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第一章数控机床概述1.1数控机的产生与发展1.2机床中有关数控的基本概念1.3数控机床的组成与工作原理1.4数控机床的分类1.5数控机床的持点1.6数控机床的主要性能指标与功能1.7数控机床的应用范围1.1数控机的产生与发展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。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，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，数控机床经历了两个阶段和六代的发展，如图1-1所示。1.数控(NC)阶段(1952-1970年)早期计算机的运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。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，被称为硬件连接数控(HARD-WIREDNC)，简称为数控(NC)。下一页返回1.1数控机的产生与发展随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即：1952年的第一代一电子管数控机床；1959年的第二代一晶体管数控机床；1965年的第三代一集成电路数控机床。2.计算机数控(CNC)阶段(1970至今)到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产，其运算速度比五、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公司首次将计算机的两个最核心的部件一运算器和控制器，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-PROCES-SOR），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。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有多余，不如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，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机(个人计算机，国内称微机)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。因此，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年的第四代一小型计算机数控机床；1974年的第五代一微型计算机数控机床；1990年的第六代一基于PC机的数控机床。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展数控机床是典型的机电一体化产品，它所覆盖的领域如图1-2所示。1.1.2数控机床的发展趋势随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理沦等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市场和科技发展的需要，数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展:上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展1.高速、高效、高精度和高可靠性高速、高效和高精度是机械加工的目标。要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。(1)高速：参考下面的指标上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展①主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电动机)，主轴最高转速达200000r/min。②进给速度：它是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。目前CNC装置所具有的最高进给速度为：1μm脉冲当量时，100m/min；0.01μm脉冲当量时,240m/min，且可获得复杂型面的精确加工。③运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm,0.01μm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展④换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(2)高效依靠快速、准确的数字量传递技术，对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，现在数控机床自动换刀时间最短可达0.5s以内，采用新的刀库和换刀机械手，使选刀动作更快速、可靠；采用各种形式的交换工作台，使装卸工件的时间缩短；采用快换夹具，刀具装置以及实现对工件原点快速确定等，缩短时间定额，实现高效化。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(3)高精度从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm)，其应用范围口趋广泛。超精密加工主要包括：超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3-5μm，提高到±1-1.5μm。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(4)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠。因为商品受性价比约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则，数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时，（对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别较大），如果只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1的话（注：数控的可靠比主机高一个数量级）。此时，数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展而目前，国外数控系统平均无故障时间MTBF在7万一10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展2.模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。(2)智能化智能化包括在数控系统中的各个方面，具体体现在：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程自适应控制技术，加工参数的智能优化与选择；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等;智能故障诊断与自修复技术、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(3)柔性化和集成化数控机床向柔性化发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC,FMS,FTI,FMI)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面，向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。重点：以提高可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CVC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与(CAD,CAM,CAPP,MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展3.开放性由于数控系统生产厂家技术的保密，传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，难以满足市场对数控技术的需求，为适应数控进线、联网、普及型、个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，开放式数控系统，具有标准化的人机界面和编程语言，软、硬件兼容，维修方便，如图1-3所示为开放式数榨装置的概念结构。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展目前，国内外对开放式数控系统研究如下：例如，美国在20世纪90年代初提出了开发下一代控制器的计划NGC(VextGenerationController)，以后又提出了OMAC(OpcnModulararchitectureController)一划，欧洲在20世纪90年代初开始OSACA(OpenSystemarchitectureforControlswithinautomationsystem)计划，以及目前正发展的基于PC的开放式数控系统结构(PC嵌入CNC型,CNC嵌入PC型、全软件CVC型)等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展4.新一代数控加工工艺与装备为适应制造自动化的发展，向FMC，FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用于机器人和物流系统，出现了数控技术的并联化和网络化。围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电动机、软件补度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化，如图1-4所示为并联机床。以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展持技术和智能化决策系统。对机械加工中海量信息进行存储和实时理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近几年推出了相关的新概念和样机，例如：日本山心，日本大隈(Okuma)机床公司展出的信息技术广场(IT广场)，德国西门子(Siemens)公司展出的开放制造环境(OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向的发展趋势。总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，机械加工向虚拟制造方向发展，使现代加工技术水平不断提高。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展1.1.3各国数控机床的发展状况美国、德国、日本三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用上技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。(1)美国的数控发展史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铣床，1958年研制出加工中心，20世纪70年代初研制成柔性制造系统(FMS),1987年首创开放式数控系统等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展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20世纪