數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令),控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床,簡稱數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性,加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令;加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高,可以精確加工復(fù)雜型面,因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件,并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多,有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
1948年,美國帕森斯公司接受美國空軍委托,研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣,精度要求高,一般加工設(shè)備難以適應(yīng),于是提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949年,該公司在美國麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下,開始數(shù)控機(jī)床研究,并于1952年試制成功第一臺(tái)由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床,不久即開始正式生產(chǎn)。
當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件,體積龐大,價(jià)格昂貴,只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復(fù)雜型面零件;1959年,制成了晶體管元件和印刷電路板,使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代,體積縮小,成本有所下降;1960年以后,較為簡單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床,和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展,使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。
1965年,出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置,不僅體積小,功率消耗少,且可靠性提高,價(jià)格進(jìn)一步下降,促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末,先后出現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱DNC),又稱群控系統(tǒng);采用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC),使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。
1974年,研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱MNC),這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比,數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍,而體積則縮小為原來的1/20,價(jià)格降低了3/4,可靠性也得到極大的提高。
80年代初,隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置;數(shù)控裝置愈趨小型化,可以直接安裝在機(jī)床上;數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高,具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測工件等功能。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上,由程序讀入裝置接收,或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動(dòng)輸入。
數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實(shí)現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類。
點(diǎn)位控制是只控制刀具或工作臺(tái)從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位,然后進(jìn)行定點(diǎn)加工,而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。
直線控制是除控制直線軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外,還要控制在這兩點(diǎn)之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控銑床,以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。
連續(xù)軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續(xù)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓,數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能,使刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線,并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)速度,以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。
伺服機(jī)構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路,和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,通過滾珠絲杠推動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡單,工作穩(wěn)定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。
半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部,利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測出工作臺(tái)的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)、寬調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)和電液伺服馬達(dá)。位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu),為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。
閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同,只是位置檢測器安裝在工作臺(tái)上,可直接測出工作臺(tái)的實(shí)際位置,故反饋精度高于半閉環(huán)控制,但掌握調(diào)試的難度較大,常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)與半閉環(huán)相同,位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或長磁柵。
為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力,數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等,以盡量減小反向間隙。機(jī)床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌,以提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性并使低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動(dòng)機(jī),可以不用或少用齒輪傳動(dòng)和齒輪變速,這就簡化了機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸,部分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動(dòng)排屑器和自動(dòng)工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器的可編程序控制器,以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器,提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和靈活性。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化,具備完善的自診斷功能;可靠性也大大提高;數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。
未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化,多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來越多;激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上,從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍;數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高,并具有多種監(jiān)控功能,從而形成一個(gè)柔性制造單元,更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。