第1章　數(shù)控機(jī)床概述

1.1　數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生與發(fā)展

1.1.1　數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生

科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求。機(jī)械加工工藝過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

許多生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用了自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專(zhuān)用自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。采用這種高度自動(dòng)化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長(zhǎng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，但在大批量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€(gè)工件上的費(fèi)用很少，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常顯著的。但是，在機(jī)械制造工業(yè)中，并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件（批量在10～100件）約占機(jī)械加工總量的80％。尤其是在造船、航天、航空、機(jī)床、重型機(jī)械以及國(guó)防部門(mén)，其生產(chǎn)特點(diǎn)是加工批量小、改型頻繁、零件的形狀復(fù)雜而且精度要求高，如果采用專(zhuān)用化程度很高的自動(dòng)化機(jī)床加工這類(lèi)零件就顯得很不合適，因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對(duì)于專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，這種改裝與調(diào)整甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為在競(jìng)爭(zhēng)中求得生存與發(fā)展，就必須頻繁地改型，并縮短生產(chǎn)周期，滿(mǎn)足市場(chǎng)上不斷變化的需要。因此，即使是大批量生產(chǎn)，也改變了產(chǎn)品長(zhǎng)期一成不變的做法。頻繁地開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，使“剛性”的自動(dòng)化設(shè)備即使在大批生產(chǎn)中也日益暴露其缺點(diǎn)。已經(jīng)使用的各類(lèi)仿形加工機(jī)床部分地解決了小批量、復(fù)雜零件的加工。但在更換零件時(shí)，必須制造靠模和調(diào)整機(jī)床，這不但要耗費(fèi)大量的手工勞動(dòng)，延長(zhǎng)了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達(dá)到較高的要求。為了解決上述這些問(wèn)題，滿(mǎn)足多品種、小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動(dòng)化機(jī)床。

數(shù)字控制（Numerical Control，簡(jiǎn)稱(chēng)NC或數(shù)控）機(jī)床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來(lái)的。它極其有效地解決了上述矛盾，為單件、小批生產(chǎn)精密復(fù)雜零件提供了自動(dòng)化加工手段。

數(shù)控機(jī)床的工作原理是：將加工過(guò)程所需的刀具與工件之間的相對(duì)位移量以及各種操作（如主軸變速、松夾工件、進(jìn)刀與退刀、開(kāi)車(chē)與停車(chē)、選擇刀具、供給切削液等）都用數(shù)字化的信息代碼來(lái)表示，并將數(shù)字信息送入專(zhuān)用的或通用的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來(lái)控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。數(shù)控機(jī)床與其他自動(dòng)機(jī)床的一個(gè)根本區(qū)別在于，當(dāng)加工對(duì)象改變時(shí)，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(duì)機(jī)床作任何調(diào)整。

1952年，美國(guó)帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，用于加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺(tái)采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算與控制的直線(xiàn)插補(bǔ)輪廓控制數(shù)控銑床，專(zhuān)用計(jì)算機(jī)采用電子管元件，邏輯運(yùn)算與控制采用硬件連接的電路。1955年后，該類(lèi)機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)從1958年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，在研制與推廣使用數(shù)控機(jī)床方面取得了一定成績(jī)。近年來(lái)，由于引進(jìn)了國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速發(fā)展。目前，我國(guó)已有幾十家機(jī)床廠(chǎng)能夠生產(chǎn)不同類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床和加工中心。我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的研究、生產(chǎn)和推廣工作也取得了較大的進(jìn)展，它必將對(duì)我國(guó)各行業(yè)的技術(shù)改造起到積極的推動(dòng)作用。目前，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國(guó)和先進(jìn)的工業(yè)國(guó)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(chǎng)、企業(yè)技術(shù)改造的深入開(kāi)展，各行各業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需要量將會(huì)有大幅度的增長(zhǎng)，這將有力地促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。

1.1.2　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了邏輯數(shù)字控制階段（NC階段）和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制階段（CNC階段）。NC階段數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了電子管時(shí)代、晶體管時(shí)代、小規(guī)模集成電路時(shí)代。自1970年小型計(jì)算機(jī)用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入CNC階段，這是第四代數(shù)控系統(tǒng)。從1974年微處理器用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性均得到很大的提高。自20世紀(jì)70～80年代，數(shù)控系統(tǒng)在全世界得到了大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，PC機(jī)的發(fā)展日新月異，基于PC平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入第六代，但目前市場(chǎng)上流行的和企業(yè)普遍使用的仍然是第五代數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控系統(tǒng)中引入了微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)），使它在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC）系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。

（1）柔性好

硬件數(shù)控系統(tǒng)的許多功能是靠硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若想改變系統(tǒng)的功能，必須重新布線(xiàn)，但計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)能利用控制軟件靈活地增加或改變數(shù)控系統(tǒng)的功能，更能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

（2）功能強(qiáng)

可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及其外圍設(shè)備，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的功能。例如，利用計(jì)算機(jī)圖形顯示功能，檢查編程的刀具軌跡，糾正編程錯(cuò)誤，還可檢查刀具與機(jī)床、夾具碰撞的可能性等；利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，便于數(shù)控機(jī)床組成生產(chǎn)線(xiàn)等。

（3）可靠性高

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)可使用磁帶、軟盤(pán)和網(wǎng)絡(luò)等許多輸入裝置，避免了以往數(shù)控機(jī)床由于頻繁地開(kāi)啟光電閱讀機(jī)而造成的信息出錯(cuò)的缺點(diǎn)。與硬件數(shù)控相比，計(jì)算機(jī)數(shù)控盡量減少硬件電路，顯著地減少了焊點(diǎn)、接插件和外部連線(xiàn)，提高了可靠性。此外，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般都具備自診斷功能，可及時(shí)指出故障原因，便于維修或預(yù)防操作失誤，減少停機(jī)時(shí)間。這一切使得現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間大為提高。

（4）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

由于計(jì)算機(jī)電路板上采用大規(guī)模集成電路和先進(jìn)的印制電路排版技術(shù)，只要采用數(shù)塊印制電路板即可構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)，而將數(shù)控裝置連同操作面板裝入一個(gè)不大的數(shù)控箱內(nèi)，可與機(jī)床結(jié)合在一起，減少占地面積，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。

（5）經(jīng)濟(jì)性好

采用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)后，系統(tǒng)的性能價(jià)格比大為提高。現(xiàn)在不但大型企業(yè)，就是中小型企業(yè)也逐漸采用CNC數(shù)控機(jī)床了。

1.1.3　數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍

數(shù)控機(jī)床確實(shí)存在一般機(jī)床所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)都是以一定條件為前提的。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類(lèi)型的機(jī)床，也不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床通常最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件。

①多品種小批量生產(chǎn)的零件。圖1-1表示了三類(lèi)機(jī)床的零件加工批量與綜合費(fèi)用的關(guān)系。從圖中可以看出，零件加工批量的增大對(duì)于選用數(shù)控機(jī)床是不利的。其原因在于：數(shù)控機(jī)床設(shè)備費(fèi)用高昂，與大批量生產(chǎn)采用的專(zhuān)用機(jī)床相比，其效率還不夠高。通常，采用數(shù)控機(jī)床加工的合理生產(chǎn)批量在10～200件之間，目前有向中批量發(fā)展的趨勢(shì)。

②結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件。圖1-2表示了三類(lèi)機(jī)床的被加工零件復(fù)雜程度與零件批量大小的關(guān)系。通常數(shù)控機(jī)床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、在非數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)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(jié)省了大量的工藝裝備費(fèi)用，使綜合費(fèi)用下降。

④價(jià)格昂貴、不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件。

⑤需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。廣泛推廣數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初期投資大，由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時(shí)排除設(shè)備故障，將會(huì)在一定程度上影響機(jī)床的利用率，這些因素都會(huì)增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。

考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需要進(jìn)行反復(fù)對(duì)比和仔細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，使數(shù)控機(jī)床發(fā)揮它的最好經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.4　數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)，目前主要向高速、高精度化方面發(fā)展。

要提高機(jī)械加工的生產(chǎn)率，其中最主要的方法是提高速度，但是這樣做會(huì)降低加工精度。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在提高加工速度的同時(shí)，也在進(jìn)行高精度化。目前可在0.1μm的最小設(shè)定單位時(shí)，進(jìn)給速度達(dá)到24m/min。要做到這一點(diǎn)，就要對(duì)機(jī)械和數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。

（1）機(jī)械方面

例如，機(jī)床主軸要高速化，就要提高主軸和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)剛度；采用能承受高速的機(jī)械零件，如采用陶瓷滾珠軸承等。

（2）數(shù)控系統(tǒng)方面

主要是提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已從16位的CPU，發(fā)展到普遍采用32位的CPU，并向64位的CPU發(fā)展。主機(jī)頻率由5MHz提高到20～33MHz。有的系統(tǒng)還制造了插補(bǔ)器的專(zhuān)用芯片，以提高插補(bǔ)速度；有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。

（3）伺服系統(tǒng)方面

①采用數(shù)字伺服系統(tǒng)　使伺服電動(dòng)機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)的控制都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。FANUC15系列開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器，位置指令輸入后，它與從脈沖編碼器檢測(cè)來(lái)的位置信息以及從電動(dòng)機(jī)測(cè)速裝置檢測(cè)來(lái)的速度信息一起，在專(zhuān)用的微處理器芯片內(nèi)，進(jìn)行控制位置、速度控制等運(yùn)算，最后向功率放大器發(fā)出指令，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的高速、高精度控制。

②采用現(xiàn)代控制理論提高跟隨精度　當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出位置指令后，由于機(jī)械部分不能很快響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，影響了加工精度。現(xiàn)代控制理論中有各種算法能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的伺服控制，但是，由于它們的計(jì)算方法太復(fù)雜，以往的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不夠，很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量都加大很多，有時(shí)還可采用專(zhuān)用芯片的辦法，使復(fù)雜的計(jì)算能夠在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，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(dòng)機(jī)軸上裝有回轉(zhuǎn)編碼器（脈沖發(fā)生器），用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的角位移。顯然，編碼器的分辨率越高，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移就越精確。現(xiàn)代高分辨率位置編碼器絕對(duì)位置的測(cè)量可達(dá)163840p/r。

④實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能　數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和動(dòng)態(tài)特性。數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能主要用來(lái)補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

a.直線(xiàn)度的補(bǔ)償。隨著某一軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)另一軸加以補(bǔ)償，以提高工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)度。

b.采用新的絲杠導(dǎo)程誤差補(bǔ)償方法。用幾條近似線(xiàn)表示導(dǎo)程誤差，僅對(duì)其中幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。此法可減少補(bǔ)償數(shù)據(jù)的設(shè)定點(diǎn)數(shù)，使補(bǔ)償方法大為簡(jiǎn)化。

c.絲杠、齒輪間隙補(bǔ)償。

d.熱變形誤差補(bǔ)償，用來(lái)補(bǔ)償由于機(jī)床熱變形而產(chǎn)生機(jī)床幾何位置變化引起的加工誤差。

e.刀具長(zhǎng)度、半徑等補(bǔ)償。

f.存儲(chǔ)型補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法，可根據(jù)機(jī)床使用時(shí)的實(shí)際情況（如機(jī)床零件的磨損情況等）適時(shí)地修正補(bǔ)償值。

提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，可大大降低數(shù)控機(jī)床的故障率。新型數(shù)控系統(tǒng)大量使用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，還采用專(zhuān)用芯片提高集成度以及使用表面封裝技術(shù)等方法，減少了元器件數(shù)量和它們之間的連線(xiàn)和焊點(diǎn)數(shù)目，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。

此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還具有人工智能（AI）故障診斷系統(tǒng)，用它來(lái)診斷數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床的故障，把專(zhuān)家們所掌握的對(duì)于各種故障原因及其處置方法作為知識(shí)庫(kù)儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，以知識(shí)庫(kù)為依據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，分析查找故障原因。只要回答顯示器提出的簡(jiǎn)單問(wèn)題，就能和專(zhuān)家一樣診斷出機(jī)床的故障原因，提出排除故障的方法。

由于CNC系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)容量越來(lái)越大，運(yùn)算速度越來(lái)越快，使得CNC系統(tǒng)不僅能完成機(jī)床的數(shù)字控制功能，而且還可以充分利用軟件技術(shù)，使系統(tǒng)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(tǒng)自動(dòng)決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進(jìn)CNC系統(tǒng)，就能自動(dòng)生成加工程序。這樣數(shù)控加工的編程時(shí)間將大為縮短，即使經(jīng)驗(yàn)不足的操作者也能進(jìn)行操作。CNC系統(tǒng)如何與人工智能技術(shù)相結(jié)合，尚待研究開(kāi)發(fā)。除了上述故障診斷和編程方面的應(yīng)用外，還有更大的領(lǐng)域留待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

越來(lái)越多的工廠(chǎng)希望將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成各種類(lèi)型的生產(chǎn)線(xiàn)或者DNC（Direct Numeri-cal Control直接數(shù)字控制）系統(tǒng)。這就要求CNC系統(tǒng)提高聯(lián)網(wǎng)能力。一般CNC系統(tǒng)都具有RS232遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶(hù)的格式要求，與同一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。為了滿(mǎn)足不同廠(chǎng)家、不同類(lèi)型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)功能要求，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大都具有MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）接口，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)了MAP3.0版本，并采用光纜通信，以提高數(shù)據(jù)傳送速度和可靠性。