数控技术的新进展.ppt
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数控技术的新进展.ppt
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数控技术的新进展1.数控技术概述机床数控技术是应用数字化代码程序、控制机床实现自动化加工的柔性控制技术,是集机械制造、电子技术、计算机技术和自动检测技术与控制技术等于一体的机电一体化技术,能适应现代制造技术向多品种、小批量、高精度、高效率和自动化加工等方向发展的要求,是现代制造技术的基础。
2.数控技术的新进展和发展趋势2.1高速度、高精度和高可靠性由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带有高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,目前正在向着精度和速度的极限发展,其中进给速度已到达每分钟几十米乃至数百米。
在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m,精密级加工中心则从35m,提高到11.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标,为提高可靠性,目前主要采取以下几个方面的措施:
提高系统硬件质量,采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式,增强故障自诊断、自恢复和保护功能。
在可靠性方面,国外数控装置的MTBF值已达6000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h以上,表现出非常高的可靠性。
数控机床结构的要求具有大的切削功率和高的静、动刚度。
减少运动件的摩擦和消除传动间隙。
良好的抗震性和热稳定性。
充分满足人性化要求。
数控技术对机床主轴组件的性能要求向电机内装式电主轴单元方向发展加工中心和数控机床采用皮带传动,转速一般能达到6000rPmin;采用直连式传动,转速一般能达到8000rPmin。
转速再高会产生较大的振动噪声,且皮带、齿轮传动将造成机床结构复杂,因此,8000rPmin以上的加工中心和数控机床多采用内装式电主轴单元。
内装式电主轴单元是将电机转子直接套装在精密主轴上,通过交流无级变频调速使主轴获得所需工作速度和扭矩。
它具有调速比大,调速方法简单,传动平稳,结构简单,振动噪声小和使用维修方便等优点。
虚拟(并联)机床、五面体加工中心等高档机床由于结构的原因必须采用内装式电主轴型式。
继德国西门子公司和日本NSK公司先后开发了适用于数控机床的内装式电主轴单元后,德国的GMN公司、意大利的GAMFIOR公司也转向开发数控机床用内装式电主轴单元,电机内装式主轴单元成为当今国内外数控金属切削加工设备主轴系统技术发展的主要趋势之一。
向高速、大功率方向发展随着刀具技术、高速进给技术的进步和发展,要求机床电主轴的转速越来越高,如意大利GAMFIOR公司的数控铣床用电主轴的最高转速可达到75000rPmin(磁悬浮轴承),功率4kW;德国GMN公司的数控铣床用电主轴的最高转速也达到了60000rPmin,功率5kW;瑞士STEP-TEC公司的数控铣床用电主轴的最高转速为42000rPmin,功率13kW。
向低速、大扭矩方向发展在要求电主轴能够实现较高转速的同时,低速段要求尽可能大的输出扭矩,以满足能在同一台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求。
如德国GMN公司、意大利GAMFIOR公司和瑞士STEP-TEC公司等制造商生产的加工中心用电主轴,其低速段的输出扭矩可以达到200Nm以上,最高工作转速达到75000rPmin。
向高精度、高刚度方向发展精密数控机床需要主轴有高的回转精度、高的刚度,因此,要求电主轴采用精度高、内径尽可能大、高速性能好的轴承和先进的润滑技术。
向精确定向(准停)方向发展加工中心等数控机床由于自动换刀、刚性攻丝及精确传动的需要,要求电主轴能够实现切向准停功能。
如德国INDRMAT的主轴电机能够实现的准停精度为(1P400000)r,即0.0001。
向快速起、停方向发展为了缩短辅助时间,提高效率,要求数控机床电主轴的起、停时间越短越好,因此需要很高的起、停加速度。
目前,国外电主轴的加、减速度已达到1g以上,全速起、停时间在1s以下。
向超高速方向发展电主轴向系列化、标准化、规模化发展电主轴结构简单、安装方便、可靠性高。
电主轴向专业化、个性化发展电主轴在标准化和系列化的同时,也应注重用户需求的多样性和差异性,满足不同情况、安装方式、使用条件的电主轴会不断涌现,电主轴的应用也已扩展到航空、轻工、纺织、试验、研究行业,适用不同的用户需要.。
由于数控机床高速度、高精度和高的可靠性,对机床丝杠和导轨等传动部件也有十分高的要求。
在数控机床中主要采用丝杠螺母副。
目前,在数控机床上已经出现了塑料滑动导轨。
以聚四氟乙烯为基,添加不同的填充料所构成的高分子复合材料。
以环氧树脂为基体。
2.2轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。
区别于传统的三轴、四轴数控系统,五轴数控系统除了基本的五轴联动功能以外,还包括RTCP、坐标变换、空间刀补技术等重要功能。
1.RTCP功能RTCP(RotationToolCentrePoint)指旋转刀具中心点,确切地说,它代表一种编程功能。
为了保证在插补过程中,刀具中心点始终位于编程轨迹上,可以通过两种方法实现:
通过编程方法,该方法主要依靠CAM软件,如UG、CATIA等通过数控系统的功能,即RTCP功能,配置具有该功能的数控系统的五轴机床,都要通过必要的检测手段获得旋转轴和摆动轴的中心,作为机械固定参数值,输入到系统参数,这样使用通用五轴CAM软件编制加工程序,对于不同刀长或刀具长度变更时,只需输入刀补值即可。
2.坐标变换功能在进行坐标变换之前,需要根据五轴联动机床的结构,建立加工机床模型。
利用坐标变换原理,根据刀位文件(刀心坐标和刀轴矢量)推导出坐标变换公式,系统利用上述公式,进行内部运算处理,使得用通用CAM软件生成的数控加工程序可直接在系统上运行和加工。
3.空间刀补技术五轴联动机床一般可分为3类:
刀具旋转类型、工作台旋转类型和混合旋转类型。
它们的补偿原理类似,根据加工时切削点的不同,可分为如下两类:
第一类,使用刀具侧面加工,第二类,使用刀具端面加工。
2.3智能化、开放性、网络化,成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:
为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。
目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。
通过机床联网,可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
2.4模块化、柔性化、集成化方向的发展模块化:
硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。
根据不同的功能需求,将基本模块,如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,做成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。
柔性化包含两方面:
数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控制系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控制系统的效能。
集成化:
采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。
2.5数控系统的开放式体系结构发展开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性,并可以较容易地实现智能化、网络化。
开放式体系结构的新一代数控系统,其硬件、软件和总线规范都是对外开放的,数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行系统集成,同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便,促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用,开发生产周期大大缩短。
同时,这种数控系统可随CPU升级而升级,而结构可以保持不变。
3.结束语我国机床制造业尤其是高档数控机床的质量和数量都与国外有着很大差距,“十一五”以来,国家实施数控机床重大专项。
我国机床制造业面临着巨大的机遇和挑战。
相信通过重大专项的资助,我国数控机床行业能够不断赶追世界领先水平。
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