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數(shù)控技術(shù)的發(fā)展
閱讀：1934 發(fā)布時間：2013-11-18隨著機械性能成數(shù)zui級的提高，其價格成倍地下降；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)的實用化；數(shù)控技術(shù)的普及應(yīng)用越來越廣泛，越來越深入，數(shù)控技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。
90年代以來，從事科研和應(yīng)用開發(fā)數(shù)控的技術(shù)人員認(rèn)識到，要讓數(shù)控技術(shù)成為*生產(chǎn)力，關(guān)鍵是讓設(shè)計人員都用上、會用數(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，但也還存在一些問題值得探討。
一、數(shù)控機床的基本概況
數(shù)控（numerical control,NC）機床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞動強度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點。數(shù)控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。
1952年，美國PARSON公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，研制出世界上*臺數(shù)控機床。從此機床行業(yè)，乃至整個制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進入了一個新的發(fā)展階段。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展。對于整個制造業(yè)，由于大量引用數(shù)控機床，使得產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，新產(chǎn)品開發(fā)周期明顯縮短，滿足了廣大消費者求新和追求個性化的要求，從而形成了制造業(yè)與市場相互促進的發(fā)展趨勢。一段時期內(nèi)機床行業(yè)在技術(shù)發(fā)展上曾被視為“夕陽工業(yè)”，如今再度受到*的高度重視。在這一歷史轉(zhuǎn)變中，數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展功不可沒。此外，數(shù)控機床的發(fā)展，還帶動了眾多相關(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，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，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，對機械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機床在促進技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機床是一種能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；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強度，減少所需工人數(shù)量等。
一般來說，數(shù)控機床可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心幾類。此次畢業(yè)設(shè)計主要是針對立式加工中心主傳動系統(tǒng)設(shè)計，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)歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。*個階段叫做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年開始小型計算機開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過十多年的發(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——開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
三、數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機床稱為加工中心。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，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)控機床中產(chǎn)量zui大、應(yīng)用zui廣的數(shù)控機床。
帶有刀具自動交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機床實現(xiàn)了中、小批量加工自動化，改善了勞動條件。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。為了進一步發(fā)揮這些優(yōu)點，數(shù)控機床遂向“工序集中”，即一臺數(shù)控機床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機床（即加工中心）方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(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)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占30％左右，其余的大部分時間都花費在安裝、調(diào)整刀具、搬運、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動交換功能，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)控機床和刀具自動交換裝置。刀具自動交換裝置應(yīng)能滿足以下幾個方面的要求： ①換刀時間短； ②刀具重復(fù)定位精度高； ③識刀、選刀可靠，換刀動作簡單；④ 刀庫容量合理，占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀完整； ⑤刀具裝卸、調(diào)整、維護方便。
刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。
1：刀庫存貯加工所需各種類型刀具的倉庫。它是刀具自動交換系統(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)對整個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 圓盤式刀庫，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤刀庫）。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫。④ 鏈?zhǔn)降稁臁?⑤格子式刀庫。 ⑥直線式刀庫。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。根據(jù)對車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計表明，在加工過程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對于鉆削加工，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。因此從使用角度來看，刀庫的存儲量一般為20~40把較為合適，多的可達(dá)60把刀，超過60把刀的很少。
2：刀具交換裝置（機械手） 它的職能是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀—新舊刀具交換—裝刀。換刀機械手種類繁多，可以說每個廠家噢都可以推出自己的機械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。
①無機械手換刀，由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫一般為格子式，裝在工作臺上。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。這種換刀方式的換刀時間長，另外刀庫設(shè)置在工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。
②采用機械手換刀，機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應(yīng)用。雙臂機械手中zui常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具）；拔刀（主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫，然后主軸夾緊刀具）；縮回（手臂縮回到原始位置）。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機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：運刀裝置當(dāng)?shù)稁烊萘枯^大、布置得離機床較遠(yuǎn)時，就需要安排兩只機械手來完成新舊刀的交換動作，一只靠近刀庫，稱為后機械手，完成拔新刀、插舊刀的動作；一只靠近主軸，稱為前機械手，完成拔舊刀、插新刀的動作。在前后機械手之間則設(shè)有運刀裝置。它一方面將前機械手從主軸上拔出的舊刀運回刀庫旁，以便后機械手將該舊刀拔出并插回刀庫；另一方面則將后機械手從刀庫中拔出的新刀運到主軸旁，以便前機械手將該新刀拔出并插入主軸。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具
4：刀具編碼裝置： 將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，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中。加工時按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識刀器，刀庫結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動裝置都非常簡單，每次換刀時控制刀庫轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時，為某一個工件準(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床的加工能力。
②固定地址選擇方式：這是一種對號入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應(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)點是刀具可以在加工過程中多次使用。
③編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具（或刀座）都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫中。加工時根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒摺Ｓ捎诿堪训毒叨加凶约旱拇a，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關(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)編上自己的號碼。選刀時根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號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，無論將刀具放入刀庫的哪個刀座中都不會影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點是刀柄不會因尾部有編碼環(huán)而增加長度；缺點是刀具必須對號入座，換刀時間長。 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：刀具識別裝置：通常有接觸式和非接觸式兩種。
五、刀庫的驅(qū)動及定位
刀庫的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種方式。電氣驅(qū)動可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動刀庫的轉(zhuǎn)動,也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運轉(zhuǎn)信號控制電機的運轉(zhuǎn)來帶動刀庫旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動仍需電氣信號的配合,PC 給出運轉(zhuǎn)信號,一般通過電磁閥來實現(xiàn)前級控制,只是執(zhí)行機構(gòu)是液動馬達(dá)。在執(zhí)行ATC 過程時,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)確地被機械手抓住,所以刀庫的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動時可在電機上安裝位置編碼器進行定位,也可以在抓刀位置安裝接近開關(guān)來檢測定位。液動結(jié)構(gòu)的刀庫往往采用機電結(jié)合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動刀庫的定位精度較高,其它幾種方式也足以滿足刀庫定位精度的要求。
六、我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
在對內(nèi)搞活，對外開放的方針指引下，于1980年開始引進日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動技術(shù)。并于1981年開始生產(chǎn)，到1988年又開始引進美國的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動技術(shù)，在上海市機床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn)。1985年以后，我國的數(shù)控機床的可供品種已超過300種，其中數(shù)控機床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機床、鏜銑床、電加工機床、磨床、齒輪加工機床等。目前我國數(shù)控機床生產(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，幾家重點企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到400~700臺；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)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。我國的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經(jīng)濟型、普及型、和型。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，我國具有很大優(yōu)勢，在當(dāng)前每年數(shù)千臺經(jīng)濟型數(shù)控車床和電加工機床的市場上，國產(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)的市場上，我們正在取得進展。當(dāng)然，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場的開拓上仍要盡更大的力量。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(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)、快速進給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。