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數控線切割機床選型的基本規則

供稿:中國工控網 2017/9/8 9:23:53

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  隨著科學技術的發展,機械制造技術有了深刻的變化。由于社會對產品多樣化的需求更加強烈,多品種、中小批量生產的比重明顯增加,采用傳統的普通加工設備已難以適應高效率、高質量、多樣化的加工要求。機床數控技術的應用,大大縮短了機械加工的前期準備時間,并使機械加工的全過程自動化水平不斷提高,同時也增強了制造系統適應各種生產條件變化的能力。  
  數控線切割機床的基本組成包括加工程序、高頻電源、驅動系統﹑數控系統及機床本體。加工程序可由人工編寫(如早期的 3B 指令),現在都在計算機上進行繪圖(如現在的 CAXA,HL,HF,YH 等編程軟件),然后生成加工程序。程序的輸入可由數控系統的面板(單板機)進行手工輸入,也可通過計算機的 232 串行口進行傳輸,也可以用計算機 USB 接口進行傳輸。  
  在選購數控線切割機床時可從三個方面考慮,首先是機床本體能否符合自己的加工要求,機床的質量如何。其次是數控系統,數控系統有很多種類,選擇合適的系統是選購數控機床的關鍵。最后是驅動單元,也是機床控制的關鍵,不同的驅動單元能達到的加工精度也不一樣,在選擇驅動單元時,要根據加工的工件的精度要求選擇合適的驅動單元。  
  以下從機床本體﹑數控系統及驅動單元三個方面進行分析:  
1 、機床本體的選擇  
  首先機床結構設計與加工件尺寸和重量要達到最佳的匹配。對于中大型負載工作臺采用全支撐加工中心結構。這樣設計才能具有足夠的承載﹑剛度、精度、抗振性和精度保持性。其次是進給系統的機械傳動要采用滾珠絲杠,滾珠絲杠優于三角螺紋絲杠和梯形螺紋絲杠,并且要求絲杠的直徑盡可能大些,增加剛性。再次是導軌,工作臺運動導軌是保證工作臺運動精度的關鍵,用戶在選型時應高度重視。首先觀察導軌的橫截面的大小,在同等條件下,越粗壯,剛性越好,加工中越不易產生變形,才能保證機床在長期工作中能得到最高精度和耐用性。日前市場上常見的導軌結構有以下幾種:  
①鑲鋼滾珠式滾動導軌;  
②鑲鋼滾柱式滾動導軌; 
③直線滾動導軌。  
第一種與第二種的區別在導軌的滾體上,一個是滾珠一個是滾柱。滾珠與導軌面是點接觸,滾柱與導軌面是線接觸,所以它的耐磨性和軸承能力都大大優于滾珠式。而線性滑軌是一種滾動導引,它由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環,使得負載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運動,其摩擦系數可降至傳統滑動導引的 1 / 50 ,使之能輕易地達到μ m 級的定位精度。滑塊與滑軌間的末制單元設計,使得線形滑軌可同時承受上下左右等各方向的負荷,線性滑軌有更平順且低噪音的運動特性。使之精度保持和承載能力都大大優于滾珠和滾柱式。目前在進口的機床中都是采用第三種結構,所以通過對比,用戶在選型時應盡量考慮第三種結構。  
2. 數控系統的選配  
  數控系統是數控機床的“大腦”,對機床控制信息進行運算及處理。根據數控系統的原理可分為經濟型數控系統和標準型數控系統兩大類。  
2.1 經濟型數控系統  
  經濟型數控系統從控制方法來看,一般指開環數控系統。開環數控系統是指數控系統本身不帶位置檢測裝置,由數控系統送出一定數量和頻率的指令脈沖,由驅動單元進行機床定位。開環系統在外部因素影響的情況下,機床不動作或動作不到位,但系統已當機床到達了指定位置,此時機床的加工精度將大大降低。但因其結構簡單、反應迅速、工作穩定可靠、調試及維修均很方便,加之價格十分低廉,但受步進電機矩頻特性及精度、進給速度、力矩三者之間相互制約,性能的提高受到限制。所以,經濟型數控系統目前用于數控快走絲線切割及一些速度和精度要求不高的經濟型中走絲線切割機床,在普通快走絲機床的數控化改造中也得到廣泛的應用。  
2.2 精密型數控系統  
  精密型數控系統包括半閉環數控系統和全閉環數控系統。  
半閉環數控系統一般指機床的伺服電機的位置信號(光電編碼器)反饋到數控系統,系統能自動進行位置檢測和誤差比較,可對部分誤差進行補償控制,因此其控制精度比開環數控系統要高,但比全閉環的數控系統要低。  
  全閉環數控系統除包括機床的伺服電機的位置反饋外,還有機床工作臺的位置檢測裝置(通常用光柵尺)的位置信號反饋到系統,從而形成全部位置隨動控制,系統在加工過程中自動檢測并補償所有的位置誤差。  
  全閉環數控系統的加工精度是最高的,但這種系統的調試、維修極其困難,而且系統的價格很高,只適用于中、高檔的數控機床上。  
  因為開環控制系統的價格比閉環控制系統要低得多,因此在選擇數控系統時,要考慮數控系統占整臺數控機床的價格成本比例,然后根據機床的配置情況及機床本身的要求,中、低檔機床采用開環控制系統,中、高檔機床采用閉環控制系統。  
3 、驅動單元的選配  
  驅動單元包括驅動裝置和電機兩部分,對驅動單元的選購主要在于驅動裝置的選擇,因為電機是通用的部件,性能差別只存在于不同的廠家和型號。  
驅動電機主要可分為:反應式步進驅動電機、混合式(也稱永磁反應式)步進驅動電機和伺服驅動電機三大類。  
  反應式步進驅動電機的轉子無繞組,由被勵磁的定子繞組產生反應力矩實現步進運行。混合式步進電機的轉子用永久磁鋼,由勵磁和永磁產生的電磁力矩實現步進運行。步進電機受脈沖的控制,通過改變通電的順序可改變電機的旋轉方向,改變脈沖的頻率可改變電機的旋轉速度。步進電機有一定的步距精度,沒有累積誤差。但步進電機的效率低,拖動負載的能力不大,脈沖當量不能太大,調速范圍不大。目前步進電機可分為兩相、三相、五相等幾種,常用的是五相步進電機。在過去很長一段時間里,步進電機占很大的市場,但目前正逐步為伺服電機所取代。
目前常用的伺服電機是交流伺服電機,在電機的軸端裝有光電編碼器,通過檢測轉子角度用以變頻控制。從最低轉速到最高轉速,伺服電機都能平滑運轉,轉矩波動小。伺服電機有較長的過載能力,有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩。伺服電機有很小的啟動頻率,能很快從最低轉速加速到額定轉速。  
  采用交流伺服電機作為驅動器件,可以和直流伺服電機一樣構成高精度,高性能的半閉環或閉環控制系統。由于交流伺服電機內是無刷結構,幾乎不需維修,體積相對較小,有利于轉速和功率的提高。目前已經在很大范圍內取代了直流伺服電機。采用高速微處理器和專用數字信號處理機( DSP )的全數字化交流伺服系統出現后,原來的硬件伺服控制變為軟件伺服控制,一些現代控制理論中的先進算法得到實現,進而大大地提高了伺服系統的性能,因此伺服單元能較大的提高加工效率及加工精度,但伺服驅動單元的價格也較高。隨著伺服控制技術的逐步提高,目前伺服驅動單元正逐步成為驅動單元的主力軍,伺服驅動單元的價格也在逐步減低  
伺服驅動器有兩種。一種采用脈沖控制方式,此種驅動器與電機閉環,但不反饋到數控系統,這種驅動器在某種程度上可稱為開環控制的伺服控制。另一種采用電壓控制方式,通過電壓的高低進行電機的轉速控制,電機的反饋信號通過驅動器反饋到數控系統進行位置控制。  
  選擇驅動單元時,也要考慮驅動單元的價格在整臺數控機床中的比例。整臺數控機床價格較低的一般選擇步進驅動單元,而價格較高的機床選擇伺服驅動單元。但選擇驅動單元的同時,也要考慮驅動單元與數控系統的匹配問題,選擇閉環控制系統時必須選擇閉環的伺服驅動單元。交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以,在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當的控制電機。  
4 、功能選擇  
  以上是根據數控系統的加工精度進行考慮,除此以外,還要從數控系統的功能選擇上考慮。  
4.1 控制軸  
  數控系統控制軸的數量也是選擇的關鍵。按控制軸的數量可分為兩軸聯動、四軸聯動、多軸聯動等。控制軸的數量越多,機床所能加工的形狀越復雜,但其成本就越高。目前線切割割機床一般用兩個直線移動軸聯動,有錐度裝置的附加二個直線移動軸。高檔的系統則聯動的軸更多,代表線切割機床制造業最高境界的是五軸聯動數控系統,其中四個軸分別為 XYUV 直線移動軸,一個軸為 Z 軸作上下直線移動軸,五軸聯動時可加工出比較復雜的空間零件。當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟件的支持,對機床的要求也極高。控制軸越多,數控系統的價格成幾何級數增長。因此,在選擇數控系統時,要根據機床本身的運動軸進行選擇,多余的控制軸并不能提高機床的控制精度,反而增加了數控系統的成本。  
4.2 圖形顯示  
  系統的圖形顯示功能,該功能用于模擬零件加工過程,顯示真實刀具在工件上的切割路徑,可以選擇直角坐標系中的一個平面,也可選擇不同視角的三維立體,可以在加工的同時作實時的顯示,也可在機械鎖定的方式下作加工過程的快速描繪,是一種檢驗零件加工程序,提高編程效率和實時監視的有效工具。  
上述這類問題在數控線切割機床的功能配置時是經常遇到的,作為一個數控機床的設計和銷售人員以及投資購買者,都必須清楚了解數控系統的各種功能用途,根據機床的實際情況為用戶配置經濟合理、功能和價格比都比較高的數控機床,減少不必要的浪費。

審核編輯(王靜)
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