圖用此值與指令值進行比較,用差值來實現控制 。從圖5可以看出,由于工作臺沒有完全包括在控制回路內,因而稱之為半閉環控制。這種控制方式介于開環與閉環之間,精度沒有閉環高,調試卻比閉環方便。 
    (4) 開環補償型數控機床。將上述三種控制方式的特點有選擇地集中起來,可以組成混合控制的方案。這在大型數控機床中是人們多年研究的題目,現在已成為現實。因為,大型數控機床,需要高得多的進給速度和返回速度,又需要相當高的精度。如果只采用全閉環的控制,機床傳動鏈和工作臺全部置于控制環節中,因素十分復雜,盡管安裝調試多經周折,仍然困難重重。為了避開這些矛盾,可以采用混合控制方式。在具體方案中它又可分為兩種形式:一是開環補償型;一是半閉環補償型。這里僅將開環補償型控制數控機床加以介紹。 
    圖5為開環補償型控制方式的組成框圖。它的特點是:基本控制選用步進電機的開環控制伺服機構,附加一個校正伺服電路。通過裝在工作臺上的直線位移測量元件的反饋信號來校正機械系統的誤差。 
    4、按數控裝置分類 
    數控機床若按其實現數控邏輯功能控制的數控裝置來分,有硬線(件)數控和軟線(件)數控兩種。 
    (1)硬線數控(稱普通數控,即NC)。這類數控系統的輸入、插補運算、控制等功能均由集成電路或分立元件等器件實現。一般來說,數控機床不同,其控制電路也不同,因此系統的通用性較差,因其全部由硬件組成,所以功能和靈活性也較差。這類系統在 70 年代以前應用得比較廣泛。 
    (2)軟線數控(又稱計算機數控或微機數控,即CNC 或MNC)。 這類系統利用中、大規模及超大規模集成電路組成 CNC 裝置,或用微機與專用集成芯片組成,其主要的數控功能幾乎全由軟件來實現,對于不同的數控機床,只須編制不同的軟件就可以實現, 而硬件幾乎可以通用。因而靈活性和適應性強,也便于批量生產,模塊化的軟、硬件,提高了系統的質量和可靠性。所以,現代數控機床都采用 CNC 裝置。

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