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第五章　數控機床及工業機器人

第一節　數控機床

一、什么是數控機床

數控即數字控制，即NC(Numerical Control)。

計算機數控，Computerized Numerical Control，簡寫為CNC。

二、數控機床的發展

數控機床產生于1952年，美國麻省理工學院

三、數控機床是如何加工零件的

將工件的形狀尺寸以及加工過程所需的各種操作(如主軸變速、刀具選擇、冷卻液供給、進給、起停等)用程序表示。

由數控裝置對輸入的信息進行處理和運算，按照零件加工程序的要求控制機床伺服驅動系統，實現刀具與工件的相對運動，完成零件加工。當被加工工件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只要更換程序即可。

在進行曲線輪廓加工時，只要知道曲線的種類、起點、終點以及速度等，就可以根據給定的數字函數，如線性函數、圓函數或高次曲線函數，在曲線的起點和終點之間進行數據點的密化，確定一些中間點，從而加工出給定的曲線輪廓，這種方法稱為插補。

插補算法是數控加工技術中的一個基本問題。

目前常用的插補算法有兩大類：

以脈沖形式輸出的脈沖增量法，它適合于以步進電動機作為驅動元件的開環伺服驅動系統;

以數字量形式輸出的數字增量法，它適合于以交、直流伺服電動機作為驅動元件的閉環(或半閉環)伺服驅動系統。

要實現數控加工必須：

⑴具有一個既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數學模型進行插補運算，實時地向各坐標軸發出速度控制指令的數字計算機，即控制裝置;

⑵具有能夠快速響應,并具有足夠功率的伺服驅動裝置;

⑶具有能夠滿足上述加工方式的機床主機，輔助裝置和刀具。

四、為什么要發展、使用數控機床

優點：數控機床可以加工出普通機床難以加工或不能加工的復雜型面;數控機床按預先編寫的零件加工程序自動加工，加工精度還可以利用軟件進行校正和補償，因此可以獲得高的加工精度和重復精度;與普通機床加工相比，在數控機床上加工可提高生產率2～3倍，對于一些復雜零件，生產率可提高十幾倍甚至幾十倍等等。總之數控機床特點高效率，高精度，柔性好

表5-1 數控機床與普通機床的性能比較表

五、數控機床的組成

數控機床分成兩大部分，即CNC系統和機床主機(包括輔助裝置)。

圖5-1 數控機床組成框圖

(一)CNC系統

由程序、輸入輸出(I / O)設備、CNC裝置、主軸驅動單元及進給驅動單元組成。

CNC 裝置是 CNC 系統的核心，它由計算機(包括硬件和軟件)、可編程控制器(PLC)和接口電路，三部分組成。

零件加工程序是CNC系統的重要組成部分。

輸入輸出設備主要用于零件加工程序的編制、存儲、打印、顯示等。

在數控機床中，有主軸驅動系統和進給驅動系統。

主軸驅動裝置由主軸控制單元、交直流主軸電動機與速度檢測元件組成。

進給驅動裝置由進給控制單元、進給伺服電動機與檢測元件組成。

(二)主機

數控機床也有普通機床都具有的床身、立柱、主軸、工作臺等關鍵部件，但在設計上已有很大變化。為了滿足數控機床高自動化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其機械結構具以下一些特點：

1.高剛度和高抗振性。提高機床靜剛度和固有頻率，改進機床結構的阻尼特性是提高機床動剛度和抗振性的有效方法。

通過機床結構、筋板的合理布局，例如加大主軸的支承軸徑，縮短主軸端部的受力懸伸段，床身采用鋼板焊接結構等方法來提高剛度;采用新材料，特殊結構也可以提高動剛度和抗振能力。

2.減小機床熱變形。為了減小熱變形，常采取以下措施：采用熱對稱結構及熱平衡措施;對于發熱部件(如主軸箱、靜壓導軌液壓油等)采取散熱、風冷、液冷等控制溫升;對切削部位采取強冷措施;專門采用熱位移補償，即預測熱變形規律，建立數學模型，存入計算機，來進行實時補償。

3.采用滾動導軌、靜壓導軌、滾珠絲杠、塑料滑動導軌等高效率、無間隙、低摩擦傳動。

4.簡化的機械傳動結構。采用高性能、寬調速范圍的交直流主軸電動機和伺服電動機，使主軸箱、進給變速箱及其傳動系統大為簡化，提高傳動精度和可靠性。

(三)輔助裝置

為了保證數控機床正常運行、功能充分發揮，必須配備必要的輔助裝置，包括：電器、液壓、氣動元件及系統;冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等裝置;交換工作臺，數控轉臺，數控分度頭;刀具及其監控檢測裝置等。

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（責任編輯：中大編輯）

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