數控車床（chuáng）簡介

一、數控（kòng）機床（chuáng）的產生

    數控車床(Numerical Control Machine Tools)是用（yòng）數字代碼形式的信息    (程序指（zhǐ）令)，控製刀（dāo）具按給定的工作程序、運動速度和軌跡（jì）進行自動加工的（de）機床，簡稱數控（kòng）機床。

    數控機床（chuáng）是在機械製造技術和控製技術的基礎上發展起來的，其（qí）過程大致如下：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國（guó）空軍委托，研製直（zhí）升飛（fēi）機螺旋（xuán）槳葉片輪廓檢驗（yàn）用樣（yàng）板的加工設（shè）備（bèi）。由於樣板形狀複雜多樣，精度（dù）要求高，一（yī）般加工設備難以適應，於是提出采用數字脈衝（chōng）控製機床的設想。

    1949年，該公司（sī）與美國麻省理工學院(MIT)開始共同（tóng）研究，並（bìng）於（yú）1952年試製成功（gōng）第一台三坐標（biāo）數控銑床，當時的數控裝置采用電子管元件。

    1959年，數（shù）控裝置（zhì）采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動（dòng）換刀裝置的數（shù）控機（jī）床（chuáng），稱（chēng）為加工中心( MC Machining Center)，使（shǐ）數（shù）控（kòng）裝置進入了第二代。，

    1965年，出現了（le）第三代的集成電（diàn）路數控裝置，不僅體積小，功（gōng）率（lǜ）消耗少，且可靠性提高，價格進一步下（xià）降（jiàng），促進了數控機床品（pǐn）種和產量的（de）發展。

    60年代末，先後出現了由一台計算機直接控製多台機（jī）床的直接數控係統(簡稱 DNC)，又稱群控係統；采用（yòng）小型計算機控製的計算機數控係統(簡稱 CNC)，使數控裝置進入了以小型計算機化為特（tè）征的第四代。

    1974年，研製成功（gōng）使用微（wēi）處理器和半（bàn）導體存（cún）貯器的微型計算（suàn）機數控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數控係統。

    20世紀80年代初，隨著（zhe）計算機軟、硬件技（jì）術的發展，出現了能進行人機對話式自動編製程（chéng）序（xù）的（de）數控裝置；數控裝置愈趨小型化（huà），可以直接安裝在（zài）機床上；數控機床的（de）自動化程度進一步提高，具有自動監控刀具破損和自（zì）動檢測工件等功能。

    20世紀（jì）90年代（dài）後期，出現了PC+CNC智能數控係統，即以PC機為控（kòng）製係統的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件係統（tǒng），此種方式係統維護方（fāng）便，易於實現網絡化製造。

二、數控機床特點（diǎn）

1、數控車床與普通（tōng）機床的區別

    數控機（jī）床對零件的（de）加工過程，是嚴格按照加（jiā）工程序所規定（dìng）的參數及動（dòng）作（zuò）執行的。它是一種（zhǒng）高效能自動或半自（zì）動機床，與普通機床相（xiàng）比，具有以下明顯（xiǎn）特點：

（1）適合於（yú）複雜異形零件的加工

    數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不（bú）能加工的複（fù）雜零件的加工，因此（cǐ）在宇航、造（zào）船、模具等加工業中得到廣泛應用。

    ◆ 加工精度高

    ◆ 加工穩定可靠（kào）

    實現計（jì）算（suàn）機控製，排（pái）除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩定可靠。

    ◆ 高柔性

    加工對（duì）象改變時，一般隻需要更改（gǎi）數控程序，體現出（chū）很好的適（shì）應性，可大大節省生產準備時間。在數（shù）控機（jī）床的基礎上，可以組（zǔ）成具有更高柔性（xìng）的自動化製造係統（tǒng）—FMS。

    ◆ 高生產率

    數控車（chē）床本身的精度（dù）高、剛性（xìng）大，可選（xuǎn）擇有利（lì）的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些複雜零件的（de）加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十（shí）倍。

    ◆ 勞動條件好（hǎo）

機床自動化程度高，操作人員勞動強度大（dà）大降低，工作環境（jìng）較好（hǎo）。

    ◆ 有利於管理現代化

采（cǎi）用數控機床有利於向計算機控製與管理生（shēng）產方麵發展，為實現生產過（guò）程自動化創（chuàng）造了（le）條件。

2、數控機床的適用範（fàn）圍

    由（yóu）於數控機床的上述特點，適用於數控加工的零件（jiàn）有（yǒu）：

  （1）批量小而又多次重複生產的零件；

  （2）幾何形狀複雜（zá）的零件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試製件。

三、數控機床與數控係統（tǒng）的組成

1、數控係統組成

（1）操作麵板

  a. 它是操作人員與（yǔ）數控裝置進行信息交流（liú）的工具。

  b. 組成：按鈕站、狀態燈、按鍵陣列（功能（néng）與計算機鍵盤一樣）和顯示（shì）器。

  c. 它是數控機床特有部件。

（2）控製介質與（yǔ）輸入輸出設備

  a. 控製介質（zhì）是記錄零件加工程序的媒介

  b. 輸入輸出設（shè）備是CNC係統與外部設備進行交互裝置。交互的信息（xī）通常（cháng）是零件加（jiā）工程（chéng）序。即將編（biān）製好（hǎo）的記錄在控製介質上的零件加工程序輸入CNC係統或將調試好了（le）的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的（de）控製（zhì）介（jiè）質上。

  c. 現代的數控係統（tǒng）除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成（chéng）、FMS和CIMS的基本技術。采（cǎi）用的方式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口）、

  e. 自動控（kòng）製專用接口和規範（DNC方式，MAP協議等）

  f. 網絡（luò）技術（internet，LAN）等

(3) CNC裝置(CNC單元)

  a. 組成：計算（suàn）機（jī）係（xì）統、位置（zhì）控製板、PLC接口板，通訊（xùn）接口板、特殊功能模塊以及相應的控製軟（ruǎn）件。

  b. 作用：根據輸入的零件加（jiā）工程序進行相應的處理（如運動軌跡（jì）處理、機床輸入輸出處理等），然後輸出控製命令到相應的執行部件(伺服單元、驅動裝置和PLC 等)，所有這些（xiē）工作是由CNC裝（zhuāng）置內硬件和軟件協調配合，合理組（zǔ）織，使整個係（xì）統有條（tiáo）不紊地進行工作的。CNC裝（zhuāng）置是CNC係統的（de）核心（xīn）

(4) 伺服單元（yuán）、驅動裝置和測量裝置

  a. 伺服單元和驅動裝置

  b. 主軸伺（sì）服驅（qū）動裝置和主軸電機

  c. 進給（gěi）伺服驅動裝置和進給電機

 測量裝置

  a. 位置和速度測量裝置（zhì）。以實現（xiàn）進給伺服（fú）係統的閉環控製。

  b. 作用 保證靈敏、準確（què）地跟蹤CNC裝置指令：

  c. 進給運動指令：實現零件加工的成形運動（dòng）（速度和位置（zhì）控製）。

  d. 主軸運動指令，實現零件加工的切削運動（速度控製（zhì））

(5) PLC、機床I/O電路和裝置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用於完成與邏輯運算有關順序（xù）動作的I/O控製，它由硬件和軟件組成；

  b. 機（jī）床I/O電路和裝置：實現I/O控製的執行部件（jiàn）(由（yóu）繼電器、電磁閥、行程開關（guān）、接觸器等組成（chéng）的（de）邏（luó）輯電路；

  c. 功能：

    接受（shòu）CNC的M、S、T指令（lìng），對（duì）其進行（háng）譯碼並轉（zhuǎn）換成對應的控（kòng）製信號，控製（zhì）輔助裝置完成機床相應的（de）開關動作

   接受操作麵板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理後，輸出指令控製CNC係統的工作（zuò）狀態和機床的動作。

2、數控機床機械部分（fèn）：

   數控機床的主體，是實現製（zhì）造加工的執行部件。

組成： 由主運動部（bù）件（jiàn）、進給運動部件（工作台、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（zhì）（刀具自動交換係統工件自（zì）動交換係統）和輔助裝置（如排屑裝置等）。

四、數控機床（chuáng）的分類

1、按加工方式和工（gōng）藝用途分類

（1）普通數控車床

    普通數（shù）控機床一般指在加工工藝過（guò）程中的一（yī）個（gè）工序上實現數字控製的自動化機床，如數控（kòng）銑床、數控車（chē）床、數控鑽床、數（shù）控磨床與數控齒輪加工機床等（děng）。普通（tōng）數控機床在自動化程（chéng）度（dù）上（shàng）還不夠完（wán）善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完成。

（2）加工中心

    加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的（de）數控機床，它將數控銑床、數控鏜床、數控鑽床的功能組合在一起，零（líng）件在一次裝夾後，可（kě）以將其大部分加工麵進行銑、鏜、鑽、擴、鉸及攻（gōng）螺紋等多工序加工。由於加工中心能有效地避免由於多次安裝造成的定位（wèi）誤差，所以它適用於產品更換頻繁、零件形狀複雜、精度要求高、生產批量不大而生產周（zhōu）期短的產品。

2、按運動（dòng）方式分類（lèi）

（1）點位控製數控機床

    如圖1所（suǒ）示，點位控製是指數控（kòng）係統隻控製刀（dāo）具或工作台從一點（diǎn）移至另一點的準確定位，然後進行定（dìng）點（diǎn）加工，而點與點之間的路徑不需控製。采用這類控製（zhì）的（de）有（yǒu）數控鑽床、數控鏜床和數控坐標（biāo）鏜床等。

圖1 點位控製加工（gōng）示意（yì）圖

圖2 點位直（zhí）線（xiàn）控製加工示（shì）意圖

（2）點（diǎn）位直線控（kòng）製數控機床

    如圖2所（suǒ）示，點位直線（xiàn）控製是指數控係統除控製直線軌（guǐ）跡的起點和（hé）終點的準確定位外，還要控製在這兩點之間以指定（dìng）的進（jìn）給速度進行直線切削。采用這（zhè）類控製的（de）有數控銑床、數控車床和（hé）數（shù）控（kòng）磨床等。

圖3 輪廓控製加工示意圖

（3）輪廓控製數控（kòng）機床

    亦（yì）稱連續軌跡控製，如（rú）圖3所（suǒ）示，能夠（gòu）連續（xù）控製兩個或兩個以上坐（zuò）標方向的聯合運（yùn）動。為了使刀具按規定的軌跡（jì）加工工件的曲線輪廓，數控裝置（zhì）具有插補運算（suàn）的功能，使刀具（jù）的運（yùn）動軌跡以小（xiǎo）的誤差逼近規定的輪廓曲線，並協調各坐標方向的運動速度，以便在切（qiē）削過程中始終保持規定的進給速度。采用這類控製（zhì）的有數控銑床、數控（kòng）車床、數控磨床和（hé）加（jiā）工中心等（děng）。

3、按控製方式分類

（1） 開環控製係統

    開環控製係統是指不帶反饋裝置的控製係統，由步進電機驅（qū）動線路（lù）和步進電機組成，如圖（tú）4所示。數控裝置（zhì）經過控製運算（suàn）發出脈衝信（xìn）號，每一（yī）脈衝信號使步（bù）進電機轉動一定的角（jiǎo）度，通過滾珠絲杠推動工作台移動一定的距離。

圖（tú）4 開環控製

這種伺服機構（gòu）比較簡單，工作穩（wěn）定，容易掌握使用，但（dàn）精度和速度的提高受到限製。

（2）半閉環控製係統（tǒng）

    如圖5所示，半閉環控製係統是在（zài）開環控製係統的伺服機構中裝有角（jiǎo）位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間（jiān）接檢測移動部（bù）件的位（wèi）移，然後反饋（kuì）到數控裝置的比較器中，與輸入原指令（lìng）位移值進行（háng）比較，用比較後的差值（zhí）進行控製，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控製係（xì）統。

圖5 半閉環控製

這種伺服機構所能（néng）達到的精度、速度（dù）和動（dòng）態特性優於開環伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用（yòng）。

（3）閉環控製係統

    如圖6所示，閉環控製係統是在機床移動部件位（wèi）置上直（zhí）接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到（dào）的實際位移反饋到數控裝置的比較器（qì）中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較後的差值控製移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動（dòng），達到精確定位的（de）控製係統。

圖6 閉環控製

環控製，但結構比較複（fù）雜，調試維（wéi）修的難度較大，常用於閉環控製係統的（de）定位精（jīng）度高於半閉高精度和大型數控機床。

4、按聯動軸數分類

    數控係統控製幾個坐標軸按需要的函數關係同時（shí）協調（diào）運動，稱為坐標聯動，按照聯動軸數可以分為：

（1）兩軸聯動

    數控機床能同（tóng）時控製兩個坐標軸聯動（dòng），適於數控車床加工旋轉曲麵（miàn）或（huò）數控銑床銑削平麵輪廓（kuò）。

（2）兩軸半聯動

    軸可以在兩軸的基礎上增加了Z軸的移動，當機床坐標係的X、Y軸固定時，Z作（zuò）周期性（xìng）進給。兩軸半聯動（dòng）加工可以實現分層加工。

（3）三軸聯動

數控機（jī）床（chuáng）能同時控製三個坐標軸的聯動，用於一般（bān）曲（qǔ）麵的加工，一般的（de）型腔模具均可以（yǐ）用三軸加工完成（chéng）。

（4）多坐標聯動

    數控機（jī）床能同時控製（zhì）四個以上坐（zuò）標（biāo）軸的聯動。多坐標數控機床的結構複雜，精度要求高、程序編製複（fù）雜，適於加工形狀複（fù）雜的零件，如葉輪葉片類零件。

    通（tōng）常三軸機床可以實（shí）現二軸、二軸半（bàn）、三軸加工；五軸機床也（yě）可以隻（zhī）用到三軸聯動（dòng）加工，而其他兩（liǎng）軸不聯動。

                    泰安市海特機器製造有限責任公司  技術中心  供稿

                                                    2010年1月26日