第一篇机床基础知识简介：数控机床的发展史，你了解多少？

第一篇机床基础知识简介：数控机床的发展史，你了解多少？

第一篇 机床基础知识简介1 概述

一、数控机床的发展史

二战收场之后，美国和苏联的军事力量比拼愈发白热化，空中优势成为双方争夺的核心，当时飞机制造的零件加工主要依赖参照模型，因而生产速度缓慢且质量不高。1948年美国空军下达了开发用于制造直升飞机桨叶形状检测模型的加工装置的指令，1949年获得美国空军许可后，该公司与麻省理工学院合作开展数控铣床的研制工作，历时三年探索，1952年最终成功打造出全球首台采用电子管的数控铣床。

第一台数控铣床面世后，引起全球瞩目，人们认为它的诞生不仅攻克了复杂轮廓加工难题，更明确了数控设备未来自动化的路径，于是各国纷纷开始研发数控机床。经过半个多世纪的研究与进步，当今的数控机床融合了超大规模集成电路技术,计算机软硬件技术,现代机械制造技术,通信技术,管理控制技术,网络技术,液压气动技术以及光电技术,成为具备高精度,高效率,高智能,高自动化和高柔性等特性的机械自动化装置,甚至可视为机械加工机器人。其产品囊括了所有常规的金属切削设备，还延伸至锻造压铸、电气成型、熔接连接、激光划线、精密检测以及数据录入等多元领域，开辟了机械自动化制造的新纪元。

数控系统进步直接关乎数控机床进步程度，数控装置进步总共分为五个阶段：

第一代数控设备运用电子管构成，体型宽大，运作不稳固，生产费用昂贵，所以主要供应军事领域，未能普及开来，制造数量有限。

第二代是1958年问世的采用晶体管和印刷电路板的数控设备，尽管其稳定性比前代有所增强，尺寸也显著减小，但稳定性依旧不高，因此产量虽然有所增加，但增幅并不显著。

第三代数控设备于1965年商业化应用后，集成电路技术显著减小了装置的物理尺寸，低能耗特性同时大幅提升了其运行稳定性，使该设备更易被普通用户采纳，进而推动数控机床的生产量和产品种类实现显著增长。

第四代时期，1970年，小型计算机开始用于数控设备，这使得数控设备（NC）更名为CNC，同时超大规模集成电路技术迅猛进步，显著增强了数控机床的智能水平。

第五代数控系统得益于微处理器技术的进步和计算机软件领域的快速发展，其性能持续增强，物理尺寸持续减小，成本显著降低，稳定性得到改善，网络远程操控和远程检测技术以及数控机器人技术也逐步投入使用。

数控伺服驱动装置也经历了几阶段的发展：

（1）开环控制的步进电机，精度差；

半闭环控制的直流伺服电机，采用大功率直流作为驱动电源，因此其大功率变换元件价格昂贵，性能精准，运行不够稳固。

（3）半闭环交流伺服电机，成本相对降低，精度高，稳定性好；

交流伺服系统与磁栅尺、光栅尺相结合，构成了全闭环控制系统，能够将最终传动环节产生的误差进行反馈，并实施有效修正，从而使得传动精准度获得显著提升。

1958年同清华大学联手研制出国内首台数字控制铣床，不过因为配套产业根基薄弱（特别是电子领域），因此进步步伐迟缓。

1970年，型升降台数控铣床才初次作为商品出现，1975年，型数控车床才正式作为商品进入市场，并开始销售。在1974年到1976年期间，尽管研发了加工中心、数控镗床、数控磨床以及数控钻床，但由于数控系统存在不足，多数机床未能实际投入到生产活动中。

上世纪八十年代初，也就是“六五”计划期间，当国内开始引进日本FANUC数控系统之后，我国的数控机床才正式迈入小规模生产的商业化阶段。

借助“七五”与“八五”阶段的技术攻关，数控领域取得显著进步，极大促进了国内数控机床的进步。现阶段，我国已具备自主数控系统，然而产品性能与功能水平与国际存在明显差距，多数国内数控机床仍依赖进口CNC系统。长期以来，美国等资本主义国家对我国实施严密限制，国内数控机床的可靠性、精度、生产效率及自动化水平，与国外相比，仍存在显著不足。

20世纪90年代，许多国外数控系统涌入中国，例如日本FANUC、德国、西班牙FAGOR、德国MARHO、法国NUM、日本安川、日本、日本大森等，这使得中国的数控机床开始进入大规模商品化阶段，实际上，进口数控系统仍然在中国市场中占据主导地位，而国产数控系统的发展尚未形成气候。

中国数控技术的推广进程相当滞后，1999年之前国内没有任何一所教育机构提供数控学科，经济发达地区的模具产业提供了发展契机，同时主流媒体的大力报道，促使1999年后众多高等院校争相设置该学科，短短两年间全国逾千所学校迅速增设此专业，部分学校安排编制内且具备职称的非专业教师前往设备制造企业接受为期一周的培训后便开始授课，个别中职学校的教师甚至直接照搬教材，本人从未接触过数控设备，由此可见当前我国数控学科的教师队伍严重不足，教育管理缺乏规范，学生掌握的专业知识较为薄弱，这在一定程度上限制了数控技术在中国的普及进程。

二、数控机床的发展方向

数控机床的进步与其他机械、电子领域同步加快，持续加速，未来设备将致力于提升效能、精准度、自动化水平及多功能集成度，伴随单台设备自动化性能的持续增强，逐步构建起由众多数控机床构成、自动化水准更为卓越的生产体系，

计算机直接数字控制系统，简称DNC，采用一台通用计算机，直接操控多台数控机床，完成多种产品、多种工序的自动化生产。这种方式，解决了CNC系统存储容量不够的难题，也使得从计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、自动编程，到数控机床的信息传递，能够直接进行，从而缩短了生产准备周期。

柔性制造系统，是一种高度自动化和高度柔性的生产体系，它整合了众多加工单元、物料传输网络以及数据交换网络，本质上构成了一条全流程无人化作业线。这种系统具备处理多种、数十种乃至上百种不同零件混线生产的能力，是自动化生产环节中不可或缺的关键设施。

生产装置是自动化生产线的核心，承担着物料加工的任务。这套装置可以由数量不等的数控机床组合而成，同时配备其他配套工具，包括清洁设备、检测仪器以及基础型自动化装置等。

该系统包含中央控制器和多个层级控制器。中央控制器依据工作安排，借助下层控制器管理生产装置，并促使物料流转实现自动化配合。它还需处理线上检测与状态追踪传回的信息资料，一旦发生异常能自行调整任务方案。

自动化工厂，即制造车间的自动化，主要依靠一台通用计算机来管理，它能操控多条柔性制造系统，这些系统共同运作，使得车间内仅需少数工人负责物料的搬运与安放即可。

图1-1 数控车床数控控制简易逻辑

计算机集成制造系统，即CIMS，运用先进的计算机技术，对从接受订单、进行设计、完成采购、制定工艺、管理仓储、实施管理、开展制造直至产品销售的整个流程进行控制，目的是构建一个高度信息一体化的，能够高效运作且具备灵活性的集成制造体系。它以生产过程自动化为基础，包括计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计、计算机辅助制造、柔性制造系统、自动化车间等，同时融合其他管理信息系统的进步，以及计算机分析控制能力的持续提升，能够合理高效地掌控全厂的生产活动、管理行为、信息指令传达，最终达成全厂的综合自动化，也就是通常所说的智能工厂，例如我国的情况。

三、数控车床的结构

数控机床的底座和常规机床类似，数控机床增设了以数控系统为核心的电气装置，用以达成自动化运作，操作编程者借助控制台或电脑将指令下达至数控系统CNC，系统内部的中央处理器会接收并执行这些指令。

计算单元执行运算和决策，依据运算成效实施调控，系统中的插补单元负责运动控制指令的生成和运算，并将驱动指令发送至各轴伺服单元，伺服单元对运动指令进行功率放大，利用放大后的指令驱动伺服马达运转，伺服马达带动机床丝杆转动，丝杆的转动经由丝杆螺母传递，使马达的旋转运动转化为线性运动，丝杆与丝杆螺母设置在机床拖座下方，二者形成刚性连接，刀座安装在拖座上，因此达成刀座在垂直与水平方向的线性位移，马达的运行轨迹能否完全遵循插补单元的指令？有了误差怎么办？因此，在电机尾端安装了旋转编码器，该编码器随伺服电机同步转动，每当编码器出现微小的角度变化，就会产生一个感应信号，并将此信号传输给数控系统，数控系统将此反馈信号与插补器信号进行比对，把二者之间的偏差值传递给伺服驱动器，伺服驱动器再以此控制伺服电机进行偏差修正，从而形成一个跟踪—反馈—比较—纠正—跟踪的闭环，这个闭环在一秒之内能够循环几万到几十万次，在几十万分之一秒的极短时间里，伺服电机可能产生的偏差非常微小，几乎可以忽略不计。接近终究只是接近，接近具有相对性，偏差却是绝对的，尽管数值微小到令人难以置信，却依然存在，而且偏差量还跟电机运行时加减速的设定相关，因此数控系统的参数设定中会包含一个可接受的最大偏差值，一旦因不合适的加减速操作或其他突发性外力作用，导致偏差超过了这个预设的限度，系统就会立刻切断伺服驱动器的供电，终止操作，同时发出警报信号。这就为数控车床实现较高精度提供了较好保证。

数控机床在伺服轴操控之外，还涉及其他部件的管理，例如水泵运作、油泵驱动、液压系统的电磁阀门以及电磁离合装置，还有刀架马达和刀架准确定位等，这些统称为外部控制功能，均由可编程控制器负责调控，在数控设备上这个控制器也称作PMC，也就是可编程机床控制器，PMC内部通过梯形图编程来管理各个继电器和交流接触器，再经由交流接触器来操控各个终端设备。因此设备除了设有系统操控界面和观景屏幕外，还需配置如图所示下方部分的设备管理界面。

图1-2 机床控制面板

将编码器安装在伺服电机后面，形成一种反馈控制方法，称为半闭环控制，这种控制方法能够显著提升电机的旋转精确度，然而在电机下游的传动过程中，依然存在诸如丝杠存在空隙、丝杠螺距偏差、丝杠轴向晃动、丝杠螺母与刀架之间的多个连接出现松动等故障偏差，这些部分的偏差无法得到反馈和修正，因此这种反馈传动在中间环节的反馈形式只能归类为半闭环。要想尽可能提升操控精确度，就必须回授并修正执行端的偏差，这种控制方法称作全环控制，在机床领域表现为用直线光栅仪或磁尺装置在机床工作台底部，直接追踪工作台的运行准确度，在圆柱磨床等精密设备上则借助传感器测量工件尺寸进行信息回传和偏差调整。

操作过传统车床的人都能明白，圆形零件多数在直径方面（包括外圆、内孔或台阶）有精度标准，因此纵向移动（径向X方向）的精确度比横向移动（轴向Z方向）更为关键，所以具备各种功能的数控机床都配置三套六条导轨，尾座使用一条水平导轨，确保尾座中心线与主轴中心线重合，大拖板支撑选用一条斜置导轨，使其与主轴中心线保持平行（位于主轴中心线内侧，远离操作人员的一侧，X轴正方向与经济型数控机床平导轨方向相反，具体坐标布局见图1-3），让中拖板与水平面形成45°或30°夹角（构成斜身结构），这种倾斜设计能利用刀架重力抵消机床间隙导致的偏差，使每次反向移动都不受间隙影响，减少空行程的损耗。

图1-3 全机能斜导轨数控车床坐标系

高性能数控机床的主轴通常配备大功率主电机或伺服驱动装置，与机床主轴直接连接以实现无间隙传动和连续变速功能，因此这类机床能够保持恒定的线速度进行切削，即便在加工工件端面时也能通过变速调节，确保刀尖和工件之间的相对滑动速度稳定不变，从而最大限度地延长刀具的使用寿命。

数控机床通常装备液压卡盘或电动卡盘，并设有脚踏开关与程序双重操控，若再配备下料设备以及工件推进装置或上料机械臂，便能达成自动装夹功能，同时机床还设有液压尾座，除程序指令操控外，通常还设有脚踏装置或旋钮控制，用以自动调节尾座套筒的伸缩，性能优越的机床更会配置可编程移动尾座，或者将尾座改造为第二主轴，再搭配双刀座与双液压夹持器，即可完成一次调头加工。如图1-4所示，部分设备在刀座上安装了回转动力铣削装置，主轴驱动单元借助伺服马达与X向及Z向同步运作，从而构成第三联动维度（即旋转运动），能够执行车削、钻孔、铣削及镗削等加工任务，因此此类设备也被称作联动车铣加工中心。

这类机械设备的数字化控制系统通常较为先进，普遍采用基础型、-TA/B型、-Mate型、-T型等完备的数控系统配置，设备常配备软爪具（能够自行加工后进行安装，从而达成较高的定位精度）以及活动顶尖（当顶尖接触工件时，会与工件同步转动，不易产生磨损）。

图1-4

因此若设备装备精良，诸如配备机械臂、副主轴、自动对刀装置等，其具体操作指令需参照设备生产厂家的规划，可查阅设备使用手册，尤其是一些单一动作的M代码，其设定均由PLC梯形图决定，相关国际规范并不完整，加之各设备厂商执行标准参差不齐，同一功能在不同设备上未必采用相同的M代码，故应以设备厂家的使用指南为依据，因此精通设备性能至关重要。