数控机床的发展

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摘要：数控技术及装备是发展新兴尖端工业和新兴高新技术产业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为提高综合国力和国家地位的重要途径。

关键词：数控技术及装备 自动控制技术 可编程控制器

1　数控机床的概要

1.1　数控机床的产生

随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷，机械制造业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在航天、航海、军事等领域，所需的机械零件精度要求更高、形状也更为复杂、多品种，并且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化精度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率、提高产品质量及降低生产成本。一种新的生产设备――数控机床就诞生了。

1.2　数控机床的发展

1952年美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上，当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。

我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期，一些高等院校、科研院所研制出试验样机，开发也是从电子管开始的，1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开。数控加工中心在北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。

到20世纪80年代，总体发展趋势是：

数控系统的可靠性不断提高；增强通信功能；采用新型的自动编程系统；驱动装置向交流、数字化方向发展；为便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需求，提高系统的集成度、缩小体积，采用模块化结构；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；数控装置由NC向CNC发展。总之，数控机床技术不断发展，性能价格比也越来越高，可靠性越来越高，功能越来越完善，使用越来越方便。

1.3　数控机床的组成及工作原理

数控机床一般由机床本体、辅助装置、伺服驱动系统、计算机数控装置、控制介质等部分组成。

1.3.1　控制介质

要对数控机床进行控制，就必须在人与数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。在使用数控机床之前，先要根据零件图上规定的尺寸、形状和技术条件，编出工件的加工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床的全部动作顺序，按照规定的格式和代码记录在信息载体上。需要在数控机床上加工该工件时，把信息即工件加工程序输入计算机控制装置。常用的控制介质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带等。

1.3.2　伺服驱动系统

为使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，需要进行伺服驱动。

伺服系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电机组成，常用的伺服电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产效率的因素之一。

1.3.3　计算机数控装置

数控装置是数控机床的中枢。其作用是：从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，输出几种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，经过数控装置的逻辑电路或软件进行编译运算处理后，使其进行规定的有序运动。

1.3.4　辅助控制装置

辅助控制装置的作用是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口电路转换成强电信号，用来控制主轴电机的起动、停止，主轴转速调整，冷却及泵起停，转位换刀，工件和机床部件的松开和夹紧，分度工作台的转位分度等开关辅助动作。当今数控机床已广泛采用可编程控制器作为辅助控制装置。

1.3.5　机床本体

数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，它与传统的普通机床似，但数控机床在整体布局、外观造型、传动机构及操作机构等方面都发生了很大的变化。数控机床应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦系数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精密，并采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。

1.4　数控机床的特点

数控机床有以下的特点：

1.4.1　适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件

在数控机床上改变加工工件时，只需要重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。数控机床加工工件时，只需要简单的夹具，所以改变加工工件后，也不需要制作特别的工装夹具，更不需要重新调整机床。因此数控机床特别适合单件、小批量及试制新产品的工件加工。

1.4.2　加工精度高

数控机床的脉冲当量普遍可达0.001mm/脉冲，传动系统和机床结构都具有很高的刚度和热稳性，工件加工精度高，进给系统采用消除间隙措施，并对反向间隙与丝杠螺距误差等由计算机实现自动补偿，所以加工精度高。由于数控机床是自动进行加工的，所以同一批工件的尺寸一致性好，加工质量十分稳定。

1.4.3　生产率高

工件加工所需时间包括机动时间和辅助时间。数控机床能有效地减少这两部分时间。

数控机床刚性好，快速移动和停止采用了加速、减速措施，因此既能提高空行程运动速度，又能保证定位精度，有效地降低了加工时间。

数控机床更换工件时，不需要调整机床，同一批工件加工质量稳定，无需停机检验，故辅助时间大大缩短，生产效率有了更明显的提高。

1.4.4　减轻劳动强度、改善劳动条件

数控机床加工是自动进行的，工件加工过程不需要人的干预，加工完毕后自动停车，这就使工人的劳动条件大为改善。

1.4.5　良好的经济效益

虽然数控机床很贵，分摊到每个工件上的设备费用较大，但是使用数控机床可节省许多其它费用。特别是不要设计专用工装夹具，加工精度稳定，减少了调度环节等，所以总体成本下降，可获得良好的经济效益。

2　国产数控机床的发展现状及发展趋势

2.1　国产数控机床与国际先进水平差距逐渐减小

数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了由成长期进入了成熟期，可提供市场各种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品可与日、美、德、意等国齐驾齐驱。

2.2　国内数控机床的发展趋势

2.2.1　智能、高速、高精度化

新一代数控机床为提高生产率，向超高速方向发展，精密度已达微米级。

2.2.2　设计、制造绿色化

在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发、制造及其活动对环境的影响，对环境的负面影响最小，资源利用率最高。

2.2.3　复合化与系统化

由于产品开发周期越来越短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。

3　CNC装置的工作原理

CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码、刀具补偿、速度规划、插补运算、位置控制、I／O接口处理、显示和诊断等方面进行控制。

CNC装置的主要工作包括以下内容：

3.1　输入

输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。

3.2　译码

在译码的过程中还完成对程序段的语法检查。

3.3　插补

插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。

3.4　进给速度处理

编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。

3.5　刀具补偿

刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。

3.6　位置控制

位置控制处在伺服回路的位置环上。

3.7　显示

CNC装置的显示主要是为操作者提供方便。

3.8　I，O处理

主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制。

3.9　诊断

现代CNC装置都具有联机和脱机诊断的能力，对CNC装置进行诊断、故障定位和修复。

4　结束语

为提高在市场的适应能力和竞争能力，现在各国制造业大都采用数控技术来提高制造能力和水平。另外世界各发达国家还将数控技术和装备列为国家的战略物资，所以用尽措施来发展自己的数控技术及产业。目前，当前研究的核心是数控系统功能软件开发、开放式数控系统结构及配置。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，为我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！

参考文献：

[1]张振国.数控机床的结构与应用.机械工业出版社，1990.

[2]邓奕.现代数控机床与应用.国防工业出版社，2010.

[3]陈富安.数控技术原理与编程.西安电子科技大学出版社，2004.