數控機床的原理分類及數控技術的發展

李 偉

（四川工商職業技學院，四川 都江堰 611830）

數控機床是在普通機床的基礎上發展起來的，由于它具有良好的柔性、高加工精度和穩定性、能加工復雜零件、減輕了工人的勞動強度和易于實現現代化管理等一系列優點，目前在機械制造業中得到了廣泛的應用。

1 數控機床原理

數控機床一般由信息載體、數控裝置、伺服系統和機床本體等四部分組成。信息載體即穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶和磁盤等，用于記錄程序編制的內容，并通過光電紙帶閱讀機、磁帶機和磁盤驅動器等讀入裝置輸送給數控裝置。數控裝置是數控機床的核心，也就是常說的NC（普通數控裝置）或CNC（計算機數控裝置），NC是數控機床發展初期的一種形式，現在的數控機床大多使用CNC系統。數控裝置的作用是接受讀入裝置輸入的加工信息，經過譯碼處理和運算，發出相應的指令脈沖給伺服系統，完成零件加工。伺服系統是數控機床的執行部分，由電動機和傳動裝置組成。伺服系統接受數控裝置傳來的指令脈沖信號，控制機床執行件（工作臺或刀架）運動的位移和速度。機床本體主要是機械部件，包括主運動部件、進給運動部件和支承部件等。對于數控機床部件來講，機械部件結構較通用機床簡單，但其各項技術指標要求比通用機床要高。在數控機床上進行加工時，首先根據零件圖編制程序，編程的代碼和指令格式大多符合ISO標準和相應的國家標準。然后將程序通過信息載體輸入到NC或CNC中，由數控系統根據程序內容發出指令，一方面由伺服系統中的電動機通過傳動裝置控制機床執行件的運動，另一方面控制機床的其它輔助運動，如主軸轉速、轉向選擇，冷卻泵的開停等。兩方面協同動作，共同完成加工內容。

2 數控機床的常見的分類方法

（1）按伺服系統類型分類。分為開環、閉環和半閉環系統。由伺服系統控制機床執行件運動時，雖然其接受了數控裝置的指令要求值，但實際位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的誤差。這一誤差是由伺服電動機的轉角誤差、減速齒輪的傳動誤差、滾珠絲杠的導程誤差以及導軌副抵抗爬行的能力這四項因素綜合反映的。開環、閉環和半閉環系統的主要區別在于使用的電動機不同、是否進行執行件的測量及誤差補償以及誤差補償范圍的大小不同。開環系統如圖2所示，由于不進行執行件的測量及誤差補償，所以結構簡單，維修方便，精度相對較低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型數控機床上。閉環系統如圖3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求較高的大型和精密數控機床上。半閉環系統如圖4所示，介于兩者之間，只對部分誤差進行補償，因此從理論上講其加工精度不如全閉環系統。

（2）按控制運動的方式分類。分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種。點位控制數控機床在加工平面內只控制刀具相對于工件的定位點的坐標位置，而對定位移動的軌跡不作要求。這類控制系統主要用于數控鉆床、數控鏜床、數控沖床和測量機等。直線控制數控機床能控制刀具或工件的適當的進給運動，沿平行于坐標軸的方向進行直線移動和加工，或者控制兩個坐標軸以相同的速度運動，沿45°斜線進行切削加工。這類控制系統主要用于數控車床、數控鏜銑床以及某些加工中心。輪廓控制數控機床能同時控制兩個或兩個以上坐標軸，使刀具與工件作相對運動，加工復雜零件。單純的點位控制和直線控制機床很少，大部分為輪廓控制數控機床。輪廓控制數控機床能夠實現聯動加工，也能進行點位和直線控制。這類控制系統主要用于數控車床、數控銑床、數控磨床以及加工中心機床。

（3）按工藝用途分類。分為一般數控機床和數控加工中心。一般數控機床指與一般通用機床相對應的數控車、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工機床。加工中心最顯著的特點是具有刀庫和換刀機械手，能夠實現多工序加工。刀庫的容量應為二十把刀以上，但是一般常說的四方刀架、八方刀架等不屬于刀庫的范疇。

（4）按數控裝置的功能分類。分為數控機床、簡易數控機床和經濟型數控機床。數控機床的數控裝置功能齊全，能夠進行自動編程、自動測量和自動故障診斷等。簡易數控機床的功能單一，僅具備實現自動化的基本功能，并采用直觀輸入方式，結構簡單，價格便宜。通用機床可采用單片機或單板機經數控化改造成經濟型數控機床，性能可靠，操作簡便。

3 數控機床控制技術的發展

機械設備最早的控制裝置是手動控制器。目前，繼電器—接觸器控制仍然是我國機械設備最基本的電氣控制形式之一。到了20世紀20～50年代，出現了交磁放大機—電動機控制，這是一種閉環反饋系統，系統的控制精度和快速性都有了提高。20世紀60年代出現了晶體管——晶閘管控制，由晶閘管供電的直流調速系統和交流調速系統不僅調運性能大為改善，而且減少了機械設備和占地面積，耗電少，效率局，完全取代了交磁放大機—電動機控制系統。在20世紀60年代出現丁一種能夠根據需要方便地改變控制程序，結構簡單、價格低廉的自動化裝置—順序控制器。隨著大規模集成電路和微處理器技術的發展及應用，在20世紀70年代出現了一種以微處理器為核心的新型工業控制器——可編程序控制器。這種器件完全能夠適應惡劣的工業環境，由于它具備了計算機控制和繼電器控制系統兩方面的優點，故目前已作為一種標準化通用設備普通應用于工業控制。隨著計算機技術的迅速發展，數控機床的應用日益廣泛，并進一步推動了數控系統的發展，產生了自動編程系統、計算機數控系統、計算機群控系統和天性制造系統。計算機集成制造系統及計算機輔助設計、制造一體化是機械制造一體化的高級階段，可實現產品從設計到制造的全部自動化。綜上所述，機械設備控制技術的產生，并不是孤立的，而是各種技術相互滲透的結果。它代表了正在形成中的新一代的生產技術，已顯示出并將越來越顯示出強大的威力。

總之，數控機床由于一系列優點，已在機床工業中日漸受到人們的重視，而且數控技術的發展也使機床的結構、種類發生了一系列的變化。