数控技术和数控机床在实际生产中的应用

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前言：第一节：数控机床的产生和发展

1949 年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）开始合作，并于 1952 年 3 月研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。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。 1958 年，我国开始研制数控车床，并在研制与推广使用数控机床方便取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，是我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前，我国已有几十家机床厂能过生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小差距，但这种差距正在缩小。数字控制机床（Numerical Control Machine Tool,简称 NC 机床）的产生较好的解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题，满足了科学技术与社会生产日益发展的需要。机床与普通机床、 NC 自动与半自动化机床相比具有突出的优点。它不仅提高了加工精度和生产效率，同时也减轻了劳动强度，改善了劳动条件，更重要的是有利于生产管理和产品的更新改型。计算机数字控制机床（Computer Numerical Control Machine Tool,简称 CNC 机床），也称现代数控机床，是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新颖的数字控制系统。它是实现柔性自动化的关键设备和柔性自动生产线的基本单元。现代数控机床是综合应用了计算机自动控制、电气传动、精密测量、精密机械制造等技术的最新成果而发展起来的，它采用微处理器作为机床的数控装置，通过编制各种系统软件来实现不同的控制功能和加工功能。CNC 数控系统又称软线数控，与早期使用专用计算机的硬线数控即 NC 数控相比，具有以下优点：⑴柔性好。NC 数控的控制功能是靠硬件电路来实现的。

⑵功能强。CNC 数控利用了计算机的高度计算处理能力，实现许多复杂的数控功能，如二次曲线插补运算、多轴联动、固定循环加工、坐标偏移、图形显示、刀具补偿等，使刀具在三维空间中能实现任意轨迹，完成复杂形面的加工过程。

⑶通用性好。CNC 数控可以编制不同的软件来满足各种机床的不同加工要求，这样可以用同一种 CNC 控制装置满足多种数控机床的要求，体现出了较强的通用性。⑷可靠性搞。NC 数控的零件程序是在加工过程中分段读入、分段加工的，频繁启动光电阅读机回产生故障，引起零件程序错误，这是 NC 装置可靠性不高的主要原因。⑸易于实现机电一体化。CNC 数控采用大规模集成电路和先进印刷排版技术，采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，使其硬件结构尺寸大大缩小，可以与机床结合在一起，减少占地面积，实现机电一体化。

第二节：数控机床的分类：

⒈按运动轨迹分类⑴点位控制数控机床。这类控制系统的特点是只控制刀具相对于工件定位点的位置精度，不控制点与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削。⑵直线控制数控机床。一些数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制移动的速度，因为刀具在移动过程中要进行切削加工。⑶轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床（或称连续控制机床），它的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴方向同时进行连续控制，并能对位移和速度进行严格地不间断的控制。⒉按伺服控制系统分

类⑴开环伺服系统数控机床。⑵闭环伺服系统控制机床。⑶半闭环伺服系统数控机床。⒊按功能水平分类按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方

式，在中国用的较多。⒋按工艺方法分类：数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、铣床、磨床和齿轮加工机床等。在数控金属成型机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等。在特种加工机床中有数控的电火花切割机，火焰切割机、电焊机，激光加工机等。

第三节：数控机床的应用及发展：

⒈高速度、高精度化现代机床 CNC 系统多采用 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 发展，并且采用多微处理器并行技术，使运算速度和数据处理能力得到很大提高。由于新型 CNC 系统和伺服驱动系统系统的采用，使数控机床的进给速度和分辨率得到很大提高。在 100~240m/min 的进给速度下其位移分辨率可达 1btm, 在24m/min 的进给速度下其位移分辨率可达 btm，在 min 的进给速度下其位移分辨率可达 btm。现代数控机床还充分利用 CNC 系统的补偿功能（如反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等）来提高其加工精度和动态性能。

⒉高可靠性由于现代机床 CNC 系统的模块化、标准化、通用化和系列化，使其便于组织批量生产，有利于保证产品质量。现代 CNC 系统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，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，从而提高了可靠性。⒊更完善的自动编程技术由于多微处理器并行技术的采用，使数控编程从离线编程发展到在线编程，即所谓的“前台加工，后台编程”。通过会话自动编程系统，不仅实现了在线零件加工程序的编制，还可以根据机床性能、工件材料及零件加工要求自动选择刀具及最佳切削用量，生成工艺路线，并实现切削仿真，大大提高了对复杂型面编程的效率。⒋更高的通信功能为了适应自动化技术的不断发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中，机

床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。⒌智能化计算机软、硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。机床数控系统的智能化主要体现在：⑴将适应控制应用于数控系统中，构成适应数控系统（AC-NC System）。在适应数控系统中，把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运行达到最优。其主要的追求目标是：保护刀具和工件，适应材料的变化；改善尺寸控制，提高加工精度，保持稳定的质量；寻求最高的生产率和最低的成本消耗；简化零件程序编制，降低对操作人员经验和熟练程度的要求等。⑵故障诊断的智能化，即数控系统内置实时诊断软件，在数控机床整个工作过程中进行故障诊断并指导故障的排除。一旦发生故障，除采用停机措施，利用 CRT 进行故障报警，提示故障发生的部位和原因外，还可以利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块，以满足无人化工作环境的要求。在故障诊断中，除了使用专家系统外，还将模糊数学、神经网络应用其中，取得了良好的效果。⑶刀具寿命自动监控检测的运用。即利用红外、声发射（AE）、激光等检测手段，对刀具和工件进行监控。发现工件超差，刀具损坏，及时报警、自动进行补偿或更换备用刀具，以确保产品质量。⒍数控系统的开放化随着技术、市场、生产组织结构诸方面的快速发展，对数控机床，特别是数控系统提出许多更新、更高的要求：⑴为了适应不断出现的新加工需求，数控系统应具有更强的软、硬件重构能力，而且重构成本要低，重构周期要短。⑵为了适应未来