第1章 数控机床的基础知识
1.1 概述
1.1.1 数控机床的产生
机械制造行业中，人们一直在探索如何实现机械加工自动化。1946年电子计算机的出现，为人类提供了实现机械加工自动化的理想手段。用数字控制技术进行机械加工自动化的思想，在20世纪40年代首次提出，当时，美国北密执安的一个飞机制造承包商帕森斯在制造直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工的影响，使得加工精度达到了较高的程度。
1952年，美国的PARSONS公司与麻省理工学院成功研制出世界上第一台三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测以及新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的机床，可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造业中的一次革命，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段。
1.1.2 数控机床的发展历史
数控机床的发展，主要是伴随着数控机床的核心部件（数控系统）的发展而发展变化的。1952年，世界上第一台数控机床的数控系统是采用脉冲乘法器原理，全部由电子管元器件组成，它体积庞大，功能简单，可靠性较差，但它是第一代数控系统的标志。1959年，随着晶体管元器件的研制成功以及印制电路板的广泛应用，数控系统的体积大为减小，可靠性有所提高，功能也逐渐增强，这时数控系统进入了第二代。同年出现了带自动换刀装置的数控机床——加工中心，即MC（Machining Center）机床。1965年，出现了小规模集成电路，因其体积小，功耗低，可靠性高，而得到广泛应用，此时数控系统进入了第三代。由于以上三代数控系统的逻辑运算和控制均采用硬件电路来完成，因此，将其称之为硬件数控系统，这种机床简称为NC（Numerical Control）机床。
随着微电子技术的发展，小型计算机逐渐取代了数控系统中的专用计算机，使许多控制功能可以依靠编制专用程序来完成，而不必依靠硬件电路来实现。这样，大大提高了数控系统控制的灵活性和可靠性。1970年，美国在芝加哥国际机床展览会上，第一次展出了采用小型计算机控制的计算机数控系统，即CNC（Computer Numerical Control）机床，CNC系统也称为软件数控系统，这就是第四代数控系统。1974年，随着中、大规模集成电路技术的发展，产生了以微处理器为CNC系统核心的第五代数控系统，即MNC（Microcomputer Numerical Control）系统。
在20世纪80年代初，国际上出现了柔性制造单元，即FMC（Flexible Manufacturing Cell），它是一种根据零件族由一台或多台CNC机床，自动化物流存储、传输和交换装置，以及单元控制计算机组成的自动化制造单元，其核心是CNC机床。随后出现了柔性制造系统，即FMS（Flexible Manufacturing System），它是由CNC机床、物料储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能够根据制造任务或生产环境进行调整，适用于多品种小批量生产。在柔性制造单元和柔性制造系统基础上，产生了计算机集成制造系统，即CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），它通过计算机、网络、数据库等软硬件将企业的产品设计、加工制造和经营管理等方面的所有活动集成起来，使企业的产品研发和生产周期大为缩短，产品质量大幅提高，生产效率显著增强。
1958年，我国开始研制数控机床，从20世纪60年代末至70年代初成功研制出X53K—1G立式数控铣床、CJK—18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。20世纪80年代，我国从日本、德国和美国等数控机床领先的国家引进一些新技术，促进了我国数控机床的快速发展。进入20世纪90年代，我国在引进、消化、吸收国外数控机床先进制造技术的基础上，成功研制和开发了具有自主知识产权的高档数控机床，如五轴联动数控机床、车铣复合数控机床、高速加工数控机床、纳米级分辨率数控车床等。特别是进入21世纪，我国数控机床的研发、制造和利用得到了突飞猛进的发展。目前，我国是世界上拥有数控机床最多的国家。
1.1.3 数控机床的发展趋势
随着科学技术的发展，社会对产品要求呈现出高质量、多品种、多规格的特点，中小批量生产的比重明显增加，这就要求数控机床成为一种高效率、高质量、高柔性和低成本的新一代制造设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）提供基础设备，也要求数控机床向更高水平的方向发展。20世纪90年代以来，计算机技术发展突飞猛进，特别是计算机的高性能、低价格及微型化，为数控技术的迅速发展和广泛应用奠定了坚实的基础。数控设备应用领域的日益扩大，各行各业加工要求的不断提高，也从另一个方面促进了数控技术和设备的发展，目前数控设备正不断采用微电子、计算机和控制理论等领域的最新技术成果，并朝着高速度、高精度、高可靠性、智能化、多功能化和网络化方向发展。
1.高速度与高精度
速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到数控机床的加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求；另外，这两项技术指标又是相互制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统，其位移分辨率和进给速度可达到1μm（100～240m/min）、0.1μm（24m/min）、0.01μm（（400～800）mm/min），主轴转速可达到40000～50000r/min。
2.高可靠性
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性。为了提高可靠性，目前主要采取以下几个方面的措施：
（1）采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式，使设计生产过程由质量保证体系监控，严格筛选元器件，全面考核系统可靠性，确保产品质量。
（2）采用大规模和超大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，减少了元器件数量，精简外部连线，降低了功耗，极大地提高了系统的可靠性。
（3）增强故障自诊断、自修复和保护功能，保证了数控机床的高可靠性。
现代数控系统的平均无故障时间（Mean Time Between Failures，MTBF）可达到10000～36000h。
3.智能化
（1）采用故障自诊断、自修复功能。现代数控机床的数控系统都具有很好的故障自诊断功能和保护功能、软件限位和自动返回功能，一旦出现故障时，立即采取停机等措施，并通过显示器（CRT）进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，避免了加工过程中出现特殊的情况而造成工件的报废和事故。有的数控机床上装有工件尺寸检测装置，对工件加工尺寸进行定期检测，发现超差则及时发出报警或补偿信号，以便及时调整，保证产品的加工质量。
（2）引进自适应控制技术。数控机床增加更完善的自适应控制功能是数控技术发展的一个重要方向。自适应控制技术的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到最佳工作状态。由于在实际加工过程中，有许多因素直接或间接地影响加工效果，如工件毛坯余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。这些变量事先难以完全预知，编制加工程序时只能依据经验数据，以致在实际加工中，很难用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使数控机床在加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
（3）刀具寿命自动检测和自动换刀功能。利用红外线、激光等检测手段，对刀具和工件进行检测，若发现工件超差、刀具磨损、破损等，则进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。
（4）引进模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器能够自动辨识图样，按照操作者语言命令进行加工。
（5）工艺数据库或专家系统。数控装置内设有与该机床加工工艺相关的小型工艺数据库或具有人工智能的专家系统，可以自动选择最佳的工艺参数，从而提高了编程效率，大大缩短了生产准备的时间，降低了对操作人员技术水平的要求。
4.多功能化
数控加工中心（MC）配有一机多能的数控系统和自动换刀系统（机械手和刀具库）。工件装夹后，数控系统能控制机床自动更换刀具，连续对工件各个加工表面进行多工序加工。这种采用工序集中的加工设备，可以避免工件多次装夹所造成的定位误差，确保工件的加工精度。同时，还能减少工件的装夹辅助时间，减少设备数量，节省占地面积。此外，多主轴、多面体加工及多轴联动数控机床已在提高数控加工工效方面起了很大的作用，如五面体加工中心，其数控系统的控制轴数已多达15轴，联动轴数已达6轴。
5.网络化
为了适应柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以及进一步联网组成计算机集成制造系统（CIMS）的要求，数控系统要具有联网能力，现在数控系统一般都具有RS—232C和RS—422高速远距离串行接口，可以按照要求与上一级计算机进行多种数据交换。不同厂家生产的不同数控机床，可以采用MAP（制造自动化协议）工业控制网，从工厂自动化上层（设计信息、生产计划信息）到下层（控制信息、生产管理信息），通过信息交流建立能够有效利用全部信息资源的计算机网络。