數控車床單機自動化的問題分析

萬 鑫

（甘肅工業職業技術學院，天水 741025）

1 數控車床簡介

數控車床指的就是一種建立在處理信息的技術之上的能夠完成對工件加工的自動化控制以及對一些金屬進行切削能力的機床。對工件進行加工的主要類型就是一些切削，比如鏜、車、鉸、鉆等。也有對工件進行其他工序包含攻絲。盡管工序上表現的很復雜，但當將控制這些工序的操作信息輔以程序化，實現計算機全智能化和自動化控制。

1.1 數控概述

數控指的是數字化的控制方式，即對車床的運行狀態以及在進行工件加工時的全過程中的信息進行數字化的控制，從而實現一個自動化的過程。換句話說就是利用計算機或者一些與計算機進行適配的專用裝置的信息的計算與分析功能，完成對所需過程以及相應信息的控制。這樣就對整個車床的運作過程實現了控制自動化。而且在實際應用中的成效是相當顯著的。

1.1.1 數控系統

數控系統對于整個數控車床來說起到的是一個決定性的作用。就好比人的大腦一樣，人的一切行為都是在大腦的思維決定下具象化的表現過程。思維決定著行動，類比于數控車床，指的就是系統中處理程序決定著工件加工過程的正常進行。通過數控系統的服務支持，可以讓機械控制器對代碼進行識別，然后將識別后的代碼進行存儲以及當車床的加工刀具在實際的運作過程中的工作曲線沒有嚴格準照執行，那么在這種情況下就需要通過其他的方式來無限的接近這條工作曲線，完成插補功能。

1.1.2 計算機數控

實現過程控制信息的數字化控制，就是利用計算機的相應控制軟件進行設置，從而完成這一功能。將控制過程中的模擬化信息轉變成數字化信息，可以使得整個過程的控制更加可靠穩定，在對過程中的數據信息進行處理時其實現速度是相當快的而且計算的精度也大幅提高。逐步的在改進數控車床行業所面臨的不足。國產的車床特別是一些中高檔的數控車床保證連續工作無障礙，只能達到1000小時。而國外同類型的數控車床明顯要高于國產的，它們無障礙連續工作可以達到1500小時。兩者對比發現時間相差了1/3。精確程度以及可靠穩定性等方面和國外相比明顯有差距。

1.1.3 數控加工

數控加工，簡單的說就是對工件進行加工，通過在數控車床上具體的完成的一種工序方法。從對工件進行具體加工角度上來看，雖然傳統的加工車床與現代的數字控制的車床在工藝的流程上基本保持不變，但是數字控制的車床是通過程序的編寫，也就是將所要表達的具體行為表現通過程序的編寫完成相應的操作，進而實現加工過程的自動化。

當然在數控加工過程中也是會伴隨有誤差產生的，造成數控加工產生誤差的主要是因為在加工操作開始前對所需加工的工件的要求進行程序化編程時出現的編程誤差，車床本身的機械誤差，在加工進行中對工件進行定位時產生的誤差以及刀具的刀點在與刀位點進行重合的過程中產生的誤差等，由于它們的共同作用使得在加工的過程中出現了加工誤差。簡單的說，就是數控加工誤差等于上述誤差的疊加。

1.2 組成

數控車床在傳統意義上的組成結構包括車床自身單元、檢測工件的加工位置的反饋裝置、在加工過程的跟隨或者復現表現很實時的反饋系統、數字化的控制系統、輸入的設備裝置以及程序存儲的載體等。而隨著數控車床技術的不斷進步，站在現代的角度對于數控系統的認識就會顯著提高，通過模塊化的結構設計使得對于整個車床的組成理解上有明顯的進步。就是說現代意義上的數控車床就是由數控車床自身以及計算機實現工藝信息的數控系統。如圖1所示。

圖1 數控車床的組成

1）輸入設備：數控車床的運行是根據人員對加工方法的程序化設計之后的程序運行的。一般情況，人們在進行編程后都是將所編的程序存儲在某一存儲器載體上并且按照一定的格式或者是程序代碼。接下來就通過數控車床中的組成部分輸入設備將其向計算機數控裝置中進行最后的輸入。或者采用RS232通信協議接口實現與計算機的信號進行高速傳輸。

2）計算機數控裝置：正像前面說介紹的那樣，計算機的數控裝置所依靠的及時數控系統的存在，是數控車床的一個核心所在。通常意義上，計算機的數控裝置是由輸入輸出裝置、運算器以及控制器等組成。首先將輸入設備上的數控程序，通過運算器和控制器的相關處理研究后，將分析的結果進行輸出，進而達到輸出設備。

3）伺服系統：它的作用就是改變計算機的數控裝置信號，將它接收端的脈沖信號向一種能夠讓車床識別的語言方向加以轉變。過程表現為將數控裝置接收到輸出脈沖信號，然后對這個脈沖信號進行重新合理的分配，對其進行運算放大，最后對信號進行轉換等。從而驅動裝置的運行，完成工件的具體加工。

4）測量檢測裝置：實際的工件在加工的過程中，無論是位置的檢測，還是對加工速度的反饋都毫無疑問的查處信號的變化進行實時的監視。從而保證整個運動部件的高效性以及可靠性，保證運動部件的運動精確程度。

5）車床自身：數控車床自身的主體結構是脈沖編碼器、主軸、滑板以及腳踏的開關。它的設計必須保證先講的結構設計、剛性度高以及整個加工過程的可靠穩定。

1.3 自動化工作流程

數控車床對工件進行自動化加工的流程包括以下六步：

第一步是按照工件加工的圖紙對整個加工工藝進行分析，確定一個可行性的方案，將工藝中涉及的加工參數以及位移等數據進行最終的定制。

第二步是程序編寫人員編制相應的程序。依據工件加工的工藝復雜程度而定，也可以通過自動程序編寫軟件的使用完成機械制圖的工作，使得加工工件的程序文件直接得到。

第三步是加工程序完成后，將其中的內容通過程序代碼的表現方式在信息存儲媒介上進行完整性的記錄。

第四步是使用具有閱讀功能的機器將信息存儲媒介中的程序代碼提取從而轉換成電信號，將其送至數控裝置。如果程序代碼是編寫人員手工完成的，則必須先借助數控車床上的操作面板來完成相關信息的輸入，之后才能送到數控裝置上。而如果是計算機的程序自動編寫軟件完成的程序編寫，只要將數控車床與計算機的串行通信接口進行連接，然后將程序代碼直接進行傳輸即可。最后程序會寄存在數控單元之中。

圖2 數控車床自動化工作流程

第五步是所有的程序代碼匯集到數控裝置后，數控裝置就需對這些信息進行相應的計算分析處理，結果指令轉換成數字脈沖信號傳送給伺服系統使其進行相應的工作。

第六步是指令發送到伺服系統后，伺服系統接收到。緊接著伺服系統也要做出相對應的響應即對車床進行驅動，車床上的刀具以及已經夾裝完好的工件開始依照程序數控系統中行為指令進行嚴格的位移，促使工件加工的控制自動化。

上述的流程可以參照圖2中所示的內容。

2 單機自動化的問題分析

2.1 刀具的選擇及使用壽命

由于數控車床在對信息進行分析處理時的精度非常高、對工件進行加工時的效率高以及可靠穩定等特點，使得對于數控車床的刀具的選擇有了很高的要求。無論是刀具的性能還是刀具的使用壽命。選擇刀具要根據實際的加工要求以及工件的材料組成來選擇刀具，具體包括刀具的精度、規格標準以及所屬類型等。比方說，工件的材料組成不同在加工的過程中刀具的切削性能的表現也是不盡相同的。而且工件在加工過程中的每個階段所使用的刀具也要嚴格的按照標準來選擇，比如說對工件進行粗加工時，刀具就應該考慮選擇精度相對較低的但剛性一定要好的刀具。到了精加工或者是半精加工時，刀具的精度就要有所提高，保證高精度的性能所在同時還要考慮刀具的持久耐用程度。當加工的工件構成材料是一些像銅鋁等質地相對柔軟的材料時對于立銼刀的選擇就要考慮使用刀的前角比較大的同時刀具的齒數也是有嚴格要求的，不能超過4個。

當刀具已經選擇完備后，就必須要考慮刀具的使用壽命問題。無論是一般意義上數控車床還是能夠實現自動化功能的車床，在具體的應用中要制定嚴格的使用壽命管理機制，當達到了使用時間限制后就必須進行替換。采用刀具管理機制能夠保障對工件加工的精度，加工的過程也更加的安全可靠。

2.2 自動工件尺寸測量和自動刀具補償

對于那些在尺寸上有嚴格要求的工件，就必須在機內配置一個具有自動的測量功能的裝置。裝置的測頭的安裝工位要放在車床的磚塔刀架上，當對某一個工件進行加工時要測量它的尺寸，這是測量裝置的測頭就會依據測量前制定的程序進行尺寸的測量，也就是測頭開始工作。但是在實際中有可能會出現尺寸的偏差，那么這時及需要根據工件的實際尺寸，進行自動的刀具補償保證接下來工件的測量準確性。在現實加工過程中，工件的測量都是在車床不工作的狀態下完成的，這在一定程度上影響了生產效率。這時就可以根據工件加工過程的規律性，在加工了部分工件后進行一次測量，這樣就能確保工件加工的精度，同時也保證了生產效率。

2.3 自動檢測工件的裝夾

工件在加工過程中，必須有對工件裝夾程度是否合適的自動檢測功能。這是因為自動化車床在進行工件加工時，僅僅保證工件夾緊程度是不夠的，換句話說就是在考慮一個夾緊信號的獲取時，還要檢測工件加工的一些附加的行程。人工完成工件的安裝時能夠很直觀的檢查到工件是否夾緊或者位置不正的情況，及時給予更改操作。但在自動化的加工過程中，所有的工作都是建立在機械手的操作上，對于工件的裝夾是否可靠沒辦法得到保證，即使工件已經夾緊了，但只要出現其他裝夾不可靠的情況也會使得所加工的工件是不合格品，嚴重的還會出現刀具的撞擊從而使得整個車床損壞。為了避免這樣的情況的發生，就需要增加一個檢測油缸夾緊的行程裝置。保證即使檢測到夾緊信號，出現裝夾位置不正等其他不可靠的情況，數控車床也不會繼續進行后面的動作，從而保證了自動化過程的安全可靠。

3 結束語

數控車床的應用在實際生產中是越來越廣泛，對于自動化的要求也越來越高。在實際的自動化實現過程中的問題必須得到重視，本論文所研究分析的問題只是自動化實現的一部分，希望對數控車床的單機自動化的研究能起到一些參考作用。

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