第1章 數控機床的概念及組成

1.1 數控機床的產生與發展

隨著社會生產和科學技術的不斷進步，各類工業新產品層出不窮。機械制造產業作為國民經濟的基礎，其產品日趨精密、復雜，特別是宇航、航海、軍事等領域所需的機械零件，精度要求更高，形狀更為復雜，且往往批量較小，加工這類產品需要經常改裝或調整設備，普通機床或專業化程度高的自動化機床無法適應其要求。同時，隨著市場競爭日益加劇，生產企業迫切需要進一步提高生產效率，提高產品質量及降低生產成本。在這種背景下，一種新型的生產設備——數控機床應運而生。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量及新型機械結構等多方面的技術成果，形成了今后機械工業的基礎，并指明了機械制造工業設備的發展方向。

1.1.1 數控機床的產生

數控機床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司(Parsons Co.)在完成研制、加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數控機床的初步設想。1949年，在美國空軍后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室(Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology)合作，開始數控機床的研制工作。經過3年的研究，世界上第一臺數控機床試驗樣機于1952年試制成功。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續控制系統銑床，其數控系統全部采用電子管元件，其數控裝置的體積比機床本體還要大。后來經過3年的改進和自動編程研究，該機床于1955年進入試用階段。此后，其他一些國家(如德國、英國、日本、蘇聯和瑞典等)相繼開展數控機床的研制開發和生產。1959年，美國克耐·杜列克公司(Keaney & Trecker)首次成功開發了加工中心(Machining Center)，這是一種有自動換刀裝置和回轉工作臺的數控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工。但是，直到20世紀50年代末，由于價格和其他因素的影響，數控機床僅限于航空、軍事工業應用，品種多為連續控制系統。直到20世紀60年代，由于晶體管的應用，數控系統進一步提高了可靠性，且價格下降，一些民用工業開始發展數控機床，其中多數為鉆床、沖床等點定位控制的機床。數控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機，。

1.1.2 數控機床的發展概況

數控機床的核心就是CNC系統(簡稱數控系統)。從自動控制的角度看，數控系統就是一種軌跡控制系統，其本質是以多執行部件(各運動軸)的位移量為控制對象，并使其協調運動的自動控制系統，是一種配有專用操作系統的計算機控制系統。

1.1.3 數控系統的發展史

自從20世紀50年代世界上第一臺數控機床問世至今，已經歷50余年。數控機床經過了2個階段和6代的發展歷程。

(1)第1階段是硬件數控(NC)

第1代1952年的電子管；

第2代1959年晶體管(分離元件)；

第3代1965年小規模集成電路。

(2)第2階段是軟件數控(CNC)

第4代1970年的小型計算機，中小規模集成電路；

第5代1974年的微處理器，大規模集成電路；

第6代1990年的基于個人PC。

1.數控(NC)階段(1952—1970年)(Numerical Control)

早期計算機的運算速度低，雖然對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統，稱為硬件連接數控(Hard-Wired NC)，簡稱為數控(NC)。隨著元器件的發展，這個階段歷經了三代，即1952年的第一代——電子管；1959年的第二代——晶體管；1965年的第三代——小規模集成電路。

(1)常見的電子管是真空式電子管，不管是二極、三極，還是更多電極的真空式電子管，它們都具有一個共同結構，就是由抽成接近真空的玻璃(或金屬、陶瓷)外殼及封裝在殼里的燈絲、陰極和陽極組成(見圖1-1)。直熱式電子管的燈絲就是陰極，三極以上的多極管還有各種柵極。以電子管收音機為例，這種收音機普遍使用五六個電子管，輸出功率只有1W左右，耗電卻要四五十瓦，功能也很有限。打開電源開關，要等1分多鐘才會慢慢地響起來。如果用于數控機床，可想而知其耗電量和控制速度。

(2)晶體管是用來控制電路中的電流的重要元件。1956年，晶體管由貝爾實驗室發明成功，并因此榮獲“諾貝爾物理學獎”，創造了企業研發機構有史以來因技術發明而獲諾貝爾獎的先例。晶體管的發明對今后的技術革命和創新具有重要的啟示意義。晶體管的發明，終于使由玻璃封裝的、易碎的真空管有了替代物。同真空管相同的是，晶體管能放大微弱的電子信號；不同的是，它廉價、耐久、耗能小，并且幾乎能夠被制成無限小。

晶體管(其實物見圖1-2)是現代科技史上最重要的發明之一，究其原因有三個方面。第一，它取代了電子管，成為電子技術的最基本元件，原因是性能好、體積小、可靠性高和壽命長。第二，它是微電子技術革命的發動者，信息時代至今的發展就是由微電子技術、光子技術和網絡技術三次技術革命推動的，所以它的出現成為報曉信息時代的使者。第三，晶體管是集成電路和芯片的組成單元，也是光電器件和集成光路的基本組成單元，更是網絡技術的基礎，只不過光電子晶體管是微電子晶體管的演變或發展罷了。由于這三方面的原因，晶體管的發明在信息科技的迅速發展中起了決定性的重要作用，其意義遠遠超出了一種元器件的發明范圍，成為開創現代技術新領域和變革幾乎各種技術基礎的關鍵。所以，晶體管發明過程中的突出特點，對于其他科技的產生和發展有重要的參考和啟示意義。

(3)小規模集成電路：晶體管誕生后，首先在電話設備和助聽器中使用。逐漸地，它在任何有插座或電池的東西中都能發揮作用了。將微型晶體管蝕刻在硅片上制成的集成電路，在20世紀50年代發展起來之后，以芯片為主的計算機很快就進入了人們的辦公室和家庭。

2.計算機數控(CNC)階段(1970年至今)(Computer Numerical Control)

到1970年，通用小型計算機出現并成批生產。于是人們將它移植過來作為數控系統的核心部件，從此進入了計算機數控(CNC)階段(把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了)。

到1971年，美國Intel公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件——運算器和控制器，采用大規模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(Microprocessor)，又稱為中央處理單元(簡稱CPU)。

到1974年，微處理器被應用于數控系統。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕(故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控)，不如采用微處理器經濟、合理。而且當時小型機的可靠性不理想。早期微處理器的速度和功能雖然不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。

到了1990年，PC(個人計算機，國內習慣稱為微機)的性能已發展到很高的階段，可以滿足作為數控系統核心部件的要求。數控系統從此進入了基于PC的階段。最常用的形式是：CNC嵌入PC型，在PC內部插入專用的CNC控制卡。

將計算機用于數控機床是數控機床史上的一個重要里程碑，因為它綜合了現代計算機技術、自動控制技術、傳感器技術及測量技術、機械制造技術等領域的最新成就，使機械加工技術達到了一個嶄新的水平。隨著科技的發展，晶體管的體積越來越小，已達到納米(nm)級(1m=1×109nm)。納米晶體管的出現，將導致未來可以制造出更強勁的計算機芯片。把20nm的晶體管放進一片普通集成電路，形同將一根頭發放在足球場的中央。現代微處理器包含上億的晶體管。

CNC與NC相比有許多優點，最重要的是：CNC的許多功能是由軟件實現的，可以通過軟件的變化來滿足被控機械設備的不同要求，從而實現數控功能的更改或擴展，為機床制造廠和數控用戶帶來了極大的方便。

總之，計算機數控階段也經歷了三代，即1970年的第四代——小型計算機；1974年的第五代——微處理器和1990年的第六代——基于PC(國外稱為PC-Based)。

對于基于PC的運動控制器，目前最流行的是PMAC。

PMACI型多軸運動控制卡(見圖1-3)簡介如下：

① 總線：ISA、VME、PC104(見圖1-4)、PCI。

② 電機類型：交流伺服、直流電機(有刷、無刷、直線)、交流異步電機、步進電機。

③ 控制碼：PMAC(類似BASIC ASICII命令)、G代碼(機床)、AutoCAD轉換。

④ 反饋：增量編碼器(直線、旋轉)、絕對編碼器、旋轉變壓器等。

PMAC(Program Multiple Axises Controller)是美國Delta Tau公司生產制造的多軸運動控制卡。

(1)計算機直接數控系統

所謂計算機直接數控(Direct Numerical Control，DNC)系統，即使用一臺計算機為數臺數控機床自動編程，編程結果直接通過數據線輸送到各臺數控機床的控制箱。中央計算機具有足夠的內存容量，因此可統一存儲、管理與控制大量的零件程序。利用分時操作系統，中央計算機可以同時完成一群數控機床的管理與控制，因此也稱為計算機群控系統。

目前DNC系統中的各臺數控機床都有各自獨立的數控系統，并與中央計算機連成網絡，實現分級控制，而不再考慮讓一臺計算機去分時完成所有數控裝置的功能。

隨著DNC技術的發展，中央計算機不僅用于編制零件的程序以控制數控機床的加工過程，而且進一步控制工件與刀具的輸送，形成了一條由計算機控制的數控機床自動生產線，為柔性制造系統的發展提供了有利條件。

(2)柔性制造系統

柔性制造系統(Flexible Manufacturing System，FMS)也叫做計算機群控自動線，它是將一群數控機床用自動傳送系統連接起來，并置于一臺計算機的統一控制之下，形成一個用于制造的整體。其特點是由一臺主計算機對全系統的軟硬件進行管理，采用DNC方式控制兩臺或兩臺以上的數控加工中心機床，對各臺機床之間的工件進行調度和自動傳送；利用交換工作臺或工業機器人等裝置實現零件的自動上料和下料，使機床每天24小時均能在無人或極少人的監督控制下進行生產。如日本FANUC公司有一條FMS由60臺數控機床、52個工業機器人、兩臺無人自動搬運車、一個自動化倉庫組成，這個系統每月能加工10000臺伺服電機。

(3)計算機集成制造系統

計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)，是指用最先進的計算機技術，控制從訂貨、設計、工藝、制造到銷售的全過程，以實現信息系統一體化的高效率的柔性集成制造系統。它是在生產過程自動化(例如計算機輔助設計、計算機輔助工藝規程設計、計算機輔助制造、柔性制造系統等)的基礎上，結合其他管理信息系統的發展逐步完善的，有各種類型計算機及其軟件系統的分析、控制能力，可把全廠的生產活動聯系起來，最終實現全廠性的綜合自動化。

1.1.4 我國數控機床發展概況

我國從1958年開始由北京機床研究所和清華大學等單位首先研制數控機床，并試制成功第一臺電子管數控機床。從1965年開始研制晶體管數控系統，直到20世紀60年代末至70年代初，研制的劈錐數控銑床、非圓插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數控銑床加工平面零件自動編程的研究。1972—1979年是數控機床的生產和使用階段，例如清華大學成功研制了集成電路數控系統；在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究和應用數控技術；數控加工中心機床研制成功；數控升降臺銑床和數控齒輪加工機床開始小批生產供應市場。從20世紀80年代開始，隨著改革開放政策的實施，我國先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數控技術。如北京機床研究所從日本FANUC公司引進FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產品的制造技術；上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數控系統等。在引進、消化、吸收國外先進技術的基礎上，北京機床研究所開發出BSO3經濟型數控系統和BSO4全功能數控系統，航空航天部706所研制出MNC864數控系統等。到“八五”末期，我國數控機床的品種已有200多個，產量已經達到年產10000臺的水平，是1980年的500倍。我國數控機床在品種、性能以及控制水平上都有了新的飛躍，數控技術進入了一個繼往開來的發展階段。

1.1.5 數控機床的發展趨勢

從數控機床的技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是其重要的發展趨勢。對于單臺主機，不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有更高層次的柔性制造系統和計算機集成系統的適應能力。我國國產數控設備的主軸轉速已達10000～40000r/min，進給速度達到30～60m/min，換刀時間t＜2.0s，表面粗糙度Ra＜0.008μm。

在數控系統方面，目前世界上幾個著名的數控裝置生產廠家，如日本的FANUC公司、德國的SIEMENS公司和美國的A-B公司，其產品都在向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發展。它們的數控系統都采用16位和32位微處理器，標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構的內存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1μm，高速進給速度可達100m/min，控制軸數可達16個，并采用先進的電裝工藝。

在驅動系統方面，交流驅動系統發展迅速。交流驅動已由模擬式向數字式方向發展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正被以微處理器為主的數字集成元件所取代，克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。