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基本概述

數(shù)控技術(shù)(Numerical Control Technology)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備。數(shù)控技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)(Advanced Manufacturing Technology, AMT)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控機(jī)床(Numerical Control Machine)是電子信息技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它集機(jī)械制造技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等多學(xué)科為一體，具有高效率、高精度、高自動(dòng)化和高柔性的特點(diǎn)，是當(dāng)代制造業(yè)的重要裝備。

當(dāng)今世界各國制造業(yè)通過發(fā)展數(shù)控技術(shù)，建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，促使制造業(yè)跨人了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，從而提高制造能力和水平，提高發(fā)展經(jīng)濟(jì)的適應(yīng)能力和竟?fàn)幠芰Α？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)，已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

數(shù)控技術(shù)的幾個(gè)概念

數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)行及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡稱數(shù)控。

數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)ISO的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從一而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件。”

數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。

數(shù)控技術(shù)的組成

數(shù)控技術(shù)由機(jī)床本體、數(shù)控系統(tǒng)及外圍技術(shù)三部分組成，如圖1一i所示。

機(jī)床本體主要由床身、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等基礎(chǔ)件和刀架、刀庫等配套件組成。

數(shù)控系統(tǒng)由輸人/輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、可編程控制器( Programmable Logic Control , PLC)及主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及測量裝置等組成。其中，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

外圍技術(shù)主要包括工具技術(shù)(主要指刀具系統(tǒng))、編程技術(shù)和管理技術(shù)。

工作原理

數(shù)控機(jī)床的工作原理是:首先按照零件加工的技術(shù)和工藝要求編寫零件加工程序，然后將加工程序輸人到數(shù)控裝置，最后通過數(shù)控裝置控制主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、更換刀具以及工件的夾緊與松開、冷卻潤滑泵的開與關(guān)，使刀具、工件和其他輔助裝置按加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。

基本組成

數(shù)控機(jī)床一般由程序載體、輸人裝置、數(shù)控裝置(CNC)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、強(qiáng)電控制裝置、位置檢測裝置、機(jī)床(主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助動(dòng)作機(jī)構(gòu))組成。

1.程序載體

程序載體是對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，建立人與數(shù)控機(jī)床某種聯(lián)系的媒介物。在程序載體上存儲(chǔ)加工零件所需要的全部幾何信息和工藝信息。它可以是穿孔紙帶、磁盤等，采用哪一種存儲(chǔ)載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)類型。

2.輸人裝置

輸人裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。根據(jù)程序存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，輸人裝置可以是光電閱讀機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器等。有些數(shù)控機(jī)床，不用任何程序存儲(chǔ)載體，而是將數(shù)控程序單的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工方式(MDI方式)輸人，或者將數(shù)控程序由編程計(jì)算機(jī)用通信方式傳送到數(shù)控裝置。

3.數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它接受輸人裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令控制機(jī)床的各個(gè)部分，進(jìn)行規(guī)定、有序的動(dòng)作。

4.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置(電機(jī))組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。每個(gè)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它是機(jī)床工作的動(dòng)力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)付諸實(shí)施。從某種意義上說，數(shù)控機(jī)床功能的強(qiáng)弱主要取決于CNC裝置，而數(shù)控機(jī)床性能的高低主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

5.強(qiáng)電控制裝置

強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動(dòng)變速、刀具選擇交換、輔助裝置動(dòng)作等指令信號，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后，直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件，以完成指令所規(guī)

定的動(dòng)作。此外，還有行程開關(guān)和監(jiān)控檢測等開關(guān)信號也要經(jīng)過強(qiáng)電控制裝置送到數(shù)控裝置進(jìn)行處理。

6.檢測裝置

檢測裝置也稱反饋元件，通常安裝在機(jī)床的工作臺(tái)或絲杠上，它把機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移轉(zhuǎn)變成電信號反饋給CNC裝置，供CNC裝置與指令值比較產(chǎn)生誤差信號，以控制機(jī)床向消除該誤差的方向移動(dòng)。因此，檢測裝置是高性能數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。此外，可以在線顯示機(jī)床移動(dòng)部件的坐標(biāo)值，大大提高工作效率和.工件的加工精度。

7.機(jī)床的機(jī)械部件

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括:主運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件和床身立柱等支承部件，此外，還有冷卻、潤滑、排屑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫、交換刀具的機(jī)械手等部件。

基本分類

數(shù)控機(jī)床的品種規(guī)格很多，可以從不同的角度進(jìn)行分類，常用的分類方法有:按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類、按何服系統(tǒng)控制方式分類、按工藝用途分類和按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類。

按控制系統(tǒng)特點(diǎn)的分類

按數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類，可將數(shù)控機(jī)床分為點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床、直線控制數(shù)控機(jī)床和輪廓控制數(shù)控機(jī)床三種類型。

1.點(diǎn)位控制(Point to Point Control)數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的主要特點(diǎn)是只控制刀具(或工作臺(tái))從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件在移動(dòng)中不進(jìn)行加工，只要求以最快的速度從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)。至于點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡(路徑與方向)并無嚴(yán)格要求，各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)并不相關(guān)。例如，數(shù)控鉆床、數(shù)控鎖床、數(shù)控沖床等。

2.直線控制(Line Control )數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床是在點(diǎn)位控制基礎(chǔ)上，除控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位外，而且還要求從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間按直線移動(dòng)、按指定的進(jìn)給速度作直線切削。例如，平面銑削的數(shù)控銑床、階梯車削的數(shù)控車床、磨削加工的數(shù)控磨床，按指定的進(jìn)給速度作直線切削。

3.輪廓控制(Contouring Control)數(shù)控機(jī)床

輪廓控制數(shù)控機(jī)床也稱為連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床，其特點(diǎn)是能夠同時(shí)對兩個(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)位移和速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)控制，不僅要控制起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，而且對每瞬時(shí)的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)控制，使刀具與工件間的相對運(yùn)動(dòng)符合工件加工輪廓的表面要求。例如，具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。目前的大多數(shù)金屬切削機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)都是輪廓控制系統(tǒng)。

按伺服系統(tǒng)控制方式的分類

由數(shù)控裝置.發(fā)出脈沖或電壓信號，通過伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床按伺服系統(tǒng)控制方式分類有三種形式:開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。

1.開環(huán)控制(Open Loop Control)數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)中沒有位移檢測反饋裝置，控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)，輸人數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)算，輸出指令脈沖控制步進(jìn)電機(jī)工作，然后通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成刀架或工作臺(tái)的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)不檢測，無反饋控制信號，因此稱之為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備成本低，位移精度一般不高，工作速度受到步進(jìn)電機(jī)的限制。但其控制方便，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，在我國廣泛用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床或舊設(shè)備的數(shù)控改造中。

2.閉環(huán)控制(Closed Loop Control)數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床又稱全閉環(huán)控制機(jī)床，其檢測裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實(shí)際運(yùn)行位置(直線位移)，反饋給數(shù)控裝置，將其與數(shù)控裝置的指令位置(或位移)相比較，用比較的誤差值控制伺服電機(jī)工作，直至到達(dá)實(shí)際位置，誤差值消除，因此稱之為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用伺服電機(jī)，有位置測量元件和位置比較電路，直接檢測校正，位置控制精度很高。但由于它將滾珠絲杠螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣量環(huán)節(jié)放在閉環(huán)之內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，調(diào)試?yán)щy，而且設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

3.半閉環(huán)控制(Semi-closed Loop Control)數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床的位置檢測元件安裝在伺服電機(jī)上，通過測量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)等執(zhí)行部件的實(shí)際位置(或位移)。反饋至位置比較電路，與指令中的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電機(jī)工作。這種用推算方法間接測量工作臺(tái)位移，不能補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)鏈零件的誤差，因此稱之為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于它將絲杠螺母副及機(jī)床.工作臺(tái)等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補(bǔ)償它們的運(yùn)動(dòng)誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高于開環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)試比閉環(huán)控制系統(tǒng)容易，設(shè)備的成本介于開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。

按工藝用途的分類

按工藝用途可把數(shù)控機(jī)床分為金屬切削數(shù)控機(jī)床、金屬成形數(shù)控機(jī)床和數(shù)控特種加工機(jī)床。

1.金屬切削數(shù)控機(jī)床

如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心等各種普通數(shù)控機(jī)床，其加工原理是用切削刀具對零件進(jìn)行切削加工。

2，金屬成形數(shù)控機(jī)床

金屬成形數(shù)控機(jī)床是指使用擠、沖、壓、拉等成形工藝的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)等。

3.數(shù)控特種加工機(jī)床

這類機(jī)床包括數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床等。

按數(shù)控系統(tǒng)功能水平的分類

按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，數(shù)控機(jī)床可以分為經(jīng)濟(jì)型(低檔或簡易型).、普及型(中檔型)和高檔型三種類型。這種分類方法沒有明確的定義和確切的分類界限，不同的國家分類的含義也不同，且數(shù)控技術(shù)在不斷發(fā)展，不同時(shí)期的含義也在不斷發(fā)展變化。下面的論述僅作為功能水平分類的參考條件。

1.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床的驅(qū)動(dòng)元件一般是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動(dòng)，控制軸數(shù)為3軸或3軸以下，脈沖當(dāng)量或進(jìn)給分辨率為10一5 µm，快速進(jìn)給速度可達(dá)10 m/min。數(shù)控系統(tǒng)多為8位單板機(jī)或單片機(jī)，用數(shù)碼管顯示，一般不具備通信功能。這類機(jī)床結(jié)構(gòu)一般比較簡單，精度中等，能滿足加工形狀比較簡單的直線、斜線、圓弧及螺紋加工，價(jià)格比較便宜。

2.普及型或中檔型數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床采用直流或交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)4軸或4軸以下聯(lián)動(dòng)控制，進(jìn)給分辨率為1µm，快進(jìn)速度可達(dá)15一24 m/min，一般采用l6或32位處理器，具有RS - 232C通信接口，具有圖形顯示功能及面向用戶宏程序功能。此類數(shù)控機(jī)床的品種很多，幾乎覆蓋了各種機(jī)床類型，其發(fā)展趨勢是趨向于簡單、實(shí)用，不追求過多功能，保持價(jià)格適當(dāng)且不斷有所降低。

3.高檔型數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床是指加工復(fù)雜形狀的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床或加工中心，功能強(qiáng)、工序集中、自動(dòng)化程度高、具有高柔性。一般采用64位以上微處理器，形成多CPU結(jié)構(gòu)。采用數(shù)字化交流伺服電機(jī)形成閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，并開始使用直線伺服電機(jī)，具有主軸伺服功能，能實(shí)現(xiàn)5軸以上聯(lián)動(dòng)，最高分辨率可達(dá)0. 1µ.m或更小，最大快進(jìn)速度可達(dá)100 m/min以上;具有三維動(dòng)畫功能進(jìn)行加工仿真檢驗(yàn)和宜人的圖形用戶界面，同時(shí)還具有多功能智能監(jiān)控系統(tǒng)和面向用戶的宏程序功能，有很強(qiáng)的智能診斷和智能工藝數(shù)據(jù)庫，能實(shí)現(xiàn)加工條件的自動(dòng)設(shè)定，且實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和通信。

基本特點(diǎn)

與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn)。

1.適合于復(fù)雜異形零件的加工

數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

2.具有高度柔性

在數(shù)控機(jī)床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機(jī)床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機(jī)床。因此，數(shù)控機(jī)床適用于零件頻繁更換的場合。也就是適合單件、小批生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)省了大量工藝設(shè)備的費(fèi)用。

3.加工精度高

數(shù)控機(jī)床有較高的加工精度，一般在0. 005一0. 1 mm，數(shù)控機(jī)床的加工精度不受零件復(fù)雜程度的影響。數(shù)控機(jī)床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置每輸出一個(gè)脈沖信號，則機(jī)床移動(dòng)部件移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量(一般為0. 001 mm )，而且機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償。因此，數(shù)控機(jī)床具有較高的加工精度。

4.加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠

數(shù)控加工過程，對于同一批零件，由于使用同一機(jī)床和刀具以及同一加工程序，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡完全相同，數(shù)控機(jī)床自始至終都根據(jù)數(shù)控程序自動(dòng)進(jìn)行加工，可以避免人為的誤差，這就保證了零件加工的一致性好且質(zhì)量穩(wěn)定。

5.生產(chǎn)率高

數(shù)控機(jī)床可有效地減少零件的加工時(shí)間和輔助時(shí)間，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍都比普通機(jī)床大，允許機(jī)床進(jìn)行大切削量的強(qiáng)力切削，數(shù)控機(jī)床目前正進(jìn)人高速加工時(shí)代，數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件的快速移動(dòng)和定位及高速切削加工，減少了半成品的工序間周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。一般為普通機(jī)床的3一5倍，對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。

6.改善勞動(dòng)條件

數(shù)控機(jī)床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸人程序并啟動(dòng)，機(jī)床就能自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行加工，直至加工結(jié)束。操作者主要從事程序的輸人、編輯，裝卸零件，刀具準(zhǔn)備，加工狀態(tài)的觀測，零件的檢驗(yàn)等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度極大降低，機(jī)床操作者的勞動(dòng)趨于智力型工作。另外，機(jī)床一般是封閉式加工，既清潔，又安全。

7.利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化

采用數(shù)控機(jī)床有利于向計(jì)算機(jī)控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化創(chuàng)造條件。數(shù)控機(jī)床的加工，可預(yù)先精確估計(jì)加工時(shí)間，所使用的刀具、夾具可進(jìn)行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機(jī)床使用數(shù)字信號與標(biāo)準(zhǔn)代碼為控制信息，易于實(shí)現(xiàn)加工信息的標(biāo)準(zhǔn)化，目前已與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)有機(jī)地結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

8.易于建立計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

數(shù)控機(jī)床具有的通信接口.可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的連接，組成工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)，采用制造自動(dòng)化協(xié)議(MAP)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)管理與控制。數(shù)控機(jī)床是使用數(shù)字信息作為控制信息，易于與CAD系統(tǒng)連接，形成CAD/CAM一體化系統(tǒng)，是FMS,CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

9.維修困難

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對維修人員的技術(shù)要求很高。

發(fā)展歷史

數(shù)控機(jī)床是在機(jī)械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其過程大致如下。

1948年，最早采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想是美國帕森斯公司( Parsons Co. )，當(dāng)時(shí)在研制加工直升機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗(yàn)用樣板的機(jī)床時(shí)，由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難于實(shí)現(xiàn)，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機(jī)床的設(shè)想。

1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件。這就是數(shù)控機(jī)床的第一代。

1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，考慮從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制自動(dòng)編程系統(tǒng)的開始。1955年研制成功AP'T ( Automatically Programmed Tools)是自動(dòng)編程系統(tǒng)的開始。

1959年，計(jì)算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代。1959年，美國克耐·杜列克公司(Keaney & Treker Co.)在世界土首先研制成功帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心” (Machining Center) 。

1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。

以上三代，都是采用專用控制計(jì)算機(jī)的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控(Numerical Gontrol , NC)機(jī)床。

1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床種類和數(shù)量的發(fā)展。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)開始取代專用數(shù)控計(jì)算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(Computer Numerical Contrul ,CNC ) 。1970年在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了數(shù)控機(jī)床采用小型計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第四代。

1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置;數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上;數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測工件等功能。

20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC + CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機(jī)為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。由于基于PC的開放式數(shù)控技術(shù)可以充分利用PC機(jī)豐富的軟、硬件資源和適于PC機(jī)的各種先進(jìn)技術(shù)，已成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。

數(shù)控系統(tǒng)從1952年開始，經(jīng)歷了第一代的電子管、第二代的晶體管、第三代的小規(guī)模集成電路、第四代的計(jì)算機(jī)數(shù)控以及第五代的軟件數(shù)控和微處理器的發(fā)展過程。

現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅猛、性能愈來愈強(qiáng)大，可以滿足不同層面用戶的需要，數(shù)控系統(tǒng)的性能決定了數(shù)控機(jī)床的功能。

發(fā)展趨勢

1.數(shù)控系統(tǒng)

推動(dòng)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是數(shù)控系統(tǒng)。當(dāng)今占絕對優(yōu)勢的微處理器數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速，而且勢頭不減。

(1)新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)90年代以來，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)為平臺(tái)和豐富的軟、硬件資源，開發(fā)了開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。近幾十年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站/機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)”（NGC），歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”(OSACA)，日本的OSEC計(jì)劃等。

(2)新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能大大提高。數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化發(fā)展。隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引人了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ埽胰藱C(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。

2.機(jī)床結(jié)構(gòu)

（1）提高機(jī)床支承部件及結(jié)合部件的剛度。對提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性有重要作用，人們正在對支承件的材料、布局結(jié)構(gòu)形式及結(jié)合方式作進(jìn)一步探索。

(2)向高速化發(fā)展。近些年來，隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新資料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化請求越來越高。主軸轉(zhuǎn)速，機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī))，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000 r/min;運(yùn)算速度，微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障;換刀速度，現(xiàn)在國外優(yōu)秀加工中心的刀具交流時(shí)間廣泛已在1s左右，高的已達(dá) 0. 5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時(shí)間僅0. 9s.。

(3)向高精度化發(fā)展.提高數(shù)控機(jī)床及加工中心加工精度的方法是提高精度診斷技術(shù)、提高圓弧插補(bǔ)補(bǔ)償精度和定位精度;提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率可提高機(jī)床的位置精度。數(shù)控機(jī)床精度的請求當(dāng)今己經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對振動(dòng)的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。;

(4)不斷擴(kuò)大功能復(fù)合化。復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能實(shí)現(xiàn)從毛坯至成成品的多種要素加工。根據(jù)其構(gòu)造個(gè)性可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床如鏜銑鉆復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)劑刀具的輔助時(shí)間以及中心過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)工序的分散的生產(chǎn)方法具有明顯優(yōu)勢。

3.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)代數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)趨向于采用數(shù)字式交流伺服與主驅(qū)動(dòng)(或伺服)，把微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)引進(jìn)電機(jī)控制，使交流伺服電機(jī)的位置、速度及電流調(diào)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，進(jìn)一步提高控制精度、速度及柔性。隨之進(jìn)給速度提高到60一200 m/min。在必須采用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”的直線伺服進(jìn)給方式，主軸驅(qū)動(dòng)采用高速大功率電主軸，即將電機(jī)轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上。在數(shù)字控制基礎(chǔ)上，能采用軟件控制，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，且有前饋控制功能和學(xué)習(xí)控制功能及各種軟件補(bǔ)償功能.。

采用高分辨率位置檢測裝置，如高分辨率脈沖編碼器，不僅可以提高位移檢測分辨率，而且還可以通過微分形成速度信號，同時(shí)實(shí)現(xiàn)速度檢測功能。

4..數(shù)控裝置向高速、高效、高精度、高可靠性發(fā)展

要提高加工效率，首先必須提高切削和進(jìn)給速度，同時(shí)，還要縮短加工時(shí)間;要確保加工質(zhì)量，必須提高機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)軌跡的精度，而可靠性則是上述目標(biāo)的基本保證。為此，必須要有高性能的數(shù)控裝置作保證。

機(jī)床向高速化方向發(fā)展，充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。

5.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化

21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控技術(shù)系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)地診斷及維修等。

為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題，數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的未來之路。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范，運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。

數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。

6.重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立

數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50多年間的信息交換都是基于ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G ,M代碼描述如何加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO 14649 ( STEP - NC )，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。STEP一NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，STEP一NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)下，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向:，其次，STEP一NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75% )、加工程序編制時(shí)間(約35%)和加工時(shí)間(約50%)、.

7.模塊化、柔性化和集成化

為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn)，機(jī)床結(jié)構(gòu)要模塊化，數(shù)控功能要專門化，機(jī)床性能價(jià)格比要顯著提高并加快優(yōu)化。

數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC，FMS，FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展;另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD,CAM,CAPP,MIS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。

8.機(jī)床的操作與編程

新一代數(shù)控機(jī)床要有用戶控制界面，使得機(jī)床操作與編程更為方便。應(yīng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交.互式宏程序設(shè)計(jì)、三維圖形仿真實(shí)驗(yàn)，而且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“前臺(tái)加工，后臺(tái)程序編制”的所謂前后臺(tái)功能，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的利用率。此外還要有實(shí)物示教編程，高效的CAD/CAPP/CAM集成化自動(dòng)編程。還應(yīng)引進(jìn)圖像識(shí)別、聲控識(shí)別等模式識(shí)別技術(shù)，使系統(tǒng)能自己辨認(rèn)圖像，按照自然語言進(jìn)行加工等。

(t)簡化編程，提高柔性和精度是當(dāng)前數(shù)控軟件的開發(fā)重點(diǎn)課題之一。有些數(shù)控系統(tǒng)具備控制和編程功能，系統(tǒng)內(nèi)包含大量固定循環(huán)、子程序和工藝數(shù)據(jù)，并能自動(dòng)計(jì)算交點(diǎn)、切點(diǎn)等數(shù)據(jù)，使程序編制和校驗(yàn)很方便。有的還有宏程序的設(shè)計(jì)功能，會(huì)話式自動(dòng)編程、藍(lán)圖編程等功能，從語言編程發(fā)展到圖形編程。

(2)為適應(yīng)CIMS及CAD/CAM一體化技術(shù)的發(fā)展需要，數(shù)控編程系統(tǒng)出現(xiàn)了向集成化(數(shù)控編程在CAD/CAM系統(tǒng)中的集成)和智能化(將人的知識(shí)加入集成化的CAD/CAM系統(tǒng)中，并將人的判斷及決策交給機(jī)器完成)發(fā)展的趨勢。可以認(rèn)為集成化與智能化是當(dāng)前數(shù)控編程的發(fā)展方向。目前，在集成化方面已有許多研究成果，在智能化方面尚需開拓與努.力。

9.通信功能

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都應(yīng)具備強(qiáng)大的通信功能，可以與其他CNC系統(tǒng)、上位機(jī)、編程機(jī)及各種外設(shè)進(jìn)行通信，滿足DNC(群控)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)，以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的要求，數(shù)控系統(tǒng)除了具備RS一232C或RS一422等高速遠(yuǎn)距離通信接口外，還應(yīng)具備DNC接口，采用符合ISO互聯(lián)(OSI)參考模型的有關(guān)協(xié)議，如MAP/MMS，即制造自動(dòng)化協(xié)議/制造報(bào)文規(guī)范和現(xiàn)場總線等。

今后，隨著計(jì)算技術(shù)、測試技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的研究和知識(shí)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)也必將面臨新課題的挑戰(zhàn)。

小結(jié)

本章主要論述了數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床的概念、數(shù)控技術(shù)的組成、數(shù)控機(jī)床的工作原理與組成、數(shù)控機(jī)床的分類及特點(diǎn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢。

數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)行及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡稱數(shù)控。

數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)ISO的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件。”

數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。

數(shù)控技術(shù)由機(jī)床本體、數(shù)控系統(tǒng)及外圍技術(shù)三部分組成。

數(shù)控機(jī)床的工作原理是：首先按照零件加工的技術(shù)和工藝要求編寫零件加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，最后通過數(shù)控裝置控制主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、更換刀具以及工件的夾緊與松開、冷卻潤滑泵的開與關(guān)，使刀具、工件和其他輔助裝置按加工程序規(guī)定的次序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。

數(shù)控機(jī)床一般由程序載體、輸入裝置、數(shù)控(CNC)裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、強(qiáng)電控制裝置、位置檢測裝置、機(jī)床(主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助動(dòng)作機(jī)構(gòu))組成。

數(shù)控機(jī)床的品種規(guī)格很多，可以從不同的角度進(jìn)行分類，常用的分類方法有：按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類、按伺服系統(tǒng)控制方式分類、按工藝用途分類和按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類。

與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn):①適合于復(fù)雜異形零件的加工；②具有高度柔性;③加工精度高;④加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠；⑤生產(chǎn)率高;⑥改善勞動(dòng)條件；⑦利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化；⑧易于建立計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)；⑨維修困難。

簡要說明了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢：①數(shù)控系統(tǒng)，新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能大大提高;②機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床支承部件及結(jié)合部件的剛度，向高速化發(fā)展，向高精度化發(fā)展，不斷擴(kuò)大功能復(fù)合化;③伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)代數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)趨向于采用數(shù)字式交流伺服與主驅(qū)動(dòng)(或伺服)，把微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)引進(jìn)電機(jī)控制，使交流伺服電機(jī)的位置、速度及電流調(diào)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，進(jìn)一步提高控制精度、速度及柔性;④數(shù)控裝置向高速、高效、高精度、高可靠性發(fā)展;⑤智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化;⑥重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立;⑦模塊化、柔性化和集成化;⑧機(jī)床的操作與編程，簡化編程，數(shù)控編程在CAD/CAM系統(tǒng)中的集成和智能化;⑨通信功能。

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