第一章 數(shù)控機(jī)床概述

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1、第一章 數(shù)控機(jī)床概述 數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動控制、自動檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物，它已開始在各個(gè)領(lǐng)域普及，并且它所帶來的巨大效益已引起了世界各國科技與工業(yè)屆的普遍重視。 20世紀(jì)40年代以來，汽車、飛機(jī)和導(dǎo)彈制造工業(yè)發(fā)展迅速，原來的加工設(shè)備已無法承擔(dān)加工航空工業(yè)需要的復(fù)雜型面零件。數(shù)控技術(shù)是為了解決復(fù)雜型面零件加工的自動化而產(chǎn)生的。1948年，美國帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢驗(yàn)用樣板的機(jī)床時(shí)，首先提出了應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)床加工樣板曲線的設(shè)想。后來與美國空軍簽訂合同，帕森斯（Parsons）公司與麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機(jī)構(gòu)研究所合作進(jìn)行研制成功。

2、1952年試制成功第一臺三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。后來，又經(jīng)過改進(jìn)并開展自動編程技術(shù)的研究，于1955年進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，這對加工復(fù)雜曲面和促進(jìn)美國飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展起了重要作用。 1958年我國開始研制數(shù)控機(jī)床，1975年研制出第一臺加工中心。目前，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，我國同先進(jìn)國家之間還存在不小的差距，但這種差距正在縮小。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用也從機(jī)床控制拓展到其他控制設(shè)備，如數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控測量機(jī)和工業(yè)機(jī)器人等。 1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程自動化是實(shí)現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。單件、小批生

3、產(chǎn)占機(jī)械加工的80%左右，一種適合于產(chǎn)品更新?lián)Q代快、品種多、質(zhì)量和生產(chǎn)率高、成本低的自動化生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用已迫在眉睫。而數(shù)控機(jī)床則能適應(yīng)這種要求，滿足目前生產(chǎn)需求。 1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 1946年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，它為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了兩大階段和六代的發(fā)展。 1.數(shù)控（NC）階段（1952年-1970年） 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度底,這對當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大,但不能適應(yīng)機(jī)床的實(shí)施控制要求.人們不得不采用數(shù)字邏輯電路制成

4、一臺機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng),這被稱為硬件連接數(shù)控(HARD-WIRED NC),簡稱為數(shù)控(NC) 。隨著元器件的發(fā)展,這個(gè)階段經(jīng)歷了三代,即1952年的第一代——電子管數(shù)控機(jī)床；1959年的第二代——晶體管數(shù)控機(jī)床；1965年的第三代——集成電路數(shù)控機(jī)床。 2.計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在） 直到1970年,通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)出現(xiàn)并成批生產(chǎn),其運(yùn)算速度比20世紀(jì)五六十年代有了大幅度的提高,這比邏輯電路專用計(jì)算機(jī)成本低，可靠性高。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。1971年，美國Intel公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)核心部件——

5、運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICRO-PROCESSOR），又稱中央處理單元（簡稱CPU）。1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，控制一臺機(jī)床能力有多余，但不及采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理，而且當(dāng)時(shí)的小型計(jì)算機(jī)可靠性也不太理想。雖然早期的微處理器速度和功能都還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。 因?yàn)槲⑻幚砥魇峭ㄓ糜?jì)算機(jī)的核心部件，故稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱為微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量很大，價(jià)格便宜，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基

6、于PC的階段。 總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代，即1970年的第四代——小型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床；1974年的第五代——微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；1990年的第六代——基于PC（國外稱為PC—BASED）的數(shù)控機(jī)床。 1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)向著高速、高效、高精度方向的發(fā)展，制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。由于數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，普通機(jī)械被高效率、高精度的數(shù)控機(jī)械所代替，形成了巨大的生產(chǎn)力。機(jī)械制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是支撐整個(gè)工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械制造的基本裝備，又是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床是集現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光

7、電技術(shù)于一體，具有高效率、高精度、高自動化、高柔性的特點(diǎn)，是典型的數(shù)字化控制技術(shù)與精密制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 目前，國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向主要體現(xiàn)在高速、復(fù)合、精密、智能、環(huán)保等方面。 1.高速 高速切削加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以改善加工質(zhì)量，所以自20世紀(jì)90年代初以來，便成為機(jī)床技術(shù)重要的發(fā)展方向。各國相繼推出了許多主軸轉(zhuǎn)速10000r/min至60000r/min以上的加工中心和數(shù)控銑床。高速切削加工正與硬切削加工、干切削和準(zhǔn)干切削加工以及超精密切削加工相結(jié)合；從銑削向車、鉆、鏜等其它工藝擴(kuò)展，向較大切削負(fù)荷方向發(fā)展。 高速加工對機(jī)床的要求是：主軸速度

8、應(yīng)能達(dá)到12000～40000r/min；進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40～60 m/min；快速移動速度應(yīng)達(dá)到80m/min；高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)；高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸；精確的熱補(bǔ)償系統(tǒng)；高速處理能力的控制系統(tǒng)（具有NURBS插補(bǔ)功能和預(yù)處理能力的控制系統(tǒng)）。 在數(shù)控機(jī)床高速化上，國外直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，應(yīng)用于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、普及化；機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和切削進(jìn)給速度普遍提高。主軸轉(zhuǎn)速一般都在10000 r/min以上，快移速度也因普遍采用直線電機(jī)而提高到100m/min以上。瑞士的MIKRON公司生產(chǎn)的HSM立式加工中心，它在主軸轉(zhuǎn)速在30000r/min、進(jìn)給速度40m/min、加速度1

9、7m/s2的情況下，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行；日本安田公司生產(chǎn)的YBM950V型立式加工中心，其主軸在20000～30000 r/min高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仍十分平穩(wěn)，銑削平面的粗糙度可達(dá)0.4μm。 2.復(fù)合 數(shù)控機(jī)床復(fù)合以功能復(fù)合為基礎(chǔ)，以提高工序集中度為目標(biāo)，盡量減少重復(fù)裝卡次數(shù)，可大幅度提高生產(chǎn)效率和工作精度。近幾年，數(shù)控機(jī)床復(fù)合又在向更高層次發(fā)展，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了加工中心與車削中心復(fù)合機(jī)床，加工中心與激光加工復(fù)合機(jī)床，集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜、滾齒等工序于一體的車磨復(fù)合機(jī)床，集平面磨、內(nèi)圓磨、外圓磨為一體的磨削中心，集各種機(jī)床及測量機(jī)于一體的虛擬軸機(jī)床，五軸聯(lián)動激光切割機(jī)等。 日本MAZAK公司的

10、MACTURN 250/350系列車銑中心，可進(jìn)行外徑車削、傾斜面加工、滾齒加工、凸輪和偏心加工；德國BWF公司開發(fā)的STRATOS系列車磨中心，可以對齒輪和類似工件以及內(nèi)孔、端面、錐面進(jìn)行硬車和磨削。我國復(fù)合加工機(jī)床從1999年剛剛起步，發(fā)展速度較快，主要是車銑復(fù)合加工機(jī)。 3.精密 精密加工須由高精度機(jī)床保證。高速高精度加工機(jī)床，不僅要有高切削速度，而且要有高進(jìn)給速度和加速度，同時(shí)應(yīng)當(dāng)具有微米級的加工精度。在高精度機(jī)床領(lǐng)域，直線電機(jī)驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動方式雖然還會并存相當(dāng)長一段時(shí)間，但總的趨勢是直線電機(jī)驅(qū)動所占比重愈來愈大，很有可能在不久的將來成為此種機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動的主流。 當(dāng)前，在數(shù)控

11、機(jī)床精密化方面，美國的水平最高，不僅生產(chǎn)中小型精密機(jī)床，而且由于國防和尖端技術(shù)的需要，研究開發(fā)了大型精密機(jī)床。其代表產(chǎn)品有LLNL實(shí)驗(yàn)室研制成功的DTM-3型精密車床和LODTM大型光學(xué)金剛石車床，它們是世界公認(rèn)水平最高的，達(dá)到當(dāng)前技術(shù)最前沿的大型精密機(jī)床。其它國家也相應(yīng)研制成功各種類似的裝備，如英國的Cranfield、日本的東芝機(jī)械等。近年來我國對超精密機(jī)床的研制也一直在進(jìn)行。北京機(jī)床研究所研制成功了JCS-027型超精密車床、JCS-031型超精密銑床、JCS-035型數(shù)控超精密車床等。 4.智能 智能機(jī)床是指能對制造過程主動做出最優(yōu)運(yùn)動決策的機(jī)床，它能采集整個(gè)制造過程中的參數(shù)，通過

12、診斷分析、應(yīng)用監(jiān)控、補(bǔ)償?shù)却胧┘皶r(shí)進(jìn)行調(diào)整，并能判斷機(jī)床中軸承、導(dǎo)軌等關(guān)鍵件的磨損和刀具的壽命情況，作出維修和更換的合理時(shí)間建議。因此，智能機(jī)床將為實(shí)現(xiàn)全盤自動化創(chuàng)造條件，減少機(jī)床管理的工作量，并能獲得最大功效和穩(wěn)定的加工精度。 在上世紀(jì)80年代，雖然美國曾提出智能化雛形的適應(yīng)控制機(jī)床，但由于受到自動化檢測、控制和動態(tài)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的制約，除了在控制因素較簡單的電加工機(jī)床和注塑機(jī)上得到應(yīng)用外，總體上進(jìn)展較為緩慢。但是進(jìn)入本世紀(jì)后，由于信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新一代智能型數(shù)控系統(tǒng)，它具有強(qiáng)大的信息分析處理能力和優(yōu)化控制的功能。其次微機(jī)電系統(tǒng)型傳感器技術(shù)的應(yīng)用，以及機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動、熱誤差等機(jī)

13、理的深入研究，可實(shí)施在多信息融合下的優(yōu)化重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的集約制造。 計(jì)算機(jī)技術(shù)及其軟件控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床技術(shù)含量中所占比重越來越大，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的復(fù)雜化同時(shí)帶來機(jī)床系統(tǒng)及其硬件結(jié)構(gòu)的簡化。通過賦予機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化功能，使機(jī)床的遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程故障排除和維護(hù)、遠(yuǎn)程服務(wù)成為可能。 日本MAZAK公司的日本工廠是世界上為數(shù)不多的智能管理的代表。整個(gè)工廠實(shí)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)智能化管理。2006年的美國IMTS和日本JIMTOF國際機(jī)床展覽會上，日本MAZAK公司展出智能機(jī)床具有自動抑制振動、優(yōu)化控制熱位移、防止碰撞的智能安全防護(hù)以及語音提示等四大智能。日本OKUMA公司也推出了稱之為

14、Thinc的智能化數(shù)字控制系統(tǒng)，它可以在不需人的干預(yù)下做出“聰明”決策，并通過自學(xué)習(xí)功能使其功能不斷優(yōu)化增長。美國GEFANUC公司展示的效率機(jī)床4.0可收集完整的基本數(shù)據(jù)作出判斷分析，使機(jī)床的平均無故障時(shí)間（MTBF）增長。此外，美國辛辛那提公司開發(fā)的自動平衡裝置以及瑞士MIKRON公司研發(fā)的高級工藝控制系統(tǒng)有助于提高切削性能和效率。這些事例說明智能機(jī)床已取得了突破性的進(jìn)展，預(yù)計(jì)在今后的若干年內(nèi)年內(nèi)它將在不斷完善的基礎(chǔ)上逐步推廣應(yīng)用，成為高檔數(shù)控機(jī)床的一個(gè)主要技術(shù)發(fā)展方向。 5.環(huán)保 隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，對環(huán)保的要求越來越高。不僅要求機(jī)床在制造過程中不產(chǎn)生對環(huán)境的污染，也要求機(jī)床

15、在使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領(lǐng)域?qū)C(jī)床提出了無冷卻、無潤滑、無氣味的環(huán)保要求，機(jī)床的排屑、除塵等裝置也發(fā)生了深刻的變化。綠色加工工藝愈來愈受到機(jī)械制造業(yè)的重視，目前在歐洲的大批量機(jī)械加工中，已有10％～15％的加工實(shí)行了干切削或準(zhǔn)干切削。美國HARDING的QUEST系列車床、德國HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技術(shù)；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷卻技術(shù)；日本富士公司的數(shù)控車床采用了冷風(fēng)冷卻技術(shù)。我國干切削技術(shù)的研究也已起步。成都工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等單位對超硬刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等）及刀具涂層技術(shù)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，并取得了不少的

16、研究成果。北京機(jī)床研究所最近開發(fā)成功的KT系列加工中心已能實(shí)現(xiàn)高速干切削。 1.1.3我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)床產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》將“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”確定為16個(gè)科技重大專項(xiàng)之一。通過國家相關(guān)計(jì)劃的支持，我國在數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究方面有了較大突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果和核心技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1.中高檔數(shù)控機(jī)床的開發(fā)取得了較大進(jìn)展，在五軸聯(lián)動、復(fù)合加工、數(shù)字化設(shè)計(jì)以及高速加工等一批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，自主開發(fā)了包括大型、五軸聯(lián)動數(shù)控加工機(jī)床，精密及超

17、精密數(shù)控機(jī)床以及一大批專門化、高性能機(jī)床，并形成了一批中高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化基地。 2.關(guān)鍵功能部件的技術(shù)水平、制造質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高，功能逐步完善，部分性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能部件。開發(fā)出了高速主軸單元、高速滾珠絲杠、重載直線導(dǎo)軌、高速導(dǎo)軌防護(hù)裝置、直線電機(jī)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、刀庫與機(jī)械手、A/C軸數(shù)控銑頭、高速工具系統(tǒng)、數(shù)字化量儀等高性能功能部件樣機(jī)，其中有的品種已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。 3.中高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)研究與應(yīng)用取得一定成果。通過自主研發(fā)或與國外開展技術(shù)合作，在中檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)上取得明顯進(jìn)展。初步解決了多坐標(biāo)聯(lián)動、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題。為適應(yīng)數(shù)控

18、系統(tǒng)的配套要求，相繼開發(fā)出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸交流伺服控制系統(tǒng)，并形成了系列化產(chǎn)品。 1.1.4國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 1.美國 美國政府重視機(jī)床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機(jī)床，1958年研制出加工中心，70年代初研制成FMS，1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由于美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大批量生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此，其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)

19、控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是：偏重于基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)。且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱茫a(chǎn)量又逐漸上升。 2.德國 德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶持。于1956年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床后。德國特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精

20、。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)及各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。 1.1.5國內(nèi)與國外數(shù)控機(jī)床發(fā)展的差距 1.高檔數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)供應(yīng)能力不足 盡管我國機(jī)床行業(yè)近年來取得了很大的發(fā)展，數(shù)控化率穩(wěn)步提高，但機(jī)床消費(fèi)和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾仍然比較突出。目前，國內(nèi)對中高檔機(jī)床的需求量逐漸超過低檔機(jī)床。但國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床以低檔為主，高檔數(shù)控機(jī)床絕大部分依賴進(jìn)口。 2.自主創(chuàng)新能力不足 長期以來

21、，我國機(jī)床制造業(yè)的基礎(chǔ)、共性技術(shù)研究工作，主要在行業(yè)性的研究院所進(jìn)行。能力薄弱，技術(shù)創(chuàng)新投入不足，引進(jìn)消化吸收能力差，低水平生產(chǎn)能力過剩，自主創(chuàng)新能力不高，缺乏優(yōu)秀技術(shù)人才。雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，使得企業(yè)的市場響應(yīng)速度緩慢。 3.產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性及服務(wù)等能力不強(qiáng) 國產(chǎn)機(jī)床在質(zhì)量、交貨期和服務(wù)等方面與國外著名品牌相比存在較大的差距。在質(zhì)量方面，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)MTBF與國際先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)相差較大。國產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心的MTBF與國際上先進(jìn)水平也有較大差距。在交貨期

22、方面，絕大多數(shù)企業(yè)由于任務(wù)重拖期交貨。服務(wù)體系不健全，在市場開拓、成套技術(shù)服務(wù)、快速反應(yīng)能力等方面不能滿足市場快節(jié)奏和個(gè)性化的要求。 4.功能部件發(fā)展滯后 機(jī)床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎(chǔ)機(jī)架上集裝而成的，功能部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)與數(shù)控機(jī)床功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，所以功能部件的創(chuàng)新也深深地影響著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。我國數(shù)控機(jī)床功能部件已有一定規(guī)模，電主軸、主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)等也有專門的制造廠家，其中個(gè)別產(chǎn)品的制造水平接近國際先進(jìn)水平。但整體上，我國機(jī)床功能部件發(fā)展緩慢、品種少、產(chǎn)業(yè)化程度

23、低，精度指標(biāo)和性能指標(biāo)的綜合情況還不過硬。目前，滾珠絲杠、數(shù)控刀架、電主軸等功能部件僅能滿足中低檔數(shù)控機(jī)床的配套需要。衡量數(shù)控機(jī)床水平的高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件等還依賴進(jìn)口。 1.2數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理 1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床是利用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確地按照事先編制好的程序，自動加工出所需工件的機(jī)電一體化設(shè)備。在現(xiàn)代機(jī)械制造中，特別是在航空、造船、國防、汽車模具及計(jì)算機(jī)工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床通常由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床來組成。數(shù)控機(jī)床的各部分組成如圖1.1所示。 圖1.1 數(shù)控機(jī)床的組成框圖 1.控制介質(zhì)

24、 數(shù)控機(jī)床是按照輸入的零件加工程序運(yùn)行的。 零件加工程序中包括機(jī)床上刀具和零件的相對運(yùn)動軌跡、工藝參數(shù)（如進(jìn)給量，主軸轉(zhuǎn)速等）和輔助運(yùn)動等。將零件加工程序以一定的格式和代碼存儲在一種介質(zhì)中，這種介質(zhì)稱為控制介質(zhì)?？刂平橘|(zhì)可以是磁盤、磁帶、硬盤和閃存卡等。 2.數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，主要包括CPU、存儲器、局部總線、外圍邏輯電路和輸入輸出控制等。 數(shù)控裝置的功能是接收從輸入裝置送來的脈沖信號，并將信號通過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路的編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和控制指令。在這些控制指令中，除了送給伺服系統(tǒng)的位置和速度指令外，還送給輔助控制裝置的機(jī)床輔助動作指令。最

25、終控制機(jī)床的各個(gè)部分，使其按照規(guī)定的、有序的動作執(zhí)行。 3.伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它的作用是把來自數(shù)控裝置的微弱指令信號解調(diào)、轉(zhuǎn)換、放大后驅(qū)動伺服電機(jī)，通過執(zhí)行部件驅(qū)動機(jī)床移動部件的運(yùn)動，使工作臺精確定位或使刀具和工件及主軸按規(guī)定的軌跡運(yùn)動，最后加工出符合圖樣要求的零件，它的伺服精度和動態(tài)相應(yīng)是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素。 伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行裝置兩大部分，數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動裝置包括主軸伺服單元（轉(zhuǎn)速控制）、進(jìn)給驅(qū)動單元（位置和速度控制）、回轉(zhuǎn)工作臺和刀庫伺服控制裝置以及它們相應(yīng)的伺服電機(jī)等。常用的伺服電動機(jī)有步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)和交

26、流伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅(qū)動控制系統(tǒng)則是伺服電動機(jī)的動力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，在經(jīng)過驅(qū)動系統(tǒng)的功率放大后，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳動裝置帶動工作臺或刀架運(yùn)動。 4.測量裝置 監(jiān)測裝置有利于提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。它的作用是：將機(jī)床導(dǎo)軌的主軸移動的位移量、移動速度等參數(shù)檢測出來，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，并反饋到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置根據(jù)反饋回來的信息進(jìn)行判斷并發(fā)出相應(yīng)的指令，糾正所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。常用的監(jiān)測裝置有編碼器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺、霍爾檢測元件等。 5.機(jī)床 數(shù)控機(jī)床的本體是指其機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)體。它是實(shí)現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件，

27、主要由主運(yùn)動部件（主軸、主運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)）、進(jìn)給運(yùn)動部件（工作臺、托板及相應(yīng)的傳動機(jī)構(gòu)）、支撐件（床身、立柱等）以及輔助裝置等組成。 1.2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理 1.根據(jù)零件加工圖樣進(jìn)行工藝分析，擬定加工工藝方案，確定加工工藝過程、工藝參數(shù)和刀具位移數(shù)據(jù)。 2.用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序，或用CAD/CAM軟件直接生成零件的加工程序。 3.把零件加工程序輸入或傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)。 4.數(shù)控系統(tǒng)對加工程序進(jìn)行譯碼與運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的命令，通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動部件，并控制刀具與工件的相對運(yùn)動，最后加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。 1.3數(shù)控機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床

28、與普通機(jī)床的結(jié)構(gòu)、加工對象及工藝有著相似之處，但由于數(shù)控系統(tǒng)的存在,使得它們之間有著很大的區(qū)別。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn)： 1.數(shù)控機(jī)床采用了全封閉或半封閉防護(hù)裝置，可防止切屑或切削液飛出，給操作者帶來意外傷害。 2.數(shù)控機(jī)床可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 3.數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比普通機(jī)床提高3～7倍。 4.數(shù)控機(jī)床加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”?？蓪?shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 5.擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。 6.數(shù)控機(jī)床

29、的主傳動系統(tǒng)與進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用了各自獨(dú)立的伺服系統(tǒng)、電機(jī)，使傳動鏈變得簡單、可靠，同時(shí)，各電機(jī)既可單獨(dú)運(yùn)動，也可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動。 1.4數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 數(shù)控機(jī)床具有普通機(jī)床不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但目前它并不能完全代替普通機(jī)床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問題。數(shù)控機(jī)床最適合加工具有以下特點(diǎn)的工件： 1.單件、多品種、小批量的生產(chǎn)零件。 2.形狀復(fù)雜，加工精度較高的零件。 3.需進(jìn)行多種工序集中加工的零件。 4.價(jià)格昂貴、不允許報(bào)廢的零件。 5.需要頻繁改型的零件。 6.需要最少生產(chǎn)周期的急需件。 7.批量、高精度、高要求的工件。 由于數(shù)控機(jī)床的自動化程度、生產(chǎn)率高，可最大限度地減少操作人工。因此，大批量生產(chǎn)的零件采用數(shù)控機(jī)床加工，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。廣泛推廣和使用數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。由于數(shù)控本身的復(fù)雜性，又增加了維修的技術(shù)難度和維修費(fèi)用。考慮到上述種種原因，在決定選擇數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需要進(jìn)行科學(xué)的經(jīng)濟(jì)分析，使數(shù)控機(jī)床發(fā)揮它最大的經(jīng)濟(jì)效益。