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摘 要:综述了数控技术的研究进展,介绍了数控机床的组成及系统的特点,重点论述了数控机床在机械基础加工中的应用实例,将数控机床应用于机械基础实验教学作了探讨。
关键词:数控机床;数控技术;数控系统
中图分类号:G64
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)19-0270-02
1 数控机床
自从1952年美国PARSON公司与麻省理工学院合作研制出世界上第一台数控机床之后,从此机床行业,乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。
在数控机床上加工零件时,一般是先编写零件加工程序单,即先分析零件加工图样的要求,用数字代码来描述被加工零件的工艺过程、零件尺寸和工艺参数(如主轴转速、切削速度等),编写零件加工程序单,然后利用穿孔机制作记载有加工信息的穿孔纸带,通过光电输入机将纸带上的加工信息送至数控装置,经计算机的处理与计算,发出各种控制指令,控制机床的运动,自动将零件加工出来。当变更加工对象时,只需重新编写零件的加工程序,而机床本身则不需要进行任何调整就能把零件加工出来。所以数控机床是一种灵活性极强的、高效能的全自动化加工机床,是今后机床控制的发展方向。
1.1 数控机床的组成
数控机床是一种利用数控技术,按照输入的数字程序信息进行自动加工的机床,其组成框图如图1所示。它集现代机械制造枝术、自动控制技术及计算机信息技术于一体,是高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床主要由机床主机、数控(CNC)系统、伺服驱动等装置构成。其中,机床主机是加工执行机构,数控(CNC)系统是数控机床的控制核心。伺服驱动是数控系统运动信念的功率放大装置。在数控系统的控制下,数控机床各运动轴按照程序指令速度协调运动,实现复杂加工轨迹的控制。数控机床是数控加工的硬件基礎,其性能对加工效率、精度有决定性的影响。
数控加工技术集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检侧,信息处理、光机电技术于一体,是现代机械制造技术的基础,它的迅速发展和广泛应用,有效地解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题,使机械制造业的生产方式、产品结构发生了根本性的变化。数控加工技术的水平和普及程度,已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。
1.2 华中“世纪星”数控系统
本实验中心所购置的数控机床均采用华中“世纪星”数控系统,它是在华中I型、华中2000系列数控系统的基础上,满足用户对低价格、高性能、简单、可靠的要求而开发的数控系统。
相对于国内外其他同等档次的数控系统,世纪星系列数控系统(HNC-21T,HNC-21M)具有高可靠性和高性能的特点;与其他国内外同等档次的普及型数控系统产品相比,世纪星系列数控系统的性价比较高;此外,它的配置比较置灵活,可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服驱动单元或步进电机驱动单元。世纪星系列数控系统配置交流伺服驱动器和伺服电机时,伺服驱动器和伺服电机的位置信号实时反馈到数控单元,由数控单元对它们的实际运行全过程进行精确的闭环控制。
华中“世纪星”数控系统目前已广泛用于车、铣、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织、医疗等设备,适用的领域有数控机床配套、传统产业改造、数控技术教学等。
图1 数控机床的组成及框图
2 数控机床的应用——凸轮的设计与数控加工系统
凸轮机构是机械运动机构中的一中常用机构,它可以实现预想的动作和其他机构不易实现的运动规律,在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。对凸轮进行设计时,首先要根据工作要求确定从动件的运动规律,然后按照这一运动规律设计凸轮的轮廓曲线;此外,还要求传动时受力良好,结构紧凑。因此我们现代往往采用数控加工的方法对其进行设计。
凸轮机构按驱动件可分为直动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构,以下介绍一种凸轮的设计与数控加工系统,以摆动从动件凸轮机构为重点加以阐述,实现此类凸轮机构的设计、优化、编程、校验以及数控加工。
2.1 实验设计构成及功能
本实验由数据采集运算程序软件和与加工中心的网络连接两部分构成。
其功能有:由初始设计数据通过运算,最终确定最优数据,最后可生成单片凸轮或共轭凸轮以及沟槽凸轮的实际轮廓图、刀具中心运行图、加工中心宏程序、刀具加工数据值等可选择的各类输出信息。网络连接部分实现计算机与加工中心的数据传输,这样使得凸轮机构的设计和加工变得简便易行,效率成倍提升,达到事半功倍的效果。
2.2 程序流程图及说明
由图2程序流程可以看出:凸轮机构的基本参数由中心距L、摆动从动件长度l、滚子直径Q、凸轮小半径r、凸轮大半径R、刀具直径d组成;从运行周期要已知凸轮转动方向及角度分布T1、T2、T3、T4。运用这些基本参数运行本程序系统,可以分析判断滚子从动件的受力情况,通过计算出的运动压力角,来判断某个参数的合理性,并从中挑选出机构最紧凑,受力情况良好的机构参数,最终形成满足设计要求的凸轮机构,自动形成加工中心宏程序及其工作图,用于完成加工和图纸资料归档,整个过程结束。
2.3 应用实例
以图3摆动从动件共轭凸轮为例:已知L=180mm,1=150mm,Q=φ72mm,R=110mm,r=70mm,采用刀具直径25mm,圆周角度分布为:T1=75°,T2=0°,T3=75°,T2=
210°,凸轮顺时针转动(如图3所示);由这些基本参数输入本程序系统,通过选择曲线类型进行比较和优化,最终得出符合设计要求的凸轮机构,最终输出结果。
上述自动生成的程序若在加工中心调试加工成功,则将数控技术应用到凸轮机构的设计和加工中来,明显可以提高设计准确性和加工效率。
3 结语
综上所述,数控技术具有强大的功能和广阔的应用前景,代表着金属切削加工技术的发展方向。数控机床的控制工程使单台数控机床联线生产成为了现实,又由于现代化数控机床的控制系统对各类数控机床和各类工作任务具有简单编程和自由编程的适应能力,这就为数控机床提供了广泛应用的可能性。
结合数控机床及数控加工中心,我们机械基础实验室可以为实验教学开展以下几个方面的工作:
(1)配合专业课程进行专题实验。例如数控编程课程的编程实验;工艺类的数控工艺实验;机床类的数控机床实验。学员在编程软件上进行数控编程练习,掌握数控编程的方法,针对典型零件,编制加工程序,进行图形仿真,找出错误,直到完善。同时,学员还可在编程软件上进行数控机床的操作、使用、编程、掌握数控系统的各个体系,如:机床操作编程、参数体系,机床对刀。工件加工等作必备的基本技能。此外,学员分期分批在数控机床上空运行状态下熟悉机床的实际操作方法,数控系统的使用方法、使之有感性认识。
(2)配合专业课程的课程设计。机械课程设计,作为一个强调实践环节的专业及课程,其课程设计除了必须完成一定量的书面作业外,还应完成足够的实践课时,最好是将二者有机地结合起来,针对某个实际工件,以图面设计、工艺设计、编程、加工实现一体化,作为课程设计的主导内容。
(3)选一些感兴趣的学员,在老师的指导下,在数控机床上进行实际加工练习,以加工出合格的工件为准。还可在数控机床上加工机械创新设计的产品,这样不仅可以节约经费,还可以促进学员培养动手能力和创新意识。
数控实验与机械课程相结合是重要的实践环节,通过实验,可加深对已经学过的理论基础知识的理解,还会对理论基础知识有新的认识,并得到升华。通过理论——实践——理论几个环节,学员就可以做到知其然更知其所以然。
参考文献
[1]中国机械工业协会组编.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]张建刚,胡大泽.数控技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.
[3]刘颖.CAXA制造工程师在数控加工制造中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2006.
[4]陈吉红,杨克冲.数控机床实验指南[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.
关键词:数控机床;数控技术;数控系统
中图分类号:G64
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)19-0270-02
1 数控机床
自从1952年美国PARSON公司与麻省理工学院合作研制出世界上第一台数控机床之后,从此机床行业,乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。
在数控机床上加工零件时,一般是先编写零件加工程序单,即先分析零件加工图样的要求,用数字代码来描述被加工零件的工艺过程、零件尺寸和工艺参数(如主轴转速、切削速度等),编写零件加工程序单,然后利用穿孔机制作记载有加工信息的穿孔纸带,通过光电输入机将纸带上的加工信息送至数控装置,经计算机的处理与计算,发出各种控制指令,控制机床的运动,自动将零件加工出来。当变更加工对象时,只需重新编写零件的加工程序,而机床本身则不需要进行任何调整就能把零件加工出来。所以数控机床是一种灵活性极强的、高效能的全自动化加工机床,是今后机床控制的发展方向。
1.1 数控机床的组成
数控机床是一种利用数控技术,按照输入的数字程序信息进行自动加工的机床,其组成框图如图1所示。它集现代机械制造枝术、自动控制技术及计算机信息技术于一体,是高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床主要由机床主机、数控(CNC)系统、伺服驱动等装置构成。其中,机床主机是加工执行机构,数控(CNC)系统是数控机床的控制核心。伺服驱动是数控系统运动信念的功率放大装置。在数控系统的控制下,数控机床各运动轴按照程序指令速度协调运动,实现复杂加工轨迹的控制。数控机床是数控加工的硬件基礎,其性能对加工效率、精度有决定性的影响。
数控加工技术集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检侧,信息处理、光机电技术于一体,是现代机械制造技术的基础,它的迅速发展和广泛应用,有效地解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题,使机械制造业的生产方式、产品结构发生了根本性的变化。数控加工技术的水平和普及程度,已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。
1.2 华中“世纪星”数控系统
本实验中心所购置的数控机床均采用华中“世纪星”数控系统,它是在华中I型、华中2000系列数控系统的基础上,满足用户对低价格、高性能、简单、可靠的要求而开发的数控系统。
相对于国内外其他同等档次的数控系统,世纪星系列数控系统(HNC-21T,HNC-21M)具有高可靠性和高性能的特点;与其他国内外同等档次的普及型数控系统产品相比,世纪星系列数控系统的性价比较高;此外,它的配置比较置灵活,可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服驱动单元或步进电机驱动单元。世纪星系列数控系统配置交流伺服驱动器和伺服电机时,伺服驱动器和伺服电机的位置信号实时反馈到数控单元,由数控单元对它们的实际运行全过程进行精确的闭环控制。
华中“世纪星”数控系统目前已广泛用于车、铣、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织、医疗等设备,适用的领域有数控机床配套、传统产业改造、数控技术教学等。
图1 数控机床的组成及框图
2 数控机床的应用——凸轮的设计与数控加工系统
凸轮机构是机械运动机构中的一中常用机构,它可以实现预想的动作和其他机构不易实现的运动规律,在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。对凸轮进行设计时,首先要根据工作要求确定从动件的运动规律,然后按照这一运动规律设计凸轮的轮廓曲线;此外,还要求传动时受力良好,结构紧凑。因此我们现代往往采用数控加工的方法对其进行设计。
凸轮机构按驱动件可分为直动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构,以下介绍一种凸轮的设计与数控加工系统,以摆动从动件凸轮机构为重点加以阐述,实现此类凸轮机构的设计、优化、编程、校验以及数控加工。
2.1 实验设计构成及功能
本实验由数据采集运算程序软件和与加工中心的网络连接两部分构成。
其功能有:由初始设计数据通过运算,最终确定最优数据,最后可生成单片凸轮或共轭凸轮以及沟槽凸轮的实际轮廓图、刀具中心运行图、加工中心宏程序、刀具加工数据值等可选择的各类输出信息。网络连接部分实现计算机与加工中心的数据传输,这样使得凸轮机构的设计和加工变得简便易行,效率成倍提升,达到事半功倍的效果。
2.2 程序流程图及说明
由图2程序流程可以看出:凸轮机构的基本参数由中心距L、摆动从动件长度l、滚子直径Q、凸轮小半径r、凸轮大半径R、刀具直径d组成;从运行周期要已知凸轮转动方向及角度分布T1、T2、T3、T4。运用这些基本参数运行本程序系统,可以分析判断滚子从动件的受力情况,通过计算出的运动压力角,来判断某个参数的合理性,并从中挑选出机构最紧凑,受力情况良好的机构参数,最终形成满足设计要求的凸轮机构,自动形成加工中心宏程序及其工作图,用于完成加工和图纸资料归档,整个过程结束。
2.3 应用实例
以图3摆动从动件共轭凸轮为例:已知L=180mm,1=150mm,Q=φ72mm,R=110mm,r=70mm,采用刀具直径25mm,圆周角度分布为:T1=75°,T2=0°,T3=75°,T2=
210°,凸轮顺时针转动(如图3所示);由这些基本参数输入本程序系统,通过选择曲线类型进行比较和优化,最终得出符合设计要求的凸轮机构,最终输出结果。
上述自动生成的程序若在加工中心调试加工成功,则将数控技术应用到凸轮机构的设计和加工中来,明显可以提高设计准确性和加工效率。
3 结语
综上所述,数控技术具有强大的功能和广阔的应用前景,代表着金属切削加工技术的发展方向。数控机床的控制工程使单台数控机床联线生产成为了现实,又由于现代化数控机床的控制系统对各类数控机床和各类工作任务具有简单编程和自由编程的适应能力,这就为数控机床提供了广泛应用的可能性。
结合数控机床及数控加工中心,我们机械基础实验室可以为实验教学开展以下几个方面的工作:
(1)配合专业课程进行专题实验。例如数控编程课程的编程实验;工艺类的数控工艺实验;机床类的数控机床实验。学员在编程软件上进行数控编程练习,掌握数控编程的方法,针对典型零件,编制加工程序,进行图形仿真,找出错误,直到完善。同时,学员还可在编程软件上进行数控机床的操作、使用、编程、掌握数控系统的各个体系,如:机床操作编程、参数体系,机床对刀。工件加工等作必备的基本技能。此外,学员分期分批在数控机床上空运行状态下熟悉机床的实际操作方法,数控系统的使用方法、使之有感性认识。
(2)配合专业课程的课程设计。机械课程设计,作为一个强调实践环节的专业及课程,其课程设计除了必须完成一定量的书面作业外,还应完成足够的实践课时,最好是将二者有机地结合起来,针对某个实际工件,以图面设计、工艺设计、编程、加工实现一体化,作为课程设计的主导内容。
(3)选一些感兴趣的学员,在老师的指导下,在数控机床上进行实际加工练习,以加工出合格的工件为准。还可在数控机床上加工机械创新设计的产品,这样不仅可以节约经费,还可以促进学员培养动手能力和创新意识。
数控实验与机械课程相结合是重要的实践环节,通过实验,可加深对已经学过的理论基础知识的理解,还会对理论基础知识有新的认识,并得到升华。通过理论——实践——理论几个环节,学员就可以做到知其然更知其所以然。
参考文献
[1]中国机械工业协会组编.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]张建刚,胡大泽.数控技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.
[3]刘颖.CAXA制造工程师在数控加工制造中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2006.
[4]陈吉红,杨克冲.数控机床实验指南[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.