第1章　數控機床概述

1.1　數控機床產生與發展

1.1.1　數控機床的產生

科學技術和社會生產的不斷發展，對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產品的質量，提高生產效率，降低生產成本，還能夠大大改善工人的勞動強度。

許多生產企業已經采用了自動機床、組合機床和專用自動生產線。采用這種高度自動化和高效率的設備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產準備時間，但在大批量的生產條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經濟效益仍然是非常顯著的。但是，在機械制造工業中，并不是所有的產品零件都具有很大的批量，單件與小批生產的零件（批量在10～100件）約占機械加工總量的80％。尤其是在造船、航天、航空、機床、重型機械以及國防部門，其生產特點是加工批量小、改型頻繁、零件的形狀復雜而且精度要求高，如果采用專用化程度很高的自動化機床加工這類零件就顯得很不合適，因為生產過程中需要經常改裝與調整設備，對于專用生產線來說，這種改裝與調整甚至是不可能實現的。近年來，由于市場競爭日趨激烈，為在競爭中求得生存與發展，就必須頻繁地改型，并縮短生產周期，滿足市場上不斷變化的需要。因此，即使是大批量生產，也改變了產品長期一成不變的做法。頻繁地開發新產品，使“剛性”的自動化設備即使在大批生產中也日益暴露其缺點。已經使用的各類仿形加工機床部分地解決了小批量、復雜零件的加工。但在更換零件時，必須制造靠模和調整機床，這不但要耗費大量的手工勞動，延長了生產準備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達到較高的要求。為了解決上述這些問題，滿足多品種、小批量的自動化生產，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應產品頻繁變化的柔性自動化機床。

數字控制（Numerical Control，簡稱NC或數控）機床就是在這樣的背景下誕生與發展起來的。它極其有效地解決了上述矛盾，為單件、小批生產精密復雜零件提供了自動化加工手段。

數控機床的工作原理是：將加工過程所需的刀具與工件之間的相對位移量以及各種操作（如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給切削液等）都用數字化的信息代碼來表示，并將數字信息送入專用的或通用的計算機，計算機對輸入的信息進行處理與運算，發出各種指令來控制機床的伺服系統或其他執行元件，使機床自動加工出所需要的工件。數控機床與其他自動機床的一個根本區別在于，當加工對象改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具之外，只需要更換加工程序，不需要對機床作任何調整。

1952年，美國帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學院（MIT）合作研制成功世界上第一臺三坐標數控銑床，用于加工直升機葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺采用專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數控銑床，專用計算機采用電子管元件，邏輯運算與控制采用硬件連接的電路。1955年后，該類機床進入實用化階段，在復雜曲面的加工中發揮了重要作用。

我國從1958年開始研制數控機床，在研制與推廣使用數控機床方面取得了一定成績。近年來，由于引進了國外的數控系統與伺服系統的制造技術，使我國數控機床在品種、數量和質量方面得到了迅速發展。目前，我國已有幾十家機床廠能夠生產不同類型的數控機床和加工中心。我國經濟型數控機床的研究、生產和推廣工作也取得了較大的進展，它必將對我國各行業的技術改造起到積極的推動作用。目前，在數控技術領域中，我國和先進的工業國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著工廠、企業技術改造的深入開展，各行各業對數控機床的需要量將會有大幅度的增長，這將有力地促進數控機床的發展。

1.1.2　計算機數控系統的特點

隨著電子技術和計算機技術的不斷發展，數控系統經歷了邏輯數字控制階段（NC階段）和計算機數字控制階段（CNC階段）。NC階段數控系統發展經歷了電子管時代、晶體管時代、小規模集成電路時代。自1970年小型計算機用于數控系統，數控系統發展進入CNC階段，這是第四代數控系統。從1974年微處理器用于數控系統，數控系統發展到第五代，經過幾年的發展，數控系統從性能到可靠性均得到很大的提高。自20世紀70～80年代，數控系統在全世界得到了大規模的發展和應用。從20世紀90年代開始，PC機的發展日新月異，基于PC平臺的數控系統應運而生，數控系統發展進入第六代，但目前市場上流行的和企業普遍使用的仍然是第五代數控系統。

數控系統中引入了微型計算機（簡稱微機），使它在質的方面完成了一次飛躍。計算機數控（Computer Numerical Control，簡稱CNC）系統有許多優點。

（1）柔性好

硬件數控系統的許多功能是靠硬件電路來實現的。若想改變系統的功能，必須重新布線，但計算機數控系統能利用控制軟件靈活地增加或改變數控系統的功能，更能適應生產發展的需要。

（2）功能強

可利用計算機技術及其外圍設備，增強數控系統及數控機床的功能。例如，利用計算機圖形顯示功能，檢查編程的刀具軌跡，糾正編程錯誤，還可檢查刀具與機床、夾具碰撞的可能性等；利用計算機網絡通信的功能，便于數控機床組成生產線等。

（3）可靠性高

計算機數控系統可使用磁帶、軟盤和網絡等許多輸入裝置，避免了以往數控機床由于頻繁地開啟光電閱讀機而造成的信息出錯的缺點。與硬件數控相比，計算機數控盡量減少硬件電路，顯著地減少了焊點、接插件和外部連線，提高了可靠性。此外，計算機數控系統一般都具備自診斷功能，可及時指出故障原因，便于維修或預防操作失誤，減少停機時間。這一切使得現代數控系統的無故障運行時間大為提高。

（4）易于實現機電一體化

由于計算機電路板上采用大規模集成電路和先進的印制電路排版技術，只要采用數塊印制電路板即可構成整個控制系統，而將數控裝置連同操作面板裝入一個不大的數控箱內，可與機床結合在一起，減少占地面積，有利于實現機電一體化。

（5）經濟性好

采用微機數控系統后，系統的性能價格比大為提高。現在不但大型企業，就是中小型企業也逐漸采用CNC數控機床了。

1.1.3　數控機床的應用范圍

數控機床確實存在一般機床所不具備的許多優點，但是這些優點都是以一定條件為前提的。數控機床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數控機床通常最適合加工具有以下特點的零件。

①多品種小批量生產的零件。圖1-1表示了三類機床的零件加工批量與綜合費用的關系。從圖中可以看出，零件加工批量的增大對于選用數控機床是不利的。其原因在于：數控機床設備費用高昂，與大批量生產采用的專用機床相比，其效率還不夠高。通常，采用數控機床加工的合理生產批量在10～200件之間，目前有向中批量發展的趨勢。

②結構比較復雜的零件。圖1-2表示了三類機床的被加工零件復雜程度與零件批量大小的關系。通常數控機床適宜于加工結構比較復雜、在非數控機床上加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。

③需要頻繁改型的零件。它節省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。

④價格昂貴、不允許報廢的關鍵零件。

⑤需要最短生產周期的急需零件。廣泛推廣數控機床的最大障礙是設備的初期投資大，由于系統本身的復雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務，往往不能及時排除設備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產費用。

考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數控機床加工時，需要進行反復對比和仔細的經濟分析，使數控機床發揮它的最好經濟效益。

1.1.4　數控機床和數控系統的發展

現代數控機床及其數控系統，目前主要向高速、高精度化方面發展。

要提高機械加工的生產率，其中最主要的方法是提高速度，但是這樣做會降低加工精度。現代數控機床在提高加工速度的同時，也在進行高精度化。目前可在0.1μm的最小設定單位時，進給速度達到24m/min。要做到這一點，就要對機械和數控系統提出更高的要求。

（1）機械方面

例如，機床主軸要高速化，就要提高主軸和機床機械結構的動、靜態剛度；采用能承受高速的機械零件，如采用陶瓷滾珠軸承等。

（2）數控系統方面

主要是提高計算機的運算速度。現代數控系統已從16位的CPU，發展到普遍采用32位的CPU，并向64位的CPU發展。主機頻率由5MHz提高到20～33MHz。有的系統還制造了插補器的專用芯片，以提高插補速度；有的采用多CPU系統，減輕主CPU負擔，進一步提高控制速度。

（3）伺服系統方面

①采用數字伺服系統　使伺服電動機的位置環、速度環的控制都實現數字化。FANUC15系列開發出專用的數字信號處理器，位置指令輸入后，它與從脈沖編碼器檢測來的位置信息以及從電動機測速裝置檢測來的速度信息一起，在專用的微處理器芯片內，進行控制位置、速度控制等運算，最后向功率放大器發出指令，以達到對電動機的高速、高精度控制。

②采用現代控制理論提高跟隨精度　當數控系統發出位置指令后，由于機械部分不能很快響應會產生滯后現象，影響了加工精度。現代控制理論中有各種算法能夠實現高速和高精度的伺服控制，但是，由于它們的計算方法太復雜，以往的計算機運算速度不夠，很難實現。現在計算機的運算速度和存儲容量都加大很多，有時還可采用專用芯片的辦法，使復雜的計算能夠在線實現，使得滯后量減少很多，從而提高了跟隨精度。

③采用高分辨率的位置編碼器　一般交流伺服電動機軸上裝有回轉編碼器（脈沖發生器），用來檢測電動機的角位移。顯然，編碼器的分辨率越高，則電動機轉動角位移就越精確。現代高分辨率位置編碼器絕對位置的測量可達163840p/r。

④實現多種補償功能　數控系統能實現多種補償功能，提高數控機床的加工精度和動態特性。數控系統的補償功能主要用來補償機械系統帶來的誤差。

a.直線度的補償。隨著某一軸的運動，對另一軸加以補償，以提高工作臺運動的直線度。

b.采用新的絲杠導程誤差補償方法。用幾條近似線表示導程誤差，僅對其中幾個點進行補償。此法可減少補償數據的設定點數，使補償方法大為簡化。

c.絲杠、齒輪間隙補償。

d.熱變形誤差補償，用來補償由于機床熱變形而產生機床幾何位置變化引起的加工誤差。

e.刀具長度、半徑等補償。

f.存儲型補償。這種補償方法，可根據機床使用時的實際情況（如機床零件的磨損情況等）適時地修正補償值。

提高數控系統的可靠性，可大大降低數控機床的故障率。新型數控系統大量使用大規模和超大規模集成電路，還采用專用芯片提高集成度以及使用表面封裝技術等方法，減少了元器件數量和它們之間的連線和焊點數目，從而大幅度降低系統的故障率。

此外，現代數控系統還具有人工智能（AI）故障診斷系統，用它來診斷數控系統及機床的故障，把專家們所掌握的對于各種故障原因及其處置方法作為知識庫儲存到計算機的存儲器中，以知識庫為依據來開發軟件，分析查找故障原因。只要回答顯示器提出的簡單問題，就能和專家一樣診斷出機床的故障原因，提出排除故障的方法。

由于CNC系統使用的計算機容量越來越大，運算速度越來越快，使得CNC系統不僅能完成機床的數字控制功能，而且還可以充分利用軟件技術，使系統智能化，給使用者以更大的幫助。例如，將迄今為止必須由編程員決定的零件的加工部位、加工工序、加工順序等由CNC系統自動決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進CNC系統，就能自動生成加工程序。這樣數控加工的編程時間將大為縮短，即使經驗不足的操作者也能進行操作。CNC系統如何與人工智能技術相結合，尚待研究開發。除了上述故障診斷和編程方面的應用外，還有更大的領域留待我們去探索。

越來越多的工廠希望將多臺數控機床組成各種類型的生產線或者DNC（Direct Numeri-cal Control直接數字控制）系統。這就要求CNC系統提高聯網能力。一般CNC系統都具有RS232遠距離串行接口，可以按照用戶的格式要求，與同一級計算機進行多種數據交換。為了滿足不同廠家、不同類型數控機床聯網功能要求，現代數控系統大都具有MAP（制造自動化協議）接口，現在已實現了MAP3.0版本，并采用光纜通信，以提高數據傳送速度和可靠性。