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數控車床簡介

一、數控機床的產生

    數控車床(Numerical Control Machine Tools)是用數字代碼形(xing)式(shi)的信息    (程序指令(ling))，控(kong)制刀具按給定的工作程序、運動速(su)度和軌跡進行自動加工的機(ji)床，簡稱數控(kong)機(ji)床。

    數控機(ji)床是在機(ji)械制造(zao)技(ji)術和控制技(ji)術的基礎(chu)上發(fa)展起來的，其過程大致如下(xia)：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋(xuan)槳葉片輪(lun)廓檢(jian)驗(yan)用樣板的加工(gong)設備。由于(yu)樣板形狀(zhuang)復雜多(duo)樣，精度要求高，一般(ban)加工(gong)設備難(nan)以(yi)適應(ying)，于(yu)是(shi)提出(chu)采用數字脈(mo)沖控制機床的設想。

    1949年，該公司與美(mei)國麻省理工學(xue)院(yuan)(MIT)開始共同研究(jiu)，并(bing)于1952年試(shi)制成(cheng)功第一臺(tai)三坐標數(shu)控(kong)銑床，當(dang)時的數(shu)控(kong)裝置(zhi)采用電子(zi)管元件。

    1959年，數控裝置(zhi)(zhi)采用了晶體管元件和(he)印刷電(dian)路板，出現帶(dai)自動(dong)換刀(dao)裝置(zhi)(zhi)的數控機床(chuang)，稱為加工中心(xin)( MC Machining Center)，使數控裝置(zhi)(zhi)進入了第(di)二代。，

    1965年，出(chu)現了(le)第(di)三代的集成電路數(shu)控裝置，不僅(jin)體積小(xiao)，功率消耗(hao)少，且可(ke)靠性(xing)提高，價格進(jin)一步下降，促(cu)進(jin)了(le)數(shu)控機床(chuang)品種和產量的發展。

    60年(nian)代末，先(xian)后(hou)出(chu)現了由(you)一臺計算機(ji)直接(jie)控(kong)(kong)制(zhi)多臺機(ji)床的直接(jie)數控(kong)(kong)系(xi)統(tong)(簡稱(cheng) DNC)，又(you)稱(cheng)群控(kong)(kong)系(xi)統(tong)；采用小型(xing)計算機(ji)控(kong)(kong)制(zhi)的計算機(ji)數控(kong)(kong)系(xi)統(tong)(簡稱(cheng) CNC)，使數控(kong)(kong)裝(zhuang)置進(jin)入了以小型(xing)計算機(ji)化為特征的第四代。

    1974年，研(yan)制(zhi)成功(gong)使用微(wei)處理器和半導體存貯器的微(wei)型計算機數控裝置(簡(jian)稱 MNC)，這是第五代數控系統。

    20世紀80年代初(chu)，隨著計算機軟(ruan)、硬件(jian)技術的(de)(de)發展，出現(xian)了能(neng)進行人機對話(hua)式自(zi)動(dong)(dong)(dong)編制(zhi)程(cheng)序(xu)的(de)(de)數(shu)控裝置；數(shu)控裝置愈(yu)趨小型化(hua)(hua)，可以直接安裝在機床上；數(shu)控機床的(de)(de)自(zi)動(dong)(dong)(dong)化(hua)(hua)程(cheng)度進一步提高，具有自(zi)動(dong)(dong)(dong)監控刀具破(po)損和自(zi)動(dong)(dong)(dong)檢測工(gong)件(jian)等功能(neng)。

    20世紀90年代后期，出現了PC+CNC智能數(shu)控系統，即以PC機為控制系統的硬(ying)件部(bu)分(fen)，在PC機上安裝NC軟件系統，此種(zhong)方式系統維護方便，易于實現網絡化制造(zao)。

二、數控機床特點

1、數控車床與普通機床的區別

    數控機床對零件(jian)的(de)加(jia)工(gong)過程，是嚴格按照加(jia)工(gong)程序所(suo)規(gui)定的(de)參數及動(dong)作(zuo)執行的(de)。它是一種高效能自(zi)動(dong)或(huo)半自(zi)動(dong)機床，與普通機床相(xiang)比，具(ju)有以(yi)下明顯特(te)點：

（1）適合于復雜(za)異(yi)形零件的加(jia)工

    數控機(ji)床可以完成(cheng)普通機(ji)床難以完成(cheng)或根本不能加(jia)(jia)工的復雜零件的加(jia)(jia)工，因此在宇航、造(zao)船、模具等加(jia)(jia)工業中得到廣泛應用。

    ◆ 加(jia)工精度(du)高

    ◆ 加(jia)工穩定(ding)可靠

    實現(xian)計算(suan)機(ji)控(kong)制(zhi)，排(pai)除(chu)人(ren)為誤差，零件的加(jia)工一致性好(hao)，質量穩(wen)定可靠。

    ◆ 高(gao)柔性

    加工對象(xiang)改變時，一般只需要更(geng)改數(shu)控程序，體現出很(hen)好的(de)適應(ying)性，可大大節省(sheng)生產準備時間。在(zai)數(shu)控機床(chuang)的(de)基(ji)礎上，可以組(zu)成具有更(geng)高柔性的(de)自動化制造系(xi)統—FMS。

    ◆ 高生產率

    數控車床本身的(de)精度高、剛性大，可選擇有(you)利的(de)加(jia)工用量，生產率高，一(yi)般為(wei)普通機(ji)床的(de) 3～5 倍(bei)，對某些復雜(za)零件的(de)加(jia)工，生產效率可以提高十幾倍(bei)甚至幾十倍(bei)。

    ◆ 勞動條件好

機床(chuang)自(zi)動化程度高，操(cao)作(zuo)人員勞動強度大大降(jiang)低，工作(zuo)環(huan)境較好。

    ◆ 有利(li)于管(guan)理現(xian)代化

采用數控(kong)機床有利于向計算(suan)機控(kong)制(zhi)與(yu)管理生產(chan)方(fang)面發(fa)展，為實現生產(chan)過(guo)程(cheng)自動(dong)化(hua)創造了(le)條件。

2、數控(kong)機(ji)床的適用范(fan)圍

    由于(yu)數控機床的(de)上述特(te)點，適用于(yu)數控加工的(de)零件有(you)：

  （1）批(pi)量小而又多次重復生(sheng)產的(de)零件；

  （2）幾何形狀復雜的零(ling)件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試制件。

三(san)、數(shu)控(kong)機床與數(shu)控(kong)系統的組成

1、數控系統組成

（1）操作面板

  a. 它是(shi)操作人員與數(shu)控裝置進行(xing)信息(xi)交流的(de)工具。

  b. 組成：按(an)鈕(niu)站、狀態(tai)燈、按(an)鍵陣列（功(gong)能與(yu)計算(suan)機鍵盤一樣）和顯示器。

  c. 它是數(shu)控(kong)機床特有部件(jian)。

（2）控制介質與(yu)輸(shu)入(ru)輸(shu)出設備

  a. 控制介質是記錄零件加(jia)工程序的(de)媒介

  b. 輸(shu)入(ru)輸(shu)出設(she)備是(shi)CNC系統與外(wai)部設(she)備進(jin)行交互裝置。交互的(de)信息(xi)通常是(shi)零件加工程序。即將(jiang)編制(zhi)好(hao)的(de)記錄(lu)在控(kong)制(zhi)介(jie)質上(shang)的(de)零件加工程序輸(shu)入(ru)CNC系統或將(jiang)調(diao)試好(hao)了的(de)零件加工程序通過輸(shu)出設(she)備存放(fang)或記錄(lu)在相應的(de)控(kong)制(zhi)介(jie)質上(shang)。

  c. 現代的(de)(de)(de)數(shu)控系(xi)統除采(cai)用輸(shu)入(ru)輸(shu)出設備(bei)進行信(xin)息(xi)(xi)交(jiao)換(huan)外，一般都(dou)具有用通訊(xun)方式進行信(xin)息(xi)(xi)交(jiao)換(huan)的(de)(de)(de)能(neng)力。它們是實現CAD/CAM的(de)(de)(de)集成、FMS和CIMS的(de)(de)(de)基本技術。采(cai)用的(de)(de)(de)方式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口）、

  e. 自動控(kong)制專用接口和規(gui)范（DNC方(fang)式，MAP協(xie)議等(deng)）

  f. 網絡技術（internet，LAN）等

(3) CNC裝置(CNC單元(yuan))

  a. 組成(cheng)：計算(suan)機系統、位(wei)置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。

  b. 作(zuo)用：根據輸(shu)入的(de)零件(jian)(jian)加工程序(xu)進行相應的(de)處理（如運(yun)動軌跡處理、機(ji)床輸(shu)入輸(shu)出(chu)處理等(deng)），然后輸(shu)出(chu)控制命令到(dao)相應的(de)執行部件(jian)(jian)(伺服單元、驅動裝置和(he)PLC 等(deng))，所(suo)有這些工作(zuo)是(shi)由CNC裝置內硬(ying)件(jian)(jian)和(he)軟件(jian)(jian)協調(diao)配合，合理組織，使整(zheng)個系(xi)統(tong)有條不紊地進行工作(zuo)的(de)。CNC裝置是(shi)CNC系(xi)統(tong)的(de)核心

(4) 伺服單(dan)元(yuan)、驅動裝置和測量裝置

  a. 伺(si)服單元(yuan)和驅動裝置

  b. 主軸(zhou)伺服(fu)驅動裝置和主軸(zhou)電機(ji)

  c. 進給伺服驅動(dong)裝置(zhi)和進給電機

 測量(liang)裝置

  a. 位置和速度測(ce)量裝置。以實現(xian)進給伺服(fu)系(xi)統(tong)的閉環控制。

  b. 作用(yong) 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝(zhuang)置指令：

  c. 進(jin)給運(yun)動指令：實現(xian)零(ling)件加(jia)工的成形運(yun)動（速(su)度和(he)位置控制）。

  d. 主軸運(yun)(yun)動(dong)指令(ling)，實現零(ling)件加工的切削運(yun)(yun)動(dong)（速(su)度控制）

(5) PLC、機床I/O電(dian)路和裝置(zhi)

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用(yong)于完(wan)成與(yu)邏(luo)輯運算(suan)有關順(shun)序動作的I/O控制，它由(you)硬件和軟件組(zu)成；

  b. 機床I/O電(dian)(dian)(dian)路(lu)和裝(zhuang)置：實現I/O控制的執(zhi)行部件(jian)(由繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)、電(dian)(dian)(dian)磁閥(fa)、行程開關、接觸器(qi)等組成的邏輯電(dian)(dian)(dian)路(lu)；

  c. 功能：

    接受CNC的M、S、T指令(ling)，對(dui)其進行譯碼并轉(zhuan)換成對(dui)應的控制(zhi)(zhi)信號，控制(zhi)(zhi)輔助裝置完成機(ji)床相(xiang)應的開關動作

   接受操作面板和(he)機床側的I/O信(xin)號，送給CNC裝置，經其(qi)處理后，輸出指令控制CNC系統的工(gong)作狀(zhuang)態和(he)機床的動作。

2、數控機床機械部分：

   數控(kong)機床(chuang)的主體，是實(shi)現制(zhi)造加工的執(zhi)行部件。

組成： 由主(zhu)運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)、進給運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)（工(gong)(gong)作臺、拖板以(yi)(yi)及相(xiang)應的傳動(dong)機構）、支承件(jian)（立柱、床(chuang)身等）以(yi)(yi)及特殊裝(zhuang)置(zhi)（刀具自(zi)動(dong)交(jiao)換系統(tong)工(gong)(gong)件(jian)自(zi)動(dong)交(jiao)換系統(tong)）和輔助裝(zhuang)置(zhi)（如(ru)排(pai)屑(xie)裝(zhuang)置(zhi)等）。

四、數控機床的分類

1、按(an)加工方式和工藝用途分類(lei)

（1）普通數控車床

    普通(tong)數(shu)控(kong)機床一般指在(zai)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝過程中的一個工(gong)(gong)序上(shang)實現數(shu)字(zi)控(kong)制的自(zi)動化(hua)機床，如數(shu)控(kong)銑床、數(shu)控(kong)車床、數(shu)控(kong)鉆床、數(shu)控(kong)磨(mo)床與數(shu)控(kong)齒輪加工(gong)(gong)機床等。普通(tong)數(shu)控(kong)機床在(zai)自(zi)動化(hua)程度(du)上(shang)還不夠完善(shan)，刀具的更換與零件的裝夾(jia)仍需人(ren)工(gong)(gong)來(lai)完成。

（2）加工中心

    加(jia)(jia)工(gong)中心是帶有刀(dao)庫和自動換(huan)刀(dao)裝(zhuang)置(zhi)的(de)數控機(ji)床(chuang)，它將數控銑(xian)床(chuang)、數控鏜(tang)床(chuang)、數控鉆(zhan)(zhan)床(chuang)的(de)功能組合在一起(qi)，零(ling)件在一次裝(zhuang)夾后，可(ke)以將其大(da)部分加(jia)(jia)工(gong)面(mian)進行銑(xian)、鏜(tang)、鉆(zhan)(zhan)、擴、鉸及攻螺紋(wen)等(deng)多工(gong)序加(jia)(jia)工(gong)。由(you)于加(jia)(jia)工(gong)中心能有效地避免(mian)由(you)于多次安(an)裝(zhuang)造(zao)成(cheng)的(de)定位誤差，所以它適用于產(chan)品更(geng)換(huan)頻繁、零(ling)件形狀復雜、精(jing)度要求高、生產(chan)批量不大(da)而生產(chan)周(zhou)期(qi)短的(de)產(chan)品。

2、按運動方式分類

（1）點(dian)位控制數(shu)控機床

    如圖(tu)1所示，點(dian)(dian)(dian)位控(kong)制(zhi)是指(zhi)數控(kong)系統只控(kong)制(zhi)刀具或工作臺從一(yi)點(dian)(dian)(dian)移至另一(yi)點(dian)(dian)(dian)的準確定位，然(ran)后進(jin)行定點(dian)(dian)(dian)加(jia)工，而點(dian)(dian)(dian)與(yu)點(dian)(dian)(dian)之間的路徑(jing)不需控(kong)制(zhi)。采用這類控(kong)制(zhi)的有數控(kong)鉆床(chuang)、數控(kong)鏜床(chuang)和(he)數控(kong)坐標(biao)鏜床(chuang)等(deng)。

圖1 點位控制加工示意圖

圖2 點(dian)位直線控制加工示意圖

（2）點位直線控(kong)制數(shu)控(kong)機床(chuang)

    如圖2所示，點位(wei)直(zhi)線(xian)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)是指數控(kong)(kong)(kong)系統除控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)直(zhi)線(xian)軌跡的(de)起點和(he)終點的(de)準確定位(wei)外，還要控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)在這(zhe)兩點之間(jian)以指定的(de)進給速度進行直(zhi)線(xian)切削。采用這(zhe)類控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)的(de)有數控(kong)(kong)(kong)銑床、數控(kong)(kong)(kong)車床和(he)數控(kong)(kong)(kong)磨床等。

圖3 輪(lun)廓控制加工示意圖

（3）輪(lun)廓控制數控機床(chuang)

    亦稱連續軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)控制(zhi)，如(ru)圖3所示，能夠連續控制(zhi)兩個或(huo)兩個以(yi)上坐標(biao)方(fang)向的(de)(de)聯合運(yun)動。為了(le)使刀具(ju)(ju)按規定的(de)(de)軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)加工工件的(de)(de)曲線輪(lun)廓(kuo)，數(shu)(shu)控裝置(zhi)具(ju)(ju)有(you)插補運(yun)算的(de)(de)功能，使刀具(ju)(ju)的(de)(de)運(yun)動軌(gui)(gui)(gui)跡(ji)以(yi)小的(de)(de)誤差逼近規定的(de)(de)輪(lun)廓(kuo)曲線，并協(xie)調各坐標(biao)方(fang)向的(de)(de)運(yun)動速(su)度，以(yi)便(bian)在切削(xue)過程中始(shi)終保持規定的(de)(de)進給速(su)度。采用這類控制(zhi)的(de)(de)有(you)數(shu)(shu)控銑(xian)床、數(shu)(shu)控車床、數(shu)(shu)控磨床和加工中心等。

3、按控制方式分類

（1） 開(kai)環控制系統

    開環控制系統是指不帶反饋裝置的控制系統，由步進電機驅動線路和步進電機組成，如圖4所示。數控裝置經過控制運算發出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。

圖4 開環控制

這種伺服機構比較簡單，工(gong)作穩定，容易掌(zhang)握使用(yong)，但精度(du)和速度(du)的提(ti)高受到限制。

（2）半閉環控制系統

    如圖5所示，半閉環控制系統是在開環控制系統的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統。

圖5 半閉環控制

這(zhe)種伺服(fu)機構(gou)所能(neng)達到(dao)的精度(du)(du)、速(su)度(du)(du)和動態特性(xing)優于開環伺服(fu)機構(gou)，為(wei)大多(duo)數中小型數控機床所采用。

（3）閉環控(kong)制系統

    如圖6所示，閉環控制系統是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確定位的控制系統。

圖6 閉環控制

環(huan)控(kong)制(zhi)，但結構比較復(fu)雜，調試維修的(de)難度(du)(du)較大，常(chang)用于(yu)閉環(huan)控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)定位(wei)精度(du)(du)高(gao)于(yu)半(ban)閉高(gao)精度(du)(du)和大型數控(kong)機床。

4、按聯動軸數分類

    數控(kong)系統控(kong)制幾個(ge)坐標軸(zhou)按需要的(de)函數關系同時協(xie)調運動，稱(cheng)為(wei)坐標聯動，按照聯動軸(zhou)數可以分為(wei)：

（1）兩軸聯動

 ;   數控機床能同時控制兩個坐(zuo)標軸聯動(dong)，適于數控車床加工旋轉曲面(mian)或(huo)數控銑床銑削平面(mian)輪廓。

（2）兩軸半聯動

    軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)可以(yi)在兩(liang)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的(de)基礎(chu)上(shang)增加了(le)Z軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的(de)移動(dong)(dong)，當機床(chuang)坐標系的(de)X、Y軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)固定時，Z作周(zhou)期(qi)性(xing)進給。兩(liang)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)半聯動(dong)(dong)加工可以(yi)實現(xian)分層(ceng)加工。

（3）三軸聯動

數控(kong)機(ji)床能同時控(kong)制三個坐標軸(zhou)的(de)(de)聯(lian)動，用(yong)于一般曲(qu)面的(de)(de)加(jia)工，一般的(de)(de)型腔模(mo)具均可以用(yong)三軸(zhou)加(jia)工完成。

（4）多坐標聯動

    數(shu)控(kong)機床能同(tong)時控(kong)制(zhi)(zhi)四個(ge)以(yi)上坐標軸的(de)(de)聯動。多坐標數(shu)控(kong)機床的(de)(de)結構復雜(za)，精度要求高、程序(xu)編制(zhi)(zhi)復雜(za)，適于加工形狀復雜(za)的(de)(de)零件(jian)，如葉輪葉片類零件(jian)。

    通常三(san)(san)軸(zhou)機床可以實現(xian)二軸(zhou)、二軸(zhou)半、三(san)(san)軸(zhou)加(jia)工(gong)；五軸(zhou)機床也可以只用到三(san)(san)軸(zhou)聯動加(jia)工(gong)，而其他兩軸(zhou)不(bu)聯動。

                    泰安市(shi)海特機器制造(zao)有限責任公(gong)司  技術(shu)中(zhong)心  供稿

                                                    2010年1月26日