第一章 数控机床概述

第一章 数控机床概述数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它已开始在各个领域普及，并且它所带来的巨大效益已引起了世界各国科技与工业届的普遍重视。20世纪40年代以来，汽车、飞机和导弹制造工业发展迅速，原来的加工设备已无法承担加工航空工业需要的复杂型面零件。数控技术是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的。1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床加工样板曲线的设想。后来与美国空军签订合同，帕森斯（Parsons）公司与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作进行研制成功。1952年试制成功第一台三坐标立式数控铣床。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究，于1955年进入实验阶段，这对加工复杂曲面和促进美国飞机制造业的发展起了重要作用。1958年我国开始研制数控机床，1975年研制出第一台加工中心。目前，在数控技术领域，我国同先进国家之间还存在不小的差距，但这种差距正在缩小。数控技术的应用也从机床控制拓展到其他控制设备，如数控电火花线切割机床、数控测量机和工业机器人等。1.1数控机床的产生与发展科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一。单件、小批生产占机械加工的80%左右，一种适合于产品更新换代快、品种多、质量和生产率高、成本低的自动化生产设备的应用已迫在眉睫。而数控机床则能适应这种要求，满足目前生产需求。1.1.1数控机床的产生与发展过程1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基础。1952年，计算机技术应用到机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床经历了两大阶段和六代的发展。1.数控（NC）阶段（1952年-1970年）早期计算机的运算速度底,这对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床的实施控制要求.人们不得不采用数字逻辑电路制成一台机床专用计算机作为数控系统,这被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC),简称为数控(NC) 。随着元器件的发展,这个阶段经历了三代,即1952年的第一代电子管数控机床；1959年的第二代晶体管数控机床；1965年的第三代集成电路数控机床。2.计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）直到1970年,通用小型计算机业出现并成批生产,其运算速度比20世纪五六十年代有了大幅度的提高,这比逻辑电路专用计算机成本低，可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。1971年，美国Intel公司在世界上第一次将计算机的两个核心部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICRO-PROCESSOR），又称中央处理单元（简称CPU）。1974年，微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能强大，控制一台机床能力有多余，但不及采用微处理器经济合理，而且当时的小型计算机可靠性也不太理想。虽然早期的微处理器速度和功能都还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。因为微处理器是通用计算机的核心部件，故称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称为微机）的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代，即1970年的第四代小型计算机数控机床；1974年的第五代微型计算机数控系统；1990年的第六代基于PC（国外称为PCBASED）的数控机床。1.1.2数控机床的发展趋势随着现代制造技术向着高速、高效、高精度方向的发展，制造业发生了根本性的变化。由于数控技术的广泛应用，普通机械被高效率、高精度的数控机械所代替，形成了巨大的生产力。机械制造业是国民经济的基础产业，是支撑整个工业和国民经济发展的基石。数控机床作为机械制造的基本装备，又是基础的基础。数控机床是集现代先进制造技术、计算机技术、通讯技术、控制技术、液压气动技术、光电技术于一体，具有高效率、高精度、高自动化、高柔性的特点，是典型的数字化控制技术与精密制造技术有机结合的机电一体化产品。目前，国内外数控机床产品技术发展方向主要体现在高速、复合、精密、智能、环保等方面。1.高速高速切削加工不仅可以提高生产效率，而且可以改善加工质量，所以自20世纪90年代初以来，便成为机床技术重要的发展方向。各国相继推出了许多主轴转速10000r/min至60000r/min以上的加工中心和数控铣床。高速切削加工正与硬切削加工、干切削和准干切削加工以及超精密切削加工相结合；从铣削向车、钻、镗等其它工艺扩展，向较大切削负荷方向发展。高速加工对机床的要求是：主轴速度应能达到1200040000r/min；进给速度应达到4060 m/min；快速移动速度应达到80m/min；高刚性的机械结构；高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴；精确的热补偿系统；高速处理能力的控制系统（具有NURBS插补功能和预处理能力的控制系统）。在数控机床高速化上，国外直线电机驱动技术，应用于进给驱动系统已实现实用化、普及化；机床的主轴转速和切削进给速度普遍提高。主轴转速一般都在10000 r/min以上，快移速度也因普遍采用直线电机而提高到100m/min以上。瑞士的MIKRON公司生产的HSM立式加工中心，它在主轴转速在30000r/min、进给速度40m/min、加速度17m/s2的情况下，实现平稳运行；日本安田公司生产的YBM950V型立式加工中心，其主轴在2000030000 r/min高速运转时，仍十分平稳，铣削平面的粗糙度可达0.4m。2.复合数控机床复合以功能复合为基础，以提高工序集中度为目标，尽量减少重复装卡次数，可大幅度提高生产效率和工作精度。近几年，数控机床复合又在向更高层次发展，国际上已经出现了加工中心与车削中心复合机床，加工中心与激光加工复合机床，集车、磨、铣、钻、铰、镗、滚齿等工序于一体的车磨复合机床，集平面磨、内圆磨、外圆磨为一体的磨削中心，集各种机床及测量机于一体的虚拟轴机床，五轴联动激光切割机等。日本MAZAK公司的MACTURN 250/350系列车铣中心，可进行外径车削、倾斜面加工、滚齿加工、凸轮和偏心加工；德国BWF公司开发的STRATOS系列车磨中心，可以对齿轮和类似工件以及内孔、端面、锥面进行硬车和磨削。我国复合加工机床从1999年刚刚起步，发展速度较快，主要是车铣复合加工机。3.精密精密加工须由高精度机床保证。高速高精度加工机床，不仅要有高切削速度，而且要有高进给速度和加速度，同时应当具有微米级的加工精度。在高精度机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动方式虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重愈来愈大，很有可能在不久的将来成为此种机床进给驱动的主流。当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLNL实验室研制成功的DTM-3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的，达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cranfield、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。北京机床研究所研制成功了JCS-027型超精密车床、JCS-031型超精密铣床、JCS-035型数控超精密车床等。4.智能智能机床是指能对制造过程主动做出最优运动决策的机床，它能采集整个制造过程中的参数，通过诊断分析、应用监控、补偿等措施及时进行调整，并能判断机床中轴承、导轨等关键件的磨损和刀具的寿命情况，作出维修和更换的合理时间建议。因此，智能机床将为实现全盘自动化创造条件，减少机床管理的工作量，并能获得最大功效和稳定的加工精度。在上世纪80年代，虽然美国曾提出智能化雏形的适应控制机床，但由于受到自动化检测、控制和动态补偿等技术的制约，除了在控制因素较简单的电加工机床和注塑机上得到应用外，总体上进展较为缓慢。但是进入本世纪后，由于信息技术和控制技术的发展，出现了新一代智能型数控系统，它具有强大的信息分析处理能力和优化控制的功能。其次微机电系统型传感器技术的应用，以及机床结构的振动、热误差等机理的深入研究，可实施在多信息融合下的优化重构，实现经济地优质高产的集约制造。计算机技术及其软件控制技术在数控机床技术含量中所占比重越来越大，计算机系统及应用软件的复杂化同时带来机床系统及其硬件结构的简化。通过赋予机床网络化功能，使机床的远程通讯、远程控制、远程故障排除和维护、远程服务成为可能。日本MAZAK公司的日本工厂是世界上为数不多的智能管理的代表。整个工厂实行计算机网络智能化管理。2006年的美国IMTS和日本JIMTOF国际机床展览会上，日本MAZAK公司展出智能机床具有自动抑制振动、优化控制热位移、防止碰撞的智能安全防护以及语音提示等四大智能。日本OKUMA公司也推出了称之为Thinc的智能化数字控制系统，它可以在不需人的干预下做出“聪明”决策，并通过自学习功能使其功能不断优化增长。美国GEFANUC公司展示的效率机床4.0可收集完整的基本数据作出判断分析，使机床的平均无故障时间（MTBF）增长。此外，美国辛辛那提公司开发的自动平衡装置以及瑞士MIKRON公司研发的高级工艺控制系统有助于提高切削性能和效率。这些事例说明智能机床已取得了突破性的进展，预计在今后的若干年内年内它将在不断完善的基础上逐步推广应用，成为高档数控机床的一个主要技术发展方向。5.环保随着人们环境保护意识的加强，对环保的要求越来越高。不仅要求机床在制造过程中不产生对环境的污染，也要求机床在使用过程中不产生二次污染。在这种形势下，装备制造领域对机床提出了无冷却、无润滑、无气味的环保要求，机床的排屑、除尘等装置也发生了深刻的变化。绿色加工工艺愈来愈受到机械制造业的重视，目前在欧洲的大批量机械加工中，已有1015的加工实行了干切削或准干切削。美国HARDING的QUEST系列车床、德国HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技术；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷却技术；日本富士公司的数控车床采用了冷风冷却技术。我国干切削技术的研究也已起步。成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等）及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。北京机床研究所最近开发成功的KT系列加工中心已能实现高速干切削。1.1.3我国数控机床的发展状况机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。主要体现在以下几个方面： 1.中高档数控机床的开发取得了较大进展，在五轴联动、复合加工、数字化设计以及高速加工等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控加工机床，精密及超精密数控机床以及一大批专门化、高性能机床，并形成了一批中高档数控机床产业化基地。 2.关键功能部件的技术水平、制造质量逐年稳步提高，功能逐步完善，部分性能指标接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。开发出了高速主轴单元、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、高速导轨防护装置、直线电机、数控转台、刀库与机械手、A/C轴数控铣头、高速工具系统、数字化量仪等高性能功能部件样机，其中有的品种已实现小批量生产。 3.中高档数控系统开发研究与应用取得一定成果。通过自主研发或与国外开展技术合作，在中档数控系统的开发和生产上取得明显进展。初步解决了多坐标联动、远程数据传输等技术难题。为适应数控系统的配套要求，相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统，并形成了系列化产品。1.1.4国外数控机床的发展状况1.美国美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床，1958年研制出加工中心，70年代初研制成FMS，1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此，其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是：偏重于基础科研，忽视应用技术。且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。2.德国德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶持。于1956年研制出第一台数控机床后。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统及各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。1.1.5国内与国外数控机床发展的差距1.高档数控机床的国内供应能力不足尽管我国机床行业近年来取得了很大的发展，数控化率稳步提高，但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。目前，国内对中高档机床的需求量逐渐超过低档机床。但国产数控机床以低档为主，高档数控机床绝大部分依赖进口。 2.自主创新能力不足长期以来，我国机床制造业的基础、共性技术研究工作，主要在行业性的研究院所进行。能力薄弱，技术创新投入不足，引进消化吸收能力差，低水平生产能力过剩，自主创新能力不高，缺乏优秀技术人才。虽然国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对基础共性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，使得企业的市场响应速度缓慢。 3.产品质量、可靠性及服务等能力不强国产机床在质量、交货期和服务等方面与国外著名品牌相比存在较大的差距。在质量方面，国产数控系统的可靠性指标MTBF与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、加工中心的MTBF与国际上先进水平也有较大差距。在交货期方面，绝大多数企业由于任务重拖期交货。服务体系不健全，在市场开拓、成套技术服务、快速反应能力等方面不能满足市场快节奏和个性化的要求。 4.功能部件发展滞后机床是由各种功能部件（主轴单元及主轴头、滚珠丝杠副、回转工作台和数控伺服系统等）在床身、立柱等基础机架上集装而成的，功能部件是数控机床的重要组成部分。数控机床整体技术与数控机床功能部件的发展是相互依赖、共同发展的，所以功能部件的创新也深深地影响着数控机床的发展。我国数控机床功能部件已有一定规模，电主轴、主轴单元、数控系统等也有专门的制造厂家，其中个别产品的制造水平接近国际先进水平。但整体上，我国机床功能部件发展缓慢、品种少、产业化程度低，精度指标和性能指标的综合情况还不过硬。目前，滚珠丝杠、数控刀架、电主轴等功能部件仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高档数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件等还依赖进口。1.2数控机床的组成与工作原理1.2.1数控机床的组成数控机床是利用数控技术，准确地按照事先编制好的程序，自动加工出所需工件的机电一体化设备。在现代机械制造中，特别是在航空、造船、国防、汽车模具及计算机工业中得到广泛应用。数控机床通常由控制介质、数控装置、伺服系统和机床来组成。数控机床的各部分组成如图1.1所示。图1.1 数控机床的组成框图1.控制介质数控机床是按照输入的零件加工程序运行的。 零件加工程序中包括机床上刀具和零件的相对运动轨迹、工艺参数（如进给量，主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序以一定的格式和代码存储在一种介质中，这种介质称为控制介质。控制介质可以是磁盘、磁带、硬盘和闪存卡等。2.数控装置数控装置是数控系统的核心，主要包括CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路和输入输出控制等。数控装置的功能是接收从输入装置送来的脉冲信号，并将信号通过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和控制指令。在这些控制指令中，除了送给伺服系统的位置和速度指令外，还送给辅助控制装置的机床辅助动作指令。最终控制机床的各个部分，使其按照规定的、有序的动作执行。3.伺服系统伺服系统是数控装置和机床的联系环节，它的作用是把来自数控装置的微弱指令信号解调、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床移动部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件，它的伺服精度和动态相应是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素。伺服系统包括驱动装置和执行装置两大部分，数控机床的驱动装置包括主轴伺服单元（转速控制）、进给驱动单元（位置和速度控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，在经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置带动工作台或刀架运动。4.测量装置监测装置有利于提高数控机床的加工精度。它的作用是：将机床导轨的主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断并发出相应的指令，纠正所产生的错误。常用的监测装置有编码器、感应同步器、光栅、磁尺、霍尔检测元件等。5.机床数控机床的本体是指其机械结构的实体。它是实现加工零件的执行部件，主要由主运动部件（主轴、主运动传动机构）、进给运动部件（工作台、托板及相应的传动机构）、支撑件（床身、立柱等）以及辅助装置等组成。1.2.2数控机床的工作原理1.根据零件加工图样进行工艺分析，拟定加工工艺方案，确定加工工艺过程、工艺参数和刀具位移数据。2.用规定的程序代码和格式编写零件加工程序，或用CAD/CAM软件直接生成零件的加工程序。3.把零件加工程序输入或传输到数控系统。4.数控系统对加工程序进行译码与运算，发出相应的命令，通过伺服系统驱动机床的各个运动部件，并控制刀具与工件的相对运动，最后加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。1.3数控机床的优缺点数控机床与普通机床的结构、加工对象及工艺有着相似之处，但由于数控系统的存在,使得它们之间有着很大的区别。与普通机床相比，数控机床具有以下特点：1.数控机床采用了全封闭或半封闭防护装置，可防止切屑或切削液飞出，给操作者带来意外伤害。2.数控机床可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 3.数控机床可以实现加工的柔性自动化，从而效率比普通机床提高37倍。 4.数控机床加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。6.数控机床的主传动系统与进给传动系统采用了各自独立的伺服系统、电机，使传动链变得简单、可靠，同时，各电机既可单独运动，也可实现多轴联动。1.4数控机床的应用数控机床具有普通机床不具备的许多优点，数控机床的应用范围正在不断扩大，但目前它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床最适合加工具有以下特点的工件：1.单件、多品种、小批量的生产零件。2.形状复杂，加工精度较高的零件。3.需进行多种工序集中加工的零件。4.价格昂贵、不允许报废的零件。5.需要频繁改型的零件。6.需要最少生产周期的急需件。7.批量、高精度、高要求的工件。由于数控机床的自动化程度、生产率高，可最大限度地减少操作人工。因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。广泛推广和使用数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。由于数控本身的复杂性，又增加了维修的技术难度和维修费用。考虑到上述种种原因，在决定选择数控机床加工时，需要进行科学的经济分析，使数控机床发挥它最大的经济效益。