数控机床的数控系统包括

下面简单介绍数控技术的概念和数控机床的特点。

1.数控技术

数字控制 （Numerical Control）技术，是使用数字化的信息控制机床的运动和动作，实现零件加工的一门自动化技术，简称数控技术。

数控机床就是采用数控技术或者说是装备了数控系统的机床。它与普通机床的区别在于：普通机床是通过操作者不断改变刀具与工件之间的运动参数进行零件的加工，而数控机床是由数控系统按照零件程序使刀具或工件移动一个微小的位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

2.数控机床的特点

与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下显著特点：

1）具有较强的适应性和通用性

数控机床是按照程序加工零件的，因而当产品改型更新时，只需改变加工程序即可，不必像专用机床必须更新加工设备和工装，缩短了生产准备周期。这一点对于现代化生产中，单件小批生产的比例逐渐增多的状况尤为重要。

2）生产率高，加工精度高且质量稳定

数控机床结构简单、刚性好，因此可采用较大的切削用量，减少了机加工工时；又由于数控机床具有自动变速、自动换刀、自动交换工件等辅助功能，不需频繁测量，只需进行关键工序的抽检，大大减少了辅助时间；从而提高了生产率。

此外，数控机床本身的制造精度和装配精度都较高，还可以应用软件和硬件对传动件的间隙和传动丝杠的误差进行补偿，因而加工精度较高。数控机床采用全自动化加工，避免了人为操作的误差，加工质量稳定性好。

3）易于完成复杂型面的加工

数控机床的运动是靠程序保证的，没有人工参与，因此能够加工出普通机床难以加工甚至不能加工的复杂零件，如形状复杂的模具、蜗轮叶片和螺旋桨叶片等。如图4－1所示的手柄，在数控机床上加工时可运用插补计算以确定各进给运动相应的方向和步长，从而产生正确的成形运动，加工出复杂的型面，而在普通机床上则很难完成。

图4－1 手柄简图

4）良好的经济效益

数控机床特别是加工中心的工艺范围广，一台机床可替代多台普通机床。在一次装夹中可完成多工位、多型面、多刀加工，减少了在制品数量、工件在工序间的运输时间以及机床的数量，节省了机床的占地面积，因而可以带来较高的经济效益。

5）其他

数控机床的价格较高，初期投资大，对操作者和维修人员的技术水平要求也较高。

综上所述，数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是组成柔性自动生产线的基本单元。使用数控机床可以高效、高质量地制造出机械产品，以满足当今社会产品不断变化的需要，使企业获得较高的经济效益。尽管其价格较高，但若采用成组技术 （Group Technolo-gy），变单个零件的小批量生产为一组零件的较大批量生产，则可降低成本，提高经济效益。

数控机床在如下零件的加工中更能显示出其优越性：

（a）小批量生产的零件；（b）几何形状复杂的零件；（c）加工精度要求高的零件；（d）贵重零件；（e）改型频繁的零件。

3.数控机床的发展概况

1952年美国帕森斯公司 （Parsons Co.）和麻省理工学院伺服机构实验室 （Serve Mecha-nisms Laboratory of the Massachusett’s Institute of Technology）合作研制出世界上第一台三坐标数控立式铣床，用来加工直升机叶片轮廓检验用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件连接电路。1955年该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用，这就是第一代数控机床。1959年晶体管问世，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板电路，从此数控机床跨入第二代。1965年出现了小规模的集成电路，使数控机床的性能得以进一步提高，数控机床发展到第三代。

以上三代数控机床的控制系统均为硬线数控系统，称为普通数控系统，即NC系统。

随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机代替专用硬线数控装置，以控制软件实现数控功能的计算机系统，即CNC系统，数控机床进入第四代。

1970年美国英特尔 （Intel）公司首先开发和使用了4位微处理器。1974年美、日等国研制出以微处理器为核心的数控系统，这就是微机数控 （Micro－Computer Numerical Con-trol），数控机床进入第五代。

我国从1958年开始研制数控机床，20世纪80年代初，先后从日本、美国等国家引进一些先进的CNC装置、伺服系统的生产技术。这些数控系统稳定性和可靠性均较好。近年来，我国的机床厂家一方面从发达国家购进先进的数控设备，另一方面积极开发、设计、研制具有自主版权的中、高档数控系统，取得了可喜的成果。我国的数控产品已覆盖了车、铣、镗铣、钻、磨、加工中心以及齿轮加工机床、柔性加工单元等数百个品种。

目前数控机床的发展趋势是：

1）智能化

在机床加工过程中，有许多不确定因素，如毛坯余量不均匀、材料硬度不一致、刀具的不均匀磨损、工件的变形、机床的热变形、润滑和切削液等。这些变量是无法事先预测的，也是编程时无法考虑的，但这些因素对加工质量会有直接或间接的影响。现代数控机床采用自适应控制技术，能够根据切削条件的变化自动调整并始终保持最优的工作状态，从而获得较好的经济效益、较高的加工精度和表面质量。

2）高速度化

现代数控系统多采用32位 （甚至64位）CPU和多CPU并行技术，使其运算速度大大提高。同时，高分辨率、高响应的绝对位置检测器也应用到数字伺服系统中。此外，提高主轴转速、减少非切削时间，采用快速插补、超高速通信技术等，都使现代数控机床的切削速度得以大大提高。

3）高精度化

高精度化一直是机床数控技术追求的目标之一，在20世纪末已取得明显效果。普通精度级中等规格加工中心的定位精度已从20世纪80年代初的±12μm／300mm，提高到±（0.15～3）μm／300mm，重复定位精度由±2μm提高到±0.5μm。

4）高可靠性

现代数控机床采用以下措施来提高数控系统的可靠性：

（1）提高元器件和系统的可靠性。大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使电路的集成度提高、元器件数量减少、功耗降低，大大降低系统的故障率。

（2）使数控系统模块化、通用化和标准化。数控系统的硬件可制成多种功能模块，根据机床数控功能的要求，选择不同的模块，还可以自行扩展，组成数控系统。模块化、通用化、标准化的实现，不但有利于组织开发、生产和应用，而且提高了系统的稳定性。

（3）提高自诊断及保护功能。数控系统一般都具有软件、硬件及故障的自诊断程序。如在系统内事先设定工作范围，可避免由于限位开关的不可靠而造成的超程。数控系统还具有自动返回功能，当机床在加工中出现某种特殊情况，如由于刀具断裂等原因造成加工中断时，数控系统能够将刀具位置保存起来，在更换刀具后，只需重新输入刀具的有关数据，刀具即可自动回到正确位置，保证通电后继续工作，避免工件报废。

5）多功能复合化

现代数控机床在多功能复合化方向的发展，主要体现在以下几个方面：

（1）大多数数控机床具有CRT图形显示功能，可以进行二维图形的轨迹显示，甚至显示三维彩色动态图形。

（2）大多数数控机床都具有人机对话功能，具有很好的人机界面，借助于CRT与键盘的配合，可以实现加工程序的输入、编辑、修改、删除等功能。此外还具有前台操作、后台编辑的功能，并大量采用菜单操作方式，使操作更加简便。

（3）现代数控系统具有更高、更强的通信功能，除了能与编程机、绘图机等外部设备通信外，还可与其他CNC系统通信，或与上级计算机通信，以实现FMS的进线要求。