认识数控机床

aiaiaiai22

数控机床的产生

   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：
8 G" v; Q3 m+ @
/ S* R8 p& z  |) K. y9 G  （1）数控（NC）阶段（1952年～1970年）
" X  Z+ ~$ ?4 e/ S6 q/ [
" y2 Z* e$ E' Y   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。

5 h/ l4 N; m: C6 ]! r5 v  （2）计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）
0 \% x/ o( a2 J" P9 Y
   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。
8 ^% c: X' H- P( @- c   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。

" o, k1 n( U( P& R! |' b* M# g* y   2．数控机床的发展趋势

: R. f" v; D8 X0 H8 T   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：
/ @9 Y/ M4 e! H# q
  （1）高速度高精度化

7 g' E" ~+ \9 x   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。

* W7 c/ }7 l- e7 k& i) h  （2）多功能化
( f1 f" C9 c. K4 }. ^
+ a5 c6 m% p, Q* }    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。
2 I  g* E0 t+ n7 }4 G$ O& f' q
  （3）智能化

   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：
4 o( h# L4 L/ T/ v
6 t  p; E" v4 v( l2 P+ f4 K   ①引进自适应控制技术

   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。
& q% I8 ~" ?! j7 D: g: s* q  q
   ②附加人机会话自动编程功能
+ V' I+ Q) _' c. V
   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。

   ③具有设备故障自诊断功能
7 T3 ~& ]" @7 C: `  s
   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。

  （4）小型化
) d# R' V9 R, B4 x/ v
6 A' q" S( H( L: D/ ^9 L3 r2 n   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。
' @5 H/ g( F7 p) E- O
  （5）高可靠性

% K% A: b. X/ o2 u6 M4 z  }   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：

3 S4 c$ D& @$ N) _" _   ①提高线路集成度
* ^% p9 G/ f2 Q: a5 [
   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。
- Q7 F- o! G" p2 Y; a3 v& G
   ②建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系
  F  I6 n% J7 T2 j. F5 I
   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。
1 Y7 |* j' V6 w" A9 U
/ C0 w; m0 }0 m   ③增强故障自诊断功能和保护功能
6 V- E- B; f/ _; m- s
% I( G6 m; B8 o3 b   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。