1.1 數控機床的基本知識

知識導圖

1.1.1 數控機床的概念

1.數字控制（Numercial Control, NC）技術

數字控制技術是20世紀中期發展起來的一種技術，是用數字化信號進行控制的一種方法。

2.數控機床（Numerical Control Machine Tool）

數控機床是用數字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的機床，或者說是裝備了數控系統的機床。它是一種技術密集度及自動化程度很高的機電一體化加工設備，是數控技術與機床相結合的產物。

3.NC機床

早期的數控機床控制系統采用各種邏輯元件、記憶元件構成隨機邏輯電路，屬于固定接線的硬件結構，由硬件來實現數控功能，稱為硬件數控，用這種技術實現控制功能的數控機床稱為NC機床。

4.CNC機床

現代數控系統是采用微處理器中的系統程序（軟件）來實現控制邏輯，以及部分或全部數控功能的，并通過接口與外圍設備連接成為計算機數控（Computer Numerical Control）系統，簡稱CNC系統。具有CNC系統的機床稱為CNC機床。

1.1.2 數控機床的產生和發展

數控機床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數控機床的初始設想。1949年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，開始從事數控機床的研制工作。經過三年時間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺數控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續控制銑床。其數控系統全部采用電子管元件，數控裝置體積比機床本體還要大。后來又經過三年的改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術上的原因，數控機床局限在航空工業中應用，品種也多為連續控制系統。到了20世紀60年代，由于晶體管的應用，數控系統提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業開始發展數控機床，其中多數是鉆床、沖床等點位控制的機床。數控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數控技術不斷地擴展應用范圍。

20世紀80年代中后期，隨著加工中心功能和結構的完善，顯示了這種工序集中數控機床的優越性，開始出現車削中心、磨削中心等，使復合加工得到擴展而不再局限于鏜、銑等工序。20世紀90年代后期又進一步發展了車銑中心、銑車中心、車磨中心等，近年來又出現由激光、電火花和超聲波等特種加工方法與切削、磨削加工方法組合的復合機床，使復合加工技術成為推動機床結構和制造工藝發展的一個新熱點。

自1952年美國研制成功第一臺數控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發展，數控機床也在迅速地發展和不斷地更新換代，先后經歷了以下五個發展階段。

第一代數控：1952—1959年采用電子管元件構成的專用數控（NC）裝置。

第二代數控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統。

第三代數控：從1965年開始采用小、中規模集成電路的NC系統。

第四代數控：從1970年開始采用大規模集成電路的小型通用計算機控制的數控系統（Computer Numerical Control, CNC）。

第五代數控：從1974年開始采用微型計算機控制的數控系統（Microcomputer Numerical Control, MNC）。

第五代微機數控系統已取代了以往的普通數控系統，形成了現代數控系統。它采用微處理器及大規模或超大規模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序（即存儲在系統內的管理程序）來實現的。這種數控系統的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規模的日益擴大，光纜通信技術應用于數控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善，數控裝置的故障已從數控機床總的故障次數中占主導地位降到了很次要的地位。

20世紀90年代以來，由于計算機技術的飛速發展，推動數控機床技術出現了更快的更新換代。世界上許多數控系統生產廠家利用個人計算機豐富的軟硬件資源開發開放式體系結構的新一代數控系統（也稱之為第六代數控）。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向發展。近幾年許多國家紛紛研究開發這種系統，如美國科學制造中心（NCMS）與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐洲的“自動化系統中開放式體系結構”OSACA，日本的OSEC計劃等。許多開發研究成果已得到應用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產的加工中心、數控銑床、數控車床等產品中采用開放式體系結構的A2100系統。開放式體系結構可以大量采用通用微機的先進技術，如多媒體技術，實現聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數控系統繼續向高集成度方向發展，每個芯片上可以集成更多個晶體管，使系統體積更小，更加小型化、微型化，可靠性大大提高。利用多中央處理器（CPU）的優勢，實現故障自動排除；增強通信功能，提高進線、聯網能力。開放式體系結構的新一代數控系統，其硬件、軟件和總線規范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數控系統制造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發帶來極大方便，促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛應用，既可通過升檔或剪裁構成各種檔次的數控系統，又可通過擴展構成不同類型數控機床的數控系統，大大縮短開發生產周期。這種數控系統可隨CPU升級而升級，結構上不必變動。

最新一代的數控機床是并聯機床（又稱6條腿數控機床、并聯運動學機器人、虛軸機床）。1994年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，美國Giddings & Lewis公司首次展出了Variax型并聯運動機床，引起各國機床研究單位和生產廠家的重視。它是一臺以Stewart平臺為基礎的五坐標立式加工中心，標志著機床設計開始采用并聯機構，是機床結構重大改革的里程碑。

并聯機床是以空間并聯機構為基礎，充分利用計算機數字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機械傳動，使將近兩個世紀以來以笛卡兒坐標直線位移為基礎的機床結構和運動學原理發生了根本變化。

1.1.3 我國數控機床發展概況

我國于1958年開始研制數控機床，到20世紀60年代末和70年代初，簡易的數控機床在生產中開始使用。它們以單板機作為控制核心，多以數碼管作為顯示器，用步進電動機作為執行元件。20世紀80年代初，由于引進了國外先進的數控技術，使我國的數控機床在質量和性能上都有了很大的提高。它們具有完備的手動操作面板和友好的人機界面，可以配直流或交流伺服驅動，實現半閉環或閉環的控制，能對2～4軸進行聯動控制，具有刀庫管理功能和豐富的邏輯控制功能。20世紀90年代起，我國向高檔數控機床方向發展。一些高檔數控攻關項目通過國家鑒定并陸續在工程上得到應用。航天Ⅰ型、華中Ⅰ型、華中-2000型等高性能數控系統，實現了高速、高精度和高效經濟的加工效果，能完成高復雜度的五坐標曲面實時插補控制，可加工出高復雜度的整體葉輪及復雜刀具。圖1-2所示為我國生產的第一臺數控機床。

1.1.4 當前數控機床技術發展趨勢

1.高速加工技術發展迅速

高速加工技術發展迅速，在高檔數控機床中得到廣泛應用。應用新的機床運動學理論和先進的驅動技術，優化機床結構，采用高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結構的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發展到機床加工全面高速化，如數控機床主軸的轉速從每分鐘幾千轉發展到幾萬轉、幾十萬轉；快速移動速度從每分鐘十幾米發展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到10s、3s、1s以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應用高速加工技術縮短切削時間和輔助時間，從而實現加工制造的高質量和高效率。

2.精密加工技術有所突破

通過機床結構優化、制造和裝配的精密化，數控系統和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用，以及溫度、振動誤差補償技術的應用等，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減小幾何誤差、表面粗糙度值。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內提升了100倍。目前，精密數控機床的重復定位精度可以達到1μm，已進入亞微米超精加工時代。

3.技術集成和技術復合趨勢明顯

技術集成和技術復合是數控機床技術最活躍的發展趨勢之一，如工序復合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術復合，跨加工類別技術復合——金屬切削與激光、沖壓與激光、金屬燒結與鏡面切削復合等，目前已由機加工復合發展到非機加工復合，進而發展到零件制造和管理信息及應用軟件的兼容，目的在于實現復雜形狀零件的全部加工及生產過程集約化管理。技術集成和復合形成了新一類機床——復合加工機床，并呈現出復合機床多樣性的創新結構。

4.數字化控制技術進入了智能化的新階段

數字化控制技術發展經歷了三個階段：數字化控制技術對機床單機控制；集合生產管理信息形成生產過程自動控制；生產過程遠程控制，實現網絡化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，與計算機、信息、網絡等智能化技術有機結合，對數控機床加工過程實行智能監控和人工智能自動編程等。加工過程智能監控可以實現工件裝夾定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷，零件裝卸物流監控，自動進行補償、調整、自動更換刀具等，智能監控系統對機床的機械、電氣、液壓系統故障進行自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機處理。隨著網絡技術的發展，遠程故障診斷專家智能系統開始應用。數控系統具有在線技術后援和在線服務后援。人工智能自動編程系統能按機床加工要求對零件進行自動加工。在線服務可以根據用戶要求隨時接通互聯網（Internet）接受遠程服務。采用智能技術來實現與管理信息融合下重構優化的智能決策、過程適應控制、誤差補償智能控制、故障自診斷和智能維護等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術在制造系統上的應用，發展成柔性制造單元和智能網絡工廠，并進一步向制造系統可重組的方向發展。

5.極端制造擴張新的技術領域

極端制造技術是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術。極端制造技術是數控機床技術發展的重要方向。重點研究微納機電系統的制造技術，超精密制造、巨型系統制造等相關的數控制造技術、檢測技術及相關的數控機床研制，如微型、高精度、遠程控制手術機器人的制造技術和應用；應用于制造大型電站設備、大型艦船和航空航天設備的重型、超重型數控機床的研制；IT產業等高新技術的發展需要超精細加工和微納米級加工技術，研制適應微小尺寸的微納米級加工新一代微型數控機床和特種加工機床；極端制造領域的復合機床的研制等。

任務實踐

1.查閱網上相關資料，了解國內外數控機床的發展歷程。

2.結合當前先進制造業的發展現狀，理解數控機床未來的發展趨勢。

3.數控技術的發展關系著“國之命脈”，結合實例，談談自己的見解。