任務五 數控機床的應用與發展方向

任務描述

普通機床和數控機床的選用原則？如何合理利用數控機床加工相應的零件？數控機床發展從哪些方面著手？

學習目標

了解數控機床應用范圍，掌握數控機床的談談方向并能聯系實際談談我國數控機床的發展。

任務分析

合理利用數控機床是使加工成本利益最大化的必要條件，只有了解數控機床的應用和相應的發展方向，才能更合理地選用數控機床。

任務完成

數控機床發展至今已有四十多年的歷史了，它與電子技術，特別是計算機技術的發展密切相關。自世界上第一臺數控機床在美國麻省理工學院研制出來后，數控機床在制造工業，特別是汽車、航空航天及軍事工業中被廣泛應用，數控技術無論在硬件還是在軟件方面，都有飛速的發展。隨著現代經濟和科學技術的飛躍發展，尤其是計算機數控系統的出現及微型計算機的迅速發展，再加上數控技術的普及和電子器件成本的降低，這些有利的條件都使得數控機床的應用范圍越來越廣泛，其加工成本不斷降低，加工精度不斷提高。數控系統除了用來控制金屬切削機床外，還普遍用于控制諸如沖床線切割機、簡單機器人之類的復雜設備，在要求可靠性和高柔性強與實現機電一體化等方面的生產加工中對數控機床都有廣泛的需要，由于數控機床屬于精密設備，致使成本較高。因此，目前多用于形狀復雜精度要求高的中小批量零件加工。

一、數控機床的應用范圍

一般來說，數控機床特別適合于加工零件較復雜、精度要求高、產品更新頻繁、生產周期要求短的場合。數控加工適用范圍可用圖1-1-8粗略表示。

圖1-1-8（a）所示為零件復雜程度及生產批量的不同，三種機床的應用范圍的變化。當零件不太復雜，生產批量又較小時，宜采用通用機床。當生產批量很大，宜采用專用機床。而隨著零件復雜程度的提高，數控機床越顯得適用。目前，隨著數控機床的普及，應用范圍由BCD向EFG線復雜性較低的范圍擴大。

從圖1-1-8（b）中可看出通用機床、專用機床和數控機床零件加工批量與生產成本的關系。在多品種、中小批量生產情況下，采用數控機床總費用更為合理。

根據數控加工的優缺點及國內外大量應用實踐，一般可按適用程度將零件分為三類。

1.最適用類

（1）形狀復雜，加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證產品質量的零件。

（2）用數學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件。

（3）有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內腔的殼體或盒形零件。

（4）必須在依次裝夾中合并完成銑、鏜、鉸或螺紋等多工序的零件。

2.較適用類

（1）在通用機床加工時極易受人為因素（如情緒波動、體力強弱、技術水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質量失控會造成重大經濟損失的零件。

（2）在通用機床上加工時制造復雜的專用工裝的零件。

（3）需要多次更改設計后才能定型的零件。

（4）在通用機床上加工需要長時間調整的零件。

（5）用通用機床加工時，生產率很低或體力勞動強度很大的零件。

3.不適用類

（1）生產批量大的零件。

（2）裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件。

（3）加工余量不穩定，且數控機床上無在線檢測系統可自動調整零件坐標位置的零件。

（4）必須用特定的工藝裝備協調加工的零件。

二、控機床的發展方向

目前，我國已有自主版權的數控系統，但絕大多數全功能型數控機床還是采用國外的CNC系統，從機床的整體來看，無論是可靠性、精度、自動化程度和生產效率，與國外相比都還有著不小的差距。

隨著科學技術的發展，世界先進制造技術的興起，對數控加工技術的要求越來越高。如超高速切削，超精密加工等技術的應用，對數控機床的機床結構、主軸驅動、數控系統、伺服系統等提出了更高的性能指標，使數控機床在技術上呈現以下幾個方面的發展趨勢。

1.高速度

提高生產效率一直是機床技術發展的目標之一，數控機床的出現和快速發展的原因之一，就是生產效率要比普通機床高得多。近年來，數控機床的生產效率又提高了很多，主要方法是減少切削時間和非切削輔助時間。減少切削時間是從提高切削速度，即提高主軸轉速來實現的。加工中心的主軸轉速已從10年前一般為4000～6000r/min提高到8000～12000r/min，最高的在100000r/min以上，數控車床的主軸轉速也提高到5000～20000r/min，磨削的砂輪線速度提高到100～200m/s。

據最新統計，加工中心的切削時間不超過整個工作時間的55%，因此，減少非切削時間是提高生產效率的一個主要手段。非切削時間由兩部分組成：一是空行程時間，即快速移動所需的時間；另一個是輔助時間，主要是刀具交換時間和工件交換時間。

要縮短空行程時間，就需要提高快速移動的速度。目前，一般的快速移動速度已達到20～24m/min，有的在30m/min左右，最快的可達60m/min。特別是直線移動進給伺服電動機的出現，為進一步提高移動速度帶來了可能。另外，要減少輔助動作的時間，就需要縮短自動交換刀具的時間和自動交換工件的時間。目前，數控車床刀架的轉位時間已達到0.4～0.6s，加工中心刀具自動交換時間已達到3s左右，快的可達到1s以內。而加工中心托板交換時間已從過去的12～20s縮短到6～10s，快的已達到2.5s。

現主要從以下幾個方面采取措施以提高速度指標：

1）數控系統

微處理器是現代數控系統的核心部件。采用位數、頻率更高的微處理器，以提高系統的基本運算速度。目前已由16位CPU過渡到32位CPU，并向64位CPU發展。采用32位微處理器和多微處理器結構，以提高系統的數據處理能力，即提高插補運算的速度和精度。

2）配置高速、功能強大的內裝式可編程控制器（PLC）

通過提高可編程序控制器的運行速度，來滿足數控機床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執行速度可達us/step，可編程步數可擴大到16000步以上，利用PLC的高速處理功能，使CNC與PLC之間能有機結合，滿足數控機床運行中的各種實時控制。

3）提高多軸控制水平

新型的數控系統都具有多軸控制功能，可采用多軸聯動實現對復雜及特殊型面的加工，還可采用多刀具同時加工的多刀架控制。

4）超高速切削刀具的運用

目前金剛石涂層刀具和陶瓷刀具已在超高速加工中得到應用。

2.高精度

數控機床的高精度，包括高的機床幾何精度和高的加工精度，而高的幾何精度是提高加工精度的基礎。幾何精度中最主要的是定位精度，定位精度的提高，加上機床的結構特性和熱穩定性的提高，使得數控機床的加工精度得到了大幅度提高。如加工中心的加工精度從過去的±0.01mm提高到±0.005mm，甚至更高。

為實現更高精度的目標，現主要采取以下措施：

1）伺服驅動系統

采用數字式交流伺服系統，在定位精度、進給速度等伺服性能方面較以往模擬式直流伺服系統有極大改進，甚至出現采用直線電動機直接驅動機床工作臺的所謂“零傳動”直線伺服進給方式，從而極大地提高了加工精度。

2）前饋控制技術

以前的伺服系統是將指令位置和實際位置的偏差乘以位置環的增益，其積作為速度指令，去控制電動機的速度。這種方式總是存在位置跟蹤滯后誤差，使得在加工拐角或圓弧時加工情況惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統上加上速度指令的控制方式，這樣使跟蹤滯后誤差大大減小，以改進拐角切削加工精度。

3）機床靜、動摩擦的非線性補償控制技術

機床靜、動摩擦的非線性會導致機床床鞍爬行。除了在機床結構上采取措施降低靜摩擦外，新型的數字伺服系統具有自動補償機械系統靜、動摩擦非線性的控制功能。

4）補償技術的發展和廣泛應用

現代數控機床利用計算機數控系統的軟件補償功能對伺服系統進行多種補償，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償等。

5）高精度的脈沖當量

高精度的脈沖當量可提高定位精度和重復定位精度。

6）采用高分辨率的位置檢測裝置

例如，高分辨率的脈沖編碼器，內裝微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高。

3.高可靠性

現代數控系統采用專用芯片及混合式集成電路，使得系統集成度提高，元器件減少，功耗降低，提高了可靠性。

數控軟件的功能更加齊全，帶有自診斷及保護功能，提高了加工過程的安全可靠性。

4.高自動化

從數控系統發展到以微處理器為主的CNC系統后，系統的功能得到不斷擴大，因此，數控機床的自動化程度也不斷提高。除了自動換刀和自動交換工件外，先后出現了如刀具壽命管理、自動更換備用刀具、刀具尺寸自動測量和補償、工件尺寸自動測量及補償、切削參數的自動調整等功能，使單機自動化達到了很高的程度。刀具磨損和破損的監控功能也在不斷完善。

5.多功能化

1）數控機床采用一機多能，以提高設備利用率

一機多能就是把不同機床的功能集中于一臺機床中體現，其典型代表是配有自動換刀機構的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現銑削、鏜削、鉆削、車削、擴孔、鉸孔、攻螺紋，甚至磨削等多工序的加工。為了進一步提高功效，現代數控機床又采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。另外，現代數控系統的控制軸數也在不斷增加，有的多達31軸，同時聯動的軸數已達7軸。這種機床有更高的加工精度，還可以大大提高工作效率，節約占地面積、減少設備臺數就是節約投資。

2）良好的人機對話功能

在一臺機床上可同時進行零件加工和程序編制，即具有前臺操作、后臺編輯的功能。現代數控系統利用彩色CRT進行二維圖形的軌跡顯示，更好的還可實現彩色三維動態圖形的模擬，顯示所編程序的加工軌跡，便于零件程序的調試、修改、確保實際加工過程的安全。

3）更強的通信功能

數控機床由單機發展到FMC、FMS，進而聯網形成計算機集成制造系統（CIMS），需要數控系統具有更強的通信功能。大多數控系統都具有RS-232C和RS-422高速遠距離串行接口，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機進行多種數據交換。高檔的數控系統應具有DNC接口，可以實現幾臺數控機床之間的數據通信，也可以直接對幾臺數控機床進行控制。

現代數控機床，為了適應自動化技術的進一步發展，滿足工廠自動化規模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數控機床聯網的需要，已采用了MAP工業控制網絡，現已實現了MAP3.0版本，為現代數控機床進入FMS及CIMS創造了條件。

6.編程自動化

CAM自動編程是當前最先進的數控加工編程方法。目前CAD/CAM圖形交互式自動編程軟件得到較多的應用，它是利用CAD完成零件幾何圖形的計算機繪制，再經計算機內的刀具軌跡數據計算和后置處理，而自動生成NC零件加工程序，再通過通信接口傳入數控機床進行自動控制加工，從而達到CAD/CAM集成一體化，實現無圖紙化設計與制造。另外，隨著CIMS技術的發展，當前又出現了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，它與CAD/CAM系統編程的最大區別是其編程所需的加工工藝參數不必由人工參與，而直接從系統內的CAPP（計算機輔助工藝設計）數據庫獲得。

7.智能化

現代數控系統中，引進了自適應控制技術。自適應控制（Adaptive Control AC）技術是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調節加工過程中所測得的工作狀態、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數，以達到或接近最佳工作狀態的技術。自適應控制技術能根據切削條件的變化，自動調整并保持最佳工作狀態，以達到很高的加工精度及較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產效率。

智能化的數控系統主要體現在以下幾個方面：

（1）刀具壽命自動檢測更換 對工件超差、刀具磨損、破損，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具。

（2）自動診斷、自動修復 出現故障時自動診斷、自動修復。

（3）實時補償 根據加工時的熱變形，對滾珠絲杠等部件的伸縮進行實時補償。

（4）引進模式識別技術 應用圖形識別和聲控技術，由系統自己辨認圖樣，按照自然語言命令進行CNC自動加工。

思考與練習

1.數控發展趨勢從哪些方面著手？

2.可控制軸與聯動軸的區別是什么？