數控機床科普知識

數字控制機床是用數字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。

數控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經濟效果。

隨著數控技術的發展，采用數控系統的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。

1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出計算機控制機床的設想。1949年，該公司在美國麻省理工學院伺服機構研究室的協助下，開始數控機床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標數控銑床，不久即開始正式生產。

當時的數控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業等少數有特殊需要的部門用來加工復雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數控裝置進入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡單和經濟的點位控制數控鉆床，和直線控制數控銑床得到較快發展，使數控機床在機械制造業各部門逐步獲得推廣。

1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發展。60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(簡稱DNC)，又稱群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統(簡稱CNC),使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。

1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置(簡稱MNC)，這是第五代數控系統。第五代與第三代相比，數控裝置的功能擴大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。

80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監控刀具破損和自動檢測工件等功能。

數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。

數控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。數控裝置按所能實現的控制功能分為點位控制、直線控制、連續軌跡控制三類。

點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數控鉆床、數控鏜床和數控坐標鏜床等。

直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數控銑床，以及階梯軸車削和磨削用的數控車床和數控磨床等。

連續軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動。為了使刀具按規定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規定的輪廓曲線，并協調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數控銑床、數控車床、數控磨床和加工中心等。

伺服機構分為開環、半閉環和閉環三種類型。開環伺服機構是由步進電機驅動線路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機構比較簡單，工作穩定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

半閉環伺服機構是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調速直流電動機、寬調速交流電動機和電液伺服馬達。位置檢測器有旋轉變壓器、光電式脈沖發生器和圓光柵等。這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態特性優于開環伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。

閉環伺服機構的工作原理和組成與半閉環伺服機構相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環控制，但掌握調試的難度較大，常用于高精度和大型數控機床。閉環伺服機構所用伺服馬達與半閉環相同，位置檢測器則用長光柵、長感應同步器或長磁柵。

為了保證機床具有很大的工藝適應性能和連續穩定工作的能力，數控機床結構設計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩定性和精度保持性。進給系統的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采用塑料減摩導軌、滾動導軌或靜壓導軌，以提高運動的平穩性并使低速運動時不出現爬行現象。

由于采用了寬調速的進給伺服電動機和寬調速的主軸電動機，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機床的傳動機構。機床布局便于排屑和工件裝卸，部分數控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分數控機床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強電柜中大量的繼電器，提高了機床強電控制的可靠性和靈活性。

隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發展，數控機床的控制系統日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數控系統本身將普遍實現自動編程。

未來數控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數控機床品種越來越多；激光加工等技術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統中。