数控机床的发展进程及要求

发布时间:2018-10-05  发布者:禹创重工机械
自上世纪50年代以来,世界 阀门专机主要经历了数控NC(Numerical Control)和计算机数控CNC( ComputerNumerical Control ) 2个阶段。数控NC阶段主要经历了以下3代:第1代数控系统,始于50年代初年,系统全部采用电子管元件,逻辑运算与控制采用硬件电路完成。第2代数控系统,始于50年代末,以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。第3代数控系统,始于60年代中期,由于小规模集成电路的出现,使其体积变小、功耗降低,性提高,推动了数控系统的进一步发展。计算机数控CNC阶段也经历了3代:第4代数控系统,始于70年代,当采用小型计算机的CNC装置在芝加哥展览会上露面时,标志着CNC技术的问世;第5代数控系统,始于70年代后期,中、大规模集成电路技术取得成就,促使廉、体积更小、集成度、工作的微处理器芯片的产生,并逐步应用于数控系统;第6代数控系统,始于90年代初,受通用微机技术发展的影响,数控系统正朝着以个人计算机((PC)为基础,向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件,其性能是 决定数控机床加工性能的重要的技术指标。因此提高进给伺服系统的动态特性与静态特性的品质是 人们始终追求的目标。接下来主要介绍一下进给伺服系统和机械传动系统的发展历程。
   1、进给伺服系统
进给伺服系统是 以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统,它是 一个很典型的机电一体化系统,主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。根据系统使用的电动机的不同,进给伺服系统分为4大类伺服系统:步进伺服系统,直流伺服系统,交流伺服系统,直线伺服系统步进伺服系统。在20世纪60年代以前,步进伺服系统是 以步进电机驱动的液压伺服电动机或是 以功率步进电机直接驱动为特征,伺服系统采用开环控制。步进伺服系统接受脉冲信号,它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节,步进电机的精度取决于步距角的精度,齿轮传动间隙等,所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象,它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制,步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象,停止时转速过高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较长,速度响应较慢。但是 由于其结构简单、易于调整、工作、价格较低的特点,在许多要求不高的场合还是 可以应用的。
60一70年代后,数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大,过载,伺服系统也由开环控制发展为闭环控制,因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是 ,随着现代工业的发展,其相应设备如数控机床、三面数控镗孔机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求,尤其是 精度、性等性能。而传统直流电动机采用的是 机械式换向器,在应用过程中面临很多问题,如电刷和换向器易磨损,维护工作量大,成本高;换向器换向时会产生火花,使电机的较高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。
交流伺服系统针对直流电动机的缺点,人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法,以满足各种应用领域,尤其是 、高性能伺服驱动领域的需要。但是 由于交流电机具有强祸合、非线性的特性,控制非常复杂,所以高性能运用一直受到局限自80年代以来,随着电子电力等各项技术的发展,特别是 现代控制理论的发展,在矢量控制算法方面的突破,原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决,交流伺服发展越来越快直线伺服系统永磁同步直线电机在推力、动态性能、定位精度方面比其他直线电机更具优越性,因而越来越多的用于直线伺服系统中。但由于直线伺服系统存在很大的参数摄动和负载扰动,此外还存在“边端效应”等问题,因此,采用传统的比例或比例积分位置调节器的矢量控制系统很难满足高性能伺服系统的要求。
2、机械传动系统
机械传动系统由数控机床的主传动系统,进给运动系统,回转工作台与导轨组成。数控机床主传动系统的作用就是 产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。主传动系统组成包括主轴电动机、传动系统和主轴组件等。其中动力源部分包括:电机;传动系统包括:定比传动机构、变速装置;运动控制装置包括:离合器、制动器;执行件包括:主轴等。进给运动是 以刀具与工件相对位置关系为目的,被加工工件的轮廓精度和位置精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。进给运动是 数字控制系统的直接控制对象。对于闭环控制系统,还要在进给运动的末端加上位置检测系统,并将测量的实际位移反馈到控制系统中,以使运动更准确。回转工作台的作用:按照数控装置的指令做回转分度或连续回转进给。导轨的作用:起导向及支承作用,它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力,要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的、良好的低速运动平稳性,同时应尽量使导轨结构简单,便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。
1)液体静压导轨:在两导轨工作面间通人具有压力的润滑油,形成静压油膜,使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态,摩擦系数极低,多用于进给运动导轨。
2)气体静压导轨:在两导轨工作面间通人具有恒定压力的气体,使两导轨面形成均匀分离,以的运动这种导轨摩擦系数小,不易引起发热变形,但会随空气压力波动而使空气膜发生变化,且承载能力小,故常用于负荷不大的场合。
3)贴塑导轨:在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带,其优点是 导轨面的摩擦系数低,且动静摩擦系数接近,不易产生爬行现象;塑料的阻尼性能好,具有吸收振动能力,可减小振动和噪声;、化学稳定性、可加工性能好;工艺简单、成本低。滚动导轨的较大优点是 摩擦系数很小,一般为0.0025一0.005,比贴塑料导轨还小很多,且动、静摩擦系数很接近,因而运动轻便灵活,在很低的运动速度下都不出现爬行,低速运动平稳性好,位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是 抗振性差,结构比较复杂,制造成本较高。近年来数控机床愈来愈多地采用由厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高,对机床的安装基面要求不高,安装、调整都非常方便。
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