1.2　數控機床

（1）數控機床的定義

數控，即數字控制（Numerical Control，NC）。數控技術是指用數字信號形成的控制程序對一臺或多臺機械設備進行控制的一門技術。

數控機床（Numerically Controlled Machine Tool），簡單地說，就是采用了數控技術的機床。即將機床的各種動作、工件的形狀、尺寸以及機床的其他功能用一些數字代碼表示，把這些數字代碼通過信息載體輸入給數控系統，數控系統經過譯碼、運算以及處理，發出相應的動作指令，自動地控制機床的刀具與工件的相對運動，從而加工出所需要的工件。

（2）數控機床的組成

數控機床主要由程序介質、數控裝置、伺服系統、機床主體等四部分組成，如圖1-2所示。

程序介質用于記載機床加工零件的全部信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數、位移數據、切削速度等。常用的程序介質有磁盤等。數控機床大都采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接輸入或通過串行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數控系統。在CAD/CAM集成系統中，其加工程序可不需任何載體直接輸入到數控系統。

數控裝置是控制機床運動的中樞系統，它的基本任務是接受程序介質帶來的信息，按照規定的控制算法進行插補運算，把它們轉換為伺服系統能夠接受的指令信號，然后將結果由輸出裝置送到各組控制伺服系統。

伺服系統是由伺服驅動電機和伺服驅動裝置組成的，是數控系統的執行部件。它的基本作用是接收數控裝置發來的指令脈沖信號，控制機床執行機構的進給速度、方向和位移量，以完成零件的自動加工。

通常數控系統由數控裝置和伺服系統兩部分組成，各公司的數控產品也是將兩者作為一體的。

機床主體也稱主機，包括機床的主運動部件、進給運動部件、執行部件和基礎部件，如底座、立柱、滑鞍、工作臺（刀架）、導軌等。

（3）數控機床的分類

數控機床的品種和規格繁多，分類方法不一。根據不完全統計，目前已有近500種數控機床。根據數控機床的功能和組成，一般可分為以下幾類，如表1-1所示。

加工中心與數控銑床的區別主要是加工中心具有刀庫并能自動換刀。

（4）數控機床加工的適用范圍

根據國內外數控機床技術應用實踐，數控機床加工的適用范圍可用圖1-3和圖1-4定性分析。

圖1-3所示表明了隨零件的復雜程度和生產批量的不同，三種機床適用范圍的變化。當零件不太復雜、生產批量不太大時，宜采用通用機床；當生產批量很大時，數控機床就顯得更為適用了。

圖1-4所示表明了隨生產批量的不同，采用三種機床加工時綜合費用的比較。由圖可知，在多品種、小批量（100件以下）的生產情況下，使用數控機床可獲得較好的經濟效益。零件批量的增大，對選用數控機床是不利的。

數控機床通常適合加工具有以下特點的零件：

①多品種、小批量生產的零件或新產品試制中的零件。

②輪廓形狀復雜、對加工精度要求較高的零件。

③用普通機床加工時需要有昂貴的工藝裝備（工具、夾具和模具）的零件。

④需要多次改型的零件。

⑤價值昂貴、加工中不允許報廢的關鍵零件。

⑥需要最短生產周期的急需零件。

（5）數控機床的特點

數控機床具有如下特點：

①采用數控機床可以提高零件的加工精度，穩定產品的質量。

②數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜曲面的零件加工。

③采用數控機床比普通機床可以提高生產效率2～3倍，尤其對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。

④可以實現一機多用。

⑤采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發展，為實現形成過程自動化創造了條件。

（6）數控機床發展方向

數控機床是柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統（FMS）以及計算機集成制造系統（CIMS）和敏捷制造（Agile Manufacturing）的基礎，是國民經濟的重要基礎裝備。隨著微電子技術和計算機技術的發展，現代數控機床的應用領域日益擴大。當前，數控設備正在不斷地采用最新技術成就，向著高速化、高效化、精密化、系列化及復合化等方向發展。

①高速、高效　高速切削加工如圖1-5所示，可通過高速運算、快速插補運算、超高速通信和高速主軸等技術來實現。高主軸轉速可減少切削力，有利于克服機床振動，使傳入零件中的熱量大大降低，排屑加快，熱變形減小，加工精度和表面質量可得到顯著改善。

加工中心的主軸轉速現已達到8000～12000r/min，最高的可達100000r/min以上；磨床的砂輪線速度提高到100～200m/s。正在開發的采用64位CPU的新型數控系統（目前數控系統多采用32位以上的高速微處理器），可實現快速進給、高速加工、多軸控制功能，控制軸數最多可達到24個，同時聯動軸數可達3～6軸，進給速度為20～24m/min，最快可達60m/min。自動換刀和自動交換工作臺時間也大大縮短，現在數控車床刀架的轉位時間可達0.4～0.6s，加工中心自動交換刀具時間可縮短至3s，最快能達到1s以內，自動交換工作臺時間也可縮短為6～10s，個別可縮短到2.5s。

②高精度　用戶對產品精度要求的日益提高，促使數控機床的精度不斷提高。數控機床的精度主要體現在定位精度和重復定位精度方面。數控機床配置了新型、高速、多功能的數控系統，其分辨率可達到0.1μm，有的可達到0.01μm，實現了高精度加工。伺服系統采用前饋控制技術、高分辨率的位置檢測元件、計算機數控的補償功能等，保證了數控機床的高加工精度。目前數控機床的定位精度可達0.001mm，重復定位精度可達0.0005mm。

③加工功能復合化　在一臺機床上實現多工序、多方法加工是數控機床發展的又一趨勢。目前已經出現了集鉆、鏜、銑功能于一身的數控機床，可完成鉆、鏜、銑、擴孔、鉸孔、攻螺紋等工序的數控加工中心，以及車削加工中心（圖1-6），鉆削、磨削加工中心，電火花加工中心等。近年來又出現了高復合化數控機床，如增加了車削和磨削功能的鏜銑類加工中心等，不但有更高的加工精度，而且可以提高工作效率，節約占地面積和投資。

④智能化　早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是調度任務，以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為?？茖W技術發展到今天，實時系統與人工智能已實現相互結合，人工智能正向著具有實時響應的更加復雜的應用領域發展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發展，如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如，在數控系統中配置編程專家系統、故障診斷專家系統、參數自動設定和刀具自動管理及補償等自適應調節系統；在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態前饋功能；在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數控系統的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。

⑤高可靠性　數控系統的高可靠性是提高數控機床可靠性的關鍵。現代數控機床的硬件采用更高集成度的電路芯片和由多種功能模塊制成的硬件系統，使數控機床制造向模塊化、標準化、智能化方向發展。模塊化、標準化、智能化有利于提高數控機床制造和運行的可靠性，便于維修和保養。而具有人工智能功能的故障診斷系統軟件的開發及使用，可以增強機床自診斷、自恢復的保護功能，從而大幅降低了系統的故障率。

⑥柔性化　數控機床正向柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統（FMS）以及計算機集成制造系統（CIMS）等柔性化方向發展。柔性化的特點是適應性更強，生產率更高，加工范圍可以隨時調整。典型的柔性制造系統（FMS）包括各制造單元（數控機床、加工中心和測量機等）、工夾具、無人送料車、自動化倉庫以及一套計算機控制系統、物流控制和信息網絡等。

（7）常用數控機床外形

常用數控機床外形見圖1-7～圖1-14。