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技術(shù)文章
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展
閱讀：1889 發(fā)布時(shí)間：2013-11-18隨著機(jī)械性能成數(shù)zui級(jí)的提高，其價(jià)格成倍地下降；隨著網(wǎng)絡(luò)通訊的普及化、信息處理的智能化、多媒體技術(shù)的實(shí)用化；數(shù)控技術(shù)的普及應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越深入，數(shù)控技術(shù)正向著開(kāi)放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。
90年代以來(lái)，從事科研和應(yīng)用開(kāi)發(fā)數(shù)控的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，要讓數(shù)控技術(shù)成為*生產(chǎn)力，關(guān)鍵是讓設(shè)計(jì)人員都用上、會(huì)用數(shù)控系統(tǒng)。今天，許多地方、企業(yè)己經(jīng)推廣了數(shù)控技術(shù)，取得了較好的效果，但也還存在一些問(wèn)題值得探討。
一、數(shù)控機(jī)床的基本概況
數(shù)控（numerical control,NC）機(jī)床，顧名思義，是一類(lèi)由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高、柔性強(qiáng)、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低、易于組成自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
1952年，美國(guó)PARSON公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，研制出世界上*臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此機(jī)床行業(yè)，乃至整個(gè)制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過(guò)去在普通機(jī)床上無(wú)法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。對(duì)于整個(gè)制造業(yè)，由于大量引用數(shù)控機(jī)床，使得產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期明顯縮短，滿足了廣大消費(fèi)者求新和追求個(gè)性化的要求，從而形成了制造業(yè)與市場(chǎng)相互促進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)。一段時(shí)期內(nèi)機(jī)床行業(yè)在技術(shù)發(fā)展上曾被視為“夕陽(yáng)工業(yè)”，如今再度受到*的高度重視。在這一歷史轉(zhuǎn)變中，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展功不可沒(méi)。此外，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，還帶動(dòng)了眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類(lèi)型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過(guò)去在普通機(jī)床上無(wú)法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車(chē)、造船、機(jī)車(chē)車(chē)輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類(lèi)生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機(jī)床是一種能自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。
一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床可分為數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、加工中心、車(chē)削中心幾類(lèi)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故以下介紹一些加工中心的應(yīng)用和發(fā)展情況。
二、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程
回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。*個(gè)階段叫做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開(kāi)始小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實(shí)際上從20世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種封閉的系統(tǒng)，而第六代——開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
三、數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動(dòng)換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機(jī)床稱(chēng)為加工中心。它通過(guò)刀具的自動(dòng)交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量zui大、應(yīng)用zui廣的數(shù)控機(jī)床。
帶有刀具自動(dòng)交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了中、小批量加工自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件。此外，它還具有生產(chǎn)率高、加工精度穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床遂向“工序集中”，即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機(jī)床（即加工中心）方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車(chē)等單功能數(shù)控機(jī)床只能分別完成鉆、鏜、銑、車(chē)等作業(yè)，而在機(jī)械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的。在單功能數(shù)控機(jī)床的整個(gè)加工過(guò)程中，真正用于切削的時(shí)間只占30％左右，其余的大部分時(shí)間都花費(fèi)在安裝、調(diào)整刀具、搬運(yùn)、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進(jìn)行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機(jī)床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動(dòng)交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、、攻絲等多種工序加工。
四、加工中心的組成部分
加工中心分兩大部分：數(shù)控機(jī)床和刀具自動(dòng)交換裝置。刀具自動(dòng)交換裝置應(yīng)能滿足以下幾個(gè)方面的要求： ①換刀時(shí)間短； ②刀具重復(fù)定位精度高； ③識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單；④ 刀庫(kù)容量合理，占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀完整； ⑤刀具裝卸、調(diào)整、維護(hù)方便。
刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)由刀庫(kù)、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識(shí)刀器等五個(gè)部分組成。
1：刀庫(kù)存貯加工所需各種類(lèi)型刀具的倉(cāng)庫(kù)。它是刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來(lái)的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結(jié)構(gòu)、形狀可分為以下六種：① 圓盤(pán)式刀庫(kù)，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤(pán)中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤(pán)中心線垂直）和多盤(pán)式（在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤(pán)刀庫(kù)）。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫(kù)。④ 鏈?zhǔn)降稁?kù)。 ⑤格子式刀庫(kù)。 ⑥直線式刀庫(kù)。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫(kù)的存儲(chǔ)量。根據(jù)對(duì)車(chē)床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計(jì)表明，在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對(duì)于鉆削加工，用14把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足夠了。對(duì)于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。因此從使用角度來(lái)看，刀庫(kù)的存儲(chǔ)量一般為20~40把較為合適，多的可達(dá)60把刀，超過(guò)60把刀的很少。
2：刀具交換裝置（機(jī)械手） 它的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀—新舊刀具交換—裝刀。換刀機(jī)械手種類(lèi)繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家噢都可以推出自己的機(jī)械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類(lèi)。
①無(wú)機(jī)械手換刀，由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。在這類(lèi)裝置中，刀庫(kù)一般為格子式，裝在工作臺(tái)上。換刀時(shí)，先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將使用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)，然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次，從刀庫(kù)中取出新刀。這種換刀方式的換刀時(shí)間長(zhǎng)，另外刀庫(kù)設(shè)置在工作臺(tái)上，減少了工作臺(tái)的有效使用面積。
②采用機(jī)械手換刀，機(jī)械手刀具交換裝置，有單臂單手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多手式機(jī)械手。特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用。雙臂機(jī)械手中zui常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具）；拔刀（主軸松開(kāi)，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時(shí)將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫(kù)，然后主軸夾緊刀具）；縮回（手臂縮回到原始位置）。機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機(jī)械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。
3：運(yùn)刀裝置當(dāng)?shù)稁?kù)容量較大、布置得離機(jī)床較遠(yuǎn)時(shí)，就需要安排兩只機(jī)械手來(lái)完成新舊刀的交換動(dòng)作，一只靠近刀庫(kù)，稱(chēng)為后機(jī)械手，完成拔新刀、插舊刀的動(dòng)作；一只靠近主軸，稱(chēng)為前機(jī)械手，完成拔舊刀、插新刀的動(dòng)作。在前后機(jī)械手之間則設(shè)有運(yùn)刀裝置。它一方面將前機(jī)械手從主軸上拔出的舊刀運(yùn)回刀庫(kù)旁，以便后機(jī)械手將該舊刀拔出并插回刀庫(kù)；另一方面則將后機(jī)械手從刀庫(kù)中拔出的新刀運(yùn)到主軸旁，以便前機(jī)械手將該新刀拔出并插入主軸。運(yùn)刀器的職能就是在前后機(jī)械手之間來(lái)回運(yùn)送新、舊刀具
4：刀具編碼裝置： 將加工所需的刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)中選擇出來(lái)稱(chēng)為自動(dòng)選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。
①順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫(kù)中。加工時(shí)按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識(shí)刀器，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置都非常簡(jiǎn)單，每次換刀時(shí)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時(shí)，為某一個(gè)工件準(zhǔn)備的刀具，不能在其他工件中重復(fù)使用，這在一定程度上限制了機(jī)床的加工能力。
②固定地址選擇方式：這是一種對(duì)號(hào)入座的方式，又稱(chēng)為刀座編碼方式。這種方式是對(duì)刀庫(kù)的刀座進(jìn)行編碼，并將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具一一放入的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對(duì)的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式zui突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過(guò)程中多次使用。
③編碼選擇方式： 將加工某一項(xiàng)零件所需的全部刀具（或刀座）都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫(kù)中。加工時(shí)根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒摺Ｓ捎诿堪训毒叨加凶约旱拇a，它們?cè)诘稁?kù)中的位置和存放順序可以與加工順序無(wú)關(guān)。每把刀具都可被多次重復(fù)使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號(hào)碼。選刀時(shí)根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號(hào)指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無(wú)論將刀具放入刀庫(kù)的哪個(gè)刀座中都不會(huì)影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡(jiǎn)化換刀動(dòng)作和控制線路，縮短換刀時(shí)間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫(kù)的每一個(gè)刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)是刀柄不會(huì)因尾部有編碼環(huán)而增加長(zhǎng)度；缺點(diǎn)是刀具必須對(duì)號(hào)入座，換刀時(shí)間長(zhǎng)。 編碼鑰匙：預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。
5：刀具識(shí)別裝置：通常有接觸式和非接觸式兩種。
五、刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位
刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式。電氣驅(qū)動(dòng)可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng),也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)仍需電氣信號(hào)的配合,PC 給出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào),一般通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制,只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動(dòng)馬達(dá)。在執(zhí)行ATC 過(guò)程時(shí),除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外,為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機(jī)械手抓住,所以刀庫(kù)的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)可在電機(jī)上安裝位置編碼器進(jìn)行定位,也可以在抓刀位置安裝接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)定位。液動(dòng)結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)往往采用機(jī)電結(jié)合式的銷(xiāo)定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的定位精度較高,其它幾種方式也足以滿足刀庫(kù)定位精度的要求。
六、我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
在對(duì)內(nèi)搞活，對(duì)外開(kāi)放的方針指引下，于1980年開(kāi)始引進(jìn)日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動(dòng)技術(shù)。并于1981年開(kāi)始生產(chǎn)，到1988年又開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動(dòng)技術(shù)，在上海市機(jī)床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn)。1985年以后，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò)300種，其中數(shù)控機(jī)床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機(jī)床、鏜銑床、電加工機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42家，平均年產(chǎn)量40~50臺(tái)，幾家重點(diǎn)企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到400~700臺(tái)；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約50家，但生產(chǎn)具有一定批量的只有8家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì)300余家，產(chǎn)品品種包括八大類(lèi)2000種以上。我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類(lèi)型，經(jīng)濟(jì)型、普及型、和型。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，我國(guó)具有很大優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前每年數(shù)千臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床和電加工機(jī)床的市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)上，我們正在取得進(jìn)展。當(dāng)然，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場(chǎng)的開(kāi)拓上仍要盡更大的力量。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，在技術(shù)上也有所突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。