数字控制机床

[拼音]：shuzi kongzhi jichuang

[外文]：numerically controlled machine tool

用数字代码形式的信息（程序指令）控制按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。图1为立式数控铣床的外形。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令;加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、进行多工序加工的加工中心、车削中心等。(见彩图)

简史

1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出了采用计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件。1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降。1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。1965年出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（direct numerical control，简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（computernumerical control，简称CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（microcom-puter numorical control，简称MNC），这是第五代。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了1倍，而体积则缩小为1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着软件技术的发展，出现了利用键盘和显示屏手动输入数据的人机对话式自动编制程序的数控装置；由于数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

组成部分

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成（图2）。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

信息载体

常用的是穿孔带，也有用穿孔卡或磁带的。穿孔带由纸带或塑胶带制成，宽25.40毫米(1英寸)，可穿8列孔，另有一列牵引用的小孔。按标准代码的规定，穿孔带上横向每行不同的孔数和位置代表不同的数字、字母或符号，用以表示各种指令信息：机床的各种操作（主轴起停、换刀和冷却液开关等）、工艺参数（主轴转速、进给速度等）和各坐标运动的方向和尺寸等。通用的标准代码有ISO代码(国际标准化组织制定)和EIA代码（美国电子工业协会制定）两种。在编制零件加工的程序指令时，根据零件图纸确定工艺过程和加工路线，进行程序编制（见数字控制机床程序编制），按照规定的程序段格式编出程序单，在穿孔带上应用标准代码逐行穿孔，即制成数控机床所需的信息载体（图3）。

数控装置

它包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。通过程序读入装置接收信息载体上的程序指令，进行处理和运算，输出各种控制指令，控制机床伺服机构和各种执行机构完成预定的动作。数控装置按所能实现的控制功能分为3类。

（1）点位控制:只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。

（2）直线控制：除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。

（3）连续轨迹控制(或称轮廓控制)：能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。

伺服机构

伺服机构分为开环、半闭环和闭环 3种类型。

（1）开环伺服机构：由步进电机驱动线路和步进电机组成（图4）。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。它没有位置检测器和反馈线路等环节。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。为提高定位精度，常设有工作台反向间隙补偿和丝杠螺距误差补偿功能，能补偿机械传动链的误差。

（2）半闭环伺服机构：由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成（图5）。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。它是根据来自位置检测器的反馈信息与指令信息相比较的结果来控制速度和位置的。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。位置检测反馈不包括由伺服马达到工作台之间的机械传动链，所以也要用反向间隙补偿和丝杠误差补偿。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。

（3）闭环伺服机构：工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上（图6），可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。

机床主体

为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器和自动工件交换装置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。

发展趋势

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多。激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而更加扩大多工序集中的工艺范围。数控机床的自动化程度更加提高，更多的数控机床将配备刀具和工件的自动交换装置和储存装置，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

参考书目

1. 刘又午主编：《数字控制机床》，机械工业出版社，北京，1983。

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