认识数控机床

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数控机床的产生
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   社会需求是推动生产力发展最有力的因素。二十世纪四十年代以来，由于航空航天技术的飞速发展，对于各种飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多形状非常复杂，材料多为难加工的合金。用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率。为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六个时代：
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1 ^* T& d9 j" y4 R: X- T  （1）数控（NC）阶段（1952年～1970年）

   早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控（NC）。随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代——电子管数控机床，1959年的第二代——晶体管数控机床，1965年的第三代——集成电路数控机床。
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/ N5 |% }3 F( N0 c: \0 C/ ~: S9 K  （2）计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）

# D/ R/ p; g) _2 v' K( \3 Y" i   1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。这个阶段也经历了三代，即1970年的第四代——小型计算机数控机床，1974年的第五代——微型计算机数控系统，1990年的第六代——基于PC的数控机床。
   随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也随之不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。

$ |, x: ]% C! w. p/ Z5 b   2．数控机床的发展趋势

   数控机床的出现不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势：

  （1）高速度高精度化

6 S' G. x# s3 j" A; y   速度和精度是数控机床的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控机床，高速度化首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度地做出反应。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件也要实现高速度化。
   提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少数控系统误差方面，一般采取三种方法：①提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给；②提高位置检测精度；③位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，还采用了热变形补偿技术。

( N2 R+ O4 F1 R# C, \9 ~+ _6 Z: Q  （2）多功能化

( c# g3 z) N$ G% _% {7 x    一机多能的数控机床，可以最大限度地提高设备的利用率。如数控加工中心（Machining Center——MC）配有机械手和刀具库，工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而避免多次装夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工夹具和操作人员，节省了占地面积和辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴数多达15轴，同时联动的轴数已达到6轴。
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  （3）智能化
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   数控机床应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面：
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) c# ^" q2 e" o( z! T  o1 E   ①引进自适应控制技术

6 \( j) {% P0 F4 `# k   自适应控制技术（Adaptive Control——AC）的目的是要求在随机的加工过程中，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，以达到或接近最佳工作状态。通常数控机床是按照预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确保质量，势必在编程时采用较保守的切削用量，从而降低了加工效率。AC系统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC处于最佳的切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门用于特种材料的加工。

   ②附加人机会话自动编程功能

   建立切削用量专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。
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   ③具有设备故障自诊断功能

6 t$ p5 ]1 {+ I4 w9 {- W  b   数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。

9 D7 R* d: h3 j3 G" l1 x* C6 j9 H  （4）小型化

9 {0 Z/ u* Y+ z0 [. U6 X' H   蓬勃发展的机电一体化设备，对数控系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法，使电子元器件得以高密度地安装，大大地缩小了系统的占有空间。此外，它们还采用了新型TFT彩色液晶薄型显示器，使数控系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上。
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  （5）高可靠性
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$ X1 P8 A( K% ^. F   数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，因此要求设备具有高可靠性。特别是对在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。提高可靠性，通常可采取如下一些措施：
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   ①提高线路集成度
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7 x$ i+ |2 H- J0 T' q* ^   采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和减低功耗。

3 j% h/ l6 P3 U   ②建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系
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   例如，采取防电源干扰，输入/输出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面的检查考核等。通过这些手段，保证产品质量。
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   ③增强故障自诊断功能和保护功能

   由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因，数控机床完全可能出现故障。数控机床一般具有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控机床还具有故障预报、自恢复功能、监控与保护功能。例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间（MTBF）可达到10000～36000h。