數控機床的發展

摘要：數控技術及裝備是發展新興尖端工業和新興高新技術產業的使能技術和最基本的裝備。世界各國信息產業、航空、航天等國防工業廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平。因此大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

關鍵詞：數控技術及裝備 自動控制技術 可編程控制器

1 數控機床的概要

1.1 數控機床的產生

隨著社會生產和科學技術的不斷進步，各類工業新產品層出不窮，機械制造業作為國民工業的基礎，其產品更是日趨精密復雜，特別是在航天、航海、軍事等領域，所需的機械零件精度要求更高、形狀也更為復雜、多品種，并且往往批量較小，加工這類產品需要經常改裝或調整設備，普通機床或專業化精度高的自動化機床顯然無法適應這些要求。同時隨著市場競爭的日益加劇，企業生產也迫切需要進一步提高其生產效率、提高產品質量及降低生產成本。一種新的生產設備——數控機床就誕生了。

1.2 數控機床的發展

1952年美國麻省理工學院成功地研制出一套三坐標聯動，利用脈沖乘法器原理的試驗性數控系統，并把它裝在一臺立式銑床上，當時用的電子元件是電子管，這就是第一代世界上的第一臺數控機床。

我國是從1958年開始研究數控技術，一直到60年代中期處于研制、開發時期，一些高等院校、科研院所研制出試驗樣機，開發也是從電子管開始的，1965年國內開始研制晶體管數控系統。從70年代開始，數控技術在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工等領域全面展開。數控加工中心在北京研制成功。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。

到20世紀80年代，總體發展趨勢是：

數控系統的可靠性不斷提高；增強通信功能；采用新型的自動編程系統；驅動裝置向交流、數字化方向發展；為便于裁剪、擴展和功能升級，滿足不同類型數控機床的需求，提高系統的集成度、縮小體積，采用模塊化結構；廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統；數控裝置由NC向CNC發展。總之，數控機床技術不斷發展，性能價格比也越來越高，可靠性越來越高，功能越來越完善，使用越來越方便。

1.3 數控機床的組成及工作原理

數控機床一般由機床本體、輔助裝置、伺服驅動系統、計算機數控裝置、控制介質等部分組成。

1.3.1 控制介質

要對數控機床進行控制，就必須在人與數控機床之間建立某種聯系，這種聯系的中間媒介物就是控制介質，又稱為信息載體。在使用數控機床之前，先要根據零件圖上規定的尺寸、形狀和技術條件，編出工件的加工程序，將加工工件時刀具相對于工件的位置和機床的全部動作順序，按照規定的格式和代碼記錄在信息載體上。需要在數控機床上加工該工件時，把信息即工件加工程序輸入計算機控制裝置。常用的控制介質有穿孔帶、穿孔卡、磁盤和磁帶等。

1.3.2 伺服驅動系統

為使工作臺按規定軌跡移動或精確定位，加工出符合圖樣要求的工件，把來自數控裝置的運動指令轉變成機床移動部件的運動，需要進行伺服驅動。

伺服系統由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電機組成，常用的伺服電機有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。伺服系統的性能是決定數控機床加工精度和生產效率的因素之一。

1.3.3 計算機數控裝置

數控裝置是數控機床的中樞。其作用是：從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控加工程序，輸出幾種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，經過數控裝置的邏輯電路或軟件進行編譯運算處理后，使其進行規定的有序運動。

1.3.4 輔助控制裝置

輔助控制裝置的作用是把計算機送來的輔助控制指令經機床接口電路轉換成強電信號，用來控制主軸電機的起動、停止，主軸轉速調整，冷卻及潤滑泵起停，轉位換刀，工件和機床部件的松開和夾緊，分度工作臺的轉位分度等開關輔助動作。當今數控機床已廣泛采用可編程控制器作為輔助控制裝置。

1.3.5 機床本體

數控機床是高精度和高生產率的自動化加工機床，它與傳統的普通機床似，但數控機床在整體布局、外觀造型、傳動機構及操作機構等方面都發生了很大的變化。數控機床應具有更好的抗振性和剛度，要求相對運動面的摩擦系數要小，進給傳動部分之間的間隙要小。所以其設計要求比通用機床更嚴格，加工制造要求精密，并采用加強剛性、減小熱變形、提高精度的設計措施。

1.4 數控機床的特點

數控機床有以下的特點：

1.4.1 適應性強，適合加工單件或小批量復雜工件

在數控機床上改變加工工件時，只需要重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。數控機床加工工件時，只需要簡單的夾具，所以改變加工工件后，也不需要制作特別的工裝夾具，更不需要重新調整機床。因此數控機床特別適合單件、小批量及試制新產品的工件加工。

1.4.2 加工精度高

數控機床的脈沖當量普遍可達0.001mm/脈沖，傳動系統和機床結構都具有很高的剛度和熱穩性，工件加工精度高，進給系統采用消除間隙措施，并對反向間隙與絲杠螺距誤差等由計算機實現自動補償，所以加工精度高。由于數控機床是自動進行加工的，所以同一批工件的尺寸一致性好，加工質量十分穩定。

1.4.3 生產率高

工件加工所需時間包括機動時間和輔助時間。數控機床能有效地減少這兩部分時間。

數控機床剛性好，快速移動和停止采用了加速、減速措施，因此既能提高空行程運動速度，又能保證定位精度，有效地降低了加工時間。

數控機床更換工件時，不需要調整機床，同一批工件加工質量穩定，無需停機檢驗，故輔助時間大大縮短，生產效率有了更明顯的提高。

1.4.4 減輕勞動強度、改善勞動條件

數控機床加工是自動進行的，工件加工過程不需要人的干預，加工完畢后自動停車，這就使工人的勞動條件大為改善。

1.4.5 良好的經濟效益

雖然數控機床很貴，分攤到每個工件上的設備費用較大，但是使用數控機床可節省許多其它費用。特別是不要設計專用工裝夾具，加工精度穩定，減少了調度環節等，所以總體成本下降，可獲得良好的經濟效益。

2 國產數控機床的發展現狀及發展趨勢

2.1 國產數控機床與國際先進水平差距逐漸減小

數控機床是當代機械制造業的主流裝備，國產數控機床的發展經歷了由成長期進入了成熟期，可提供市場各種數控機床，覆蓋超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓設備、前沿高技術機床等領域，產品可與日、美、德、意等國齊駕齊驅。

2.2 國內數控機床的發展趨勢

2.2.1 智能、高速、高精度化

新一代數控機床為提高生產率，向超高速方向發展，精密度已達微米級。

2.2.2 設計、制造綠色化

在不犧牲產品功能、質量和成本的前提下，系統考慮產品開發、制造及其活動對環境的影響，對環境的負面影響最小，資源利用率最高。

2.2.3 復合化與系統化

由于產品開發周期越來越短，對制造速度的要求也相應提高，機床也朝高效能發展。

3 CNC裝置的工作原理

CNC裝置在其硬件環境支持下，按照系統監控軟件的控制邏輯，對輸入、譯碼、刀具補償、速度規劃、插補運算、位置控制、I／O接口處理、顯示和診斷等方面進行控制。

CNC裝置的主要工作包括以下內容：

3.1 輸入

輸入CNC裝置的有零件程序、控制參數和補償量等數據。

3.2 譯碼

在譯碼的過程中還完成對程序段的語法檢查。

3.3 插補

插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“數據點的密化”。

3.4 進給速度處理

編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。

3.5 刀具補償

刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。

3.6 位置控制

位置控制處在伺服回路的位置環上。

3.7 顯示

CNC裝置的顯示主要是為操作者提供方便。

3.8 I，O處理

主要處理CNC裝置面板開關信號、機床電氣信號的輸入、輸出和控制。

3.9 診斷

現代CNC裝置都具有聯機和脫機診斷的能力，對CNC裝置進行診斷、故障定位和修復。

4 結束語

為提高在市場的適應能力和競爭能力，現在各國制造業大都采用數控技術來提高制造能力和水平。另外世界各發達國家還將數控技術和裝備列為國家的戰略物資，所以用盡措施來發展自己的數控技術及產業。目前，當前研究的核心是數控系統功能軟件開發、開放式數控系統結構及配置。大力發展以數控技術為核心的先進制造技術，為我國數控技術和產業走向世界的前列，使我國經濟保持強勁的發展勢頭而共同努力奮斗！

參考文獻：

[1]張振國.數控機床的結構與應用.機械工業出版社，1990.

[2]鄧奕.現代數控機床與應用.國防工業出版社，2010.

[3]陳富安.數控技術原理與編程.西安電子科技大學出版社，2004.