1.1 数控机床的基本知识

知识导图

1.1.1 数控机床的概念

1.数字控制（Numercial Control, NC）技术

数字控制技术是20世纪中期发展起来的一种技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。

2.数控机床（Numerical Control Machine Tool）

数控机床是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，是数控技术与机床相结合的产物。

3.NC机床

早期的数控机床控制系统采用各种逻辑元件、记忆元件构成随机逻辑电路，属于固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称为硬件数控，用这种技术实现控制功能的数控机床称为NC机床。

4.CNC机床

现代数控系统是采用微处理器中的系统程序（软件）来实现控制逻辑，以及部分或全部数控功能的，并通过接口与外围设备连接成为计算机数控（Computer Numerical Control）系统，简称CNC系统。具有CNC系统的机床称为CNC机床。

1.1.2 数控机床的产生和发展

数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后来又经过三年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床局限在航空工业中应用，品种也多为连续控制系统。到了20世纪60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断地扩展应用范围。

20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序。20世纪90年代后期又进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工方法组合的复合机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。

自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了以下五个发展阶段。

第一代数控：1952—1959年采用电子管元件构成的专用数控（NC）装置。

第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用计算机控制的数控系统（Computer Numerical Control, CNC）。

第五代数控：从1974年开始采用微型计算机控制的数控系统（Microcomputer Numerical Control, MNC）。

第五代微机数控系统已取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序（即存储在系统内的管理程序）来实现的。这种数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善，数控装置的故障已从数控机床总的故障次数中占主导地位降到了很次要的地位。

20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术出现了更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用个人计算机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统（也称之为第六代数控）。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧洲的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。许多开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用开放式体系结构的A2100系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型化，可靠性大大提高。利用多中央处理器（CPU）的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，大大缩短开发生产周期。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。

最新一代的数控机床是并联机床（又称6条腿数控机床、并联运动学机器人、虚轴机床）。1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上，美国Giddings & Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视。它是一台以Stewart平台为基础的五坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。

并联机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡儿坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。

1.1.3 我国数控机床发展概况

我国于1958年开始研制数控机床，到20世纪60年代末和70年代初，简易的数控机床在生产中开始使用。它们以单板机作为控制核心，多以数码管作为显示器，用步进电动机作为执行元件。20世纪80年代初，由于引进了国外先进的数控技术，使我国的数控机床在质量和性能上都有了很大的提高。它们具有完备的手动操作面板和友好的人机界面，可以配直流或交流伺服驱动，实现半闭环或闭环的控制，能对2～4轴进行联动控制，具有刀库管理功能和丰富的逻辑控制功能。20世纪90年代起，我国向高档数控机床方向发展。一些高档数控攻关项目通过国家鉴定并陆续在工程上得到应用。航天Ⅰ型、华中Ⅰ型、华中-2000型等高性能数控系统，实现了高速、高精度和高效经济的加工效果，能完成高复杂度的五坐标曲面实时插补控制，可加工出高复杂度的整体叶轮及复杂刀具。图1-2所示为我国生产的第一台数控机床。

1.1.4 当前数控机床技术发展趋势

1.高速加工技术发展迅速

高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10s、3s、1s以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。

2.精密加工技术有所突破

通过机床结构优化、制造和装配的精密化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用，以及温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减小几何误差、表面粗糙度值。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升了100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1μm，已进入亚微米超精加工时代。

3.技术集成和技术复合趋势明显

技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金属切削与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。

4.数字化控制技术进入了智能化的新阶段

数字化控制技术发展经历了三个阶段：数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，与计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装夹定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断，零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统故障进行自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通互联网（Internet）接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。

5.极端制造扩张新的技术领域

极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。

任务实践

1.查阅网上相关资料，了解国内外数控机床的发展历程。

2.结合当前先进制造业的发展现状，理解数控机床未来的发展趋势。

3.数控技术的发展关系着“国之命脉”，结合实例，谈谈自己的见解。