第1章 數控加工概述

1.1 數控機床的產生及發展趨勢

1.數控機床的產生

20世紀40年代以來，隨著航空航天技術的迅速發展，對各種飛行器的加工提出了更高的要求，這些零件大多數形狀復雜，材料多為難加工的合金，用傳統的機床和工藝方法進行加工不能保證精度，也很難提高生產效率。為了解決復雜形狀表面的加工問題，1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。1952年帕森斯公司和麻省理工學院伺服機構實驗室合作，成功研制了世界上第一臺三坐標數控銑床。半個多世紀以來，數控技術得到了迅猛發展，數控機床的發展至今經歷了兩個階段，即數控（NC）階段（1952～1970年）和計算機數控（CNC）階段（1970年至今）。早期的計算機運算速度低，不適應機床實時控制的要求，人們只好利用數字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統，這就是硬件連接數控，簡稱數控（NC）。1970年，通用小型計算機已出現并投入成批生產，人們將它移植過來作為數控系統的核心部件，從此進入計算機數控階段。

數控機床配置的數控系統不同，其功能和性能也有很大差異。就目前應用來看，FANUC（日本）、SIEMENS（德國）、DMG（德國）、FAGOR（西班牙）、MITSUBISHI（日本）、OKU-MA（日本）和哈斯（美國）等公司的數控系統及相關產品，在數控機床行業占據主導地位；我國也先后研制了華中數控、廣州數控等多個數控機床控制系統，在國內市場數控機床的占有率也逐年增加。

2.數控機床的發展趨勢

隨著科學技術的發展，先進制造技術的興起和成熟，為數控技術的進步提供了條件，同時為了滿足市場的需要、對數控加工技術也提出了更高的要求。當今的數控技術及數控機床的發展方向主要體現為以下幾方面。

（1）高速化

數控機床向高速化方向發展，主要表現在高的主軸轉速上（主軸轉速高于10000r/min），也表現在工作臺的快速移動和進給速度的提高，以及刀具交換、托盤交換時間的縮短上，并且具有較高的加速度（一般在1.5g以上）。

高速切削的作用：主軸轉速提高會減少切削力，同時采用小的切削深度銑削，有利于克服機床振動，排屑率大大提高，切削熱在沒有傳遞到工件時就被切屑帶走，故傳入零件中的熱量降低，熱變形大大減小，提高了加工精度，也改善了加工表面粗糙度。提高工作臺的快速移動和進給速度，可采用直線電動機代替傳統的旋轉式電動機。

（2）復合化

機床復合化加工是通過增加機床的功能，減少工件加工過程中的多次裝夾、重新定位、對刀等輔助工藝時間，來提高機床效率的，也就是在一臺設備上完成車、銑、鉆、鏜、攻螺紋、鉸孔、擴孔、銑花鍵和插齒等多種加工要求。因此機床復合化加工是現代化機床發展的另一重要方面。

復合加工有兩重含義。一是工藝與工序的集中，即一臺數控機床通過一次裝夾可完成多工種、多工序的任務。例如，數控車床向車銑中心發展，加工中心則向更多功能發展，五軸聯動向五面加工發展。圖1.1-1為車銑加工中心加工零件實例。二是指工藝的成套，即企業向著復合型發展，定期為用戶提供成套服務。

復合化加工進一步提高了工序集中度，提高了機床利用率，減少了夾具和所需的機床數量，降低了整個加工和機床的維護費用。

（3）高精度化

高精度化一直是數控機床技術發展追求的目標。它包括機床制造的幾何精度和機床使用的加工精度兩方面。

提高數控機床的加工精度，一般是通過減小數控系統誤差，提高數控機床基礎大件結構特性和熱穩定性，采用補償技術和輔助措施來實現的。在減小CNC系統誤差方面，通常采用提高數控系統分辨率、使CNC控制單元精細化、提高位置檢測精度以及在位置伺服系統中為改善伺服系統的響應特征采用前饋和非線性控制等方法。在采用補償技術方面，通常采用齒隙補償、絲杠螺距誤差補償、刀具補償、熱變形誤差補償和空間誤差綜合補償等方法。

在機械加工高精度的要求下，普通級數控機床的加工精度已由± 10μm提高到± 5μm；精密級加工中心的加工精度則從±（3～5）μm，提高到±（1～1.5）μm，甚至更高；超精密加工精度進入納米級（0.001μm），主軸回轉精度要求達到（0.01～0.05）μm，加工圓度為0.1μm，加工表面粗糙度Ra0.003μm等。采用矢量控制的變頻驅動電主軸（電動機與主軸一體化）數控機床，主軸徑向跳動小于2μm，軸向竄動小于1μm。

（4）高可靠性

數控機床的可靠性是數控機床產品質量的一項關鍵性指標。數控機床能否發揮其高性能、高精度、高效率并獲得良好的效益，關鍵取決于可靠性。衡量可靠性的重要量化指標是平均無故障工作時間MTBF（Mean Time Between Failures），現在數控機床整機的MTBF已達到800h以上，數控系統的MTBF已達到125個月以上。

提高數控系統可靠性通?？刹捎萌哂嗉夹g，故障診斷技術，自動檢錯、糾錯技術，系統恢復技術和軟件可靠性技術等技術。

目前，很多企業正在對可靠性設計技術、可靠性試驗技術、可靠性評價技術、可靠性增長技術以及可靠性管理與可靠性保證體系等進行深入研究和廣泛應用，以期望使數控機床整機可靠性提高到一個新水平。

（5）智能化

智能化是21世紀制造技術發展的一個大方向。智能加工是一種基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。

智能化的內容包含在數控系統中的各個方面。

1）追求加工效率和加工質量的智能化，如自適應控制、工藝參數自動調整（通過檢測加工過程中的刀具磨損、破壞、切削力、主軸功率等信息并反饋，利用傳統的或現代的算法進行調節運算，實時修調加工參數或加工指令，使設備處于最佳運行狀態，以提高加工精度和設備的安全性）。

2）簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等。

3）可以實現智能診斷、智能監控，方便系統的診斷及維修等。

（6）網絡化

支持網絡通信協議，既滿足單機需要，又能滿足柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）對基層設備集成要求的數控系統，該系統是形成“全球制造”的基礎單元。

1）網絡資源共享。

2）數控機床的遠程（網絡）監視、控制。

3）數控機床的遠程（網絡）培訓與教學（網絡數控）。

4）數控裝備的數字化服務（數控機床故障的遠程（網絡）診斷、遠程維護、電子商務等）。