數(shù)控車床好不好，淺談數(shù)控車床的發(fā)展

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和制造技術(shù)的進步，產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求日益提高，中、小批生產(chǎn)的比例明顯增大，促使數(shù)控車床不斷向著高效率、高質(zhì)量、高柔性和低成本的方向發(fā)展。另外，數(shù)控車床作為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)及計算機集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)設備，對其中的數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、程序編制、檢測監(jiān)控及機床主機等組成部分提出了更高的要求。

1、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展是數(shù)控技術(shù)和數(shù)控車床發(fā)展的關(guān)鍵。電子元器件和計算機技術(shù)的發(fā)展推動了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。最初的數(shù)控系統(tǒng)使用電子管器件，后來使用晶體管和印制電路板，20世紀60年代末期開始使用小規(guī)模集成電路器件，這些都是所謂的硬線數(shù)控系統(tǒng)。20世紀70年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計算機、微處理器為核心的計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)?，F(xiàn)在，它已被廣泛采用并占據(jù)絕對的優(yōu)勢。

(1)數(shù)控系統(tǒng)的中央處理器。數(shù)控系統(tǒng)的中央處理器(CPU)已由8位字長增加至16位或32位，時鐘頻率由2MHz提高到16MHz、20MHz或32MHz,最近還出現(xiàn)了64位CPU,并且開始采用精簡指令集運算芯片RSC作為CPU,使運算速度得到進一步提高。此外，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和多個微處理器的應用，使數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)標準化、模塊化和通用化，使數(shù)控功能可根據(jù)需要進行組合和擴展。

(2)數(shù)控系統(tǒng)配備有多種遙控和智能接口。接口如RS-232C串行接口、Rs-422高速遠距離串行接口及DNC接口等。配備DNC接口的數(shù)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控車床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控車床進行控制。此外，在數(shù)控系統(tǒng)中采用MAP等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡或 Ethernet(以太網(wǎng)),為解決不同類型、不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控車床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控車床進入FMS和CMS等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

(3)數(shù)控系統(tǒng)具有很好的操作性能。數(shù)控系統(tǒng)上設置了很好的人機界面，普遍采用薄膜按鍵，減少了指示燈和按鍵數(shù)量；大量釆用菜單選擇操作；彩色CRT顯示屏，不僅可以顯示字符、平面圖形，還能顯示三維動態(tài)立體圖形，使操作越來越簡便。

(4)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性大大提高。數(shù)控系統(tǒng)大量采用了高集成度芯片、專用芯片及合成集成電路，減少了元器件數(shù)量。電子元器件采用表面安裝工藝(SMT),出現(xiàn)了三維高密度安裝。元器件經(jīng)過嚴格篩選，提高了硬件質(zhì)量，降低了功耗，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，使數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障時間(MTBF)達到10000~36000h。

(5)開發(fā)式體系。20世紀80年代末、90年代初出現(xiàn)的CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)硬件、軟件和總線規(guī)范均是對外開放的，為數(shù)控設備制造廠家和用戶二次開發(fā)具有各自技術(shù)特色的系統(tǒng)提供了有力的支持。

2、進給伺服系統(tǒng)的發(fā)展。進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控車床的重要組成部分，它的電路、電動機及檢測裝置等的技術(shù)都有極大的提高。

(1)永磁同步交流伺服電動機逐漸取代了直流伺服電動機，提高了電動機的可靠性，降低了制造成本，基本上無須維修。

(2)伺服驅(qū)動電路中的位置、速度和電流控制環(huán)節(jié)部分實現(xiàn)了數(shù)字化，甚至以單片機或高速數(shù)字信號處理器為硬件基礎(chǔ)進行全數(shù)字化控制，與CNC系統(tǒng)的計算機有雙向通信聯(lián)系。這樣避免了零點漂移，提高了位置與速度控制的精度和穩(wěn)定性；由于采用軟件控制，故系統(tǒng)可以引用多種控制策略，容易改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以適應不同機械負載的要求，有的甚至可以自動辨識負載慣量，并自動調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)，從而獲得最佳的靜態(tài)和動態(tài)控制性能和效果。

(3)采用高速和高分辨率的位置檢測裝置組成半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。增量式位置檢測編碼器達到10000脈沖/r,絕對式編碼器可以達到100000脈沖/r和0.01m/脈沖的分辨率。分辨率為0.1μm/脈沖時，位移速度可達240m/min,這極大提高了位置控制的精度，即機床的定位精度。

(4)進給伺服系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)絲杠螺距誤差的補償，而且使熱變形誤差補償和間誤差補償取得了顯著的成效。綜合誤差補償技術(shù)的應用可以將加工誤差減小60%左右。

3、數(shù)控車床編程技術(shù)的發(fā)展

(1)數(shù)控車床的自動編程系統(tǒng)除語言編程系統(tǒng)外，圖形編程也取得了長足的發(fā)展，增加了自動編程的手段。實物編程和語言編程也得到了發(fā)展。

(2)從脫機編程逐漸發(fā)展到在線編程。脫機編程是指由手工或編程計算機系統(tǒng)完成程序編制，然后再通過輸入裝置輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)?，F(xiàn)代的CNC系統(tǒng)具有很強的運算能力、很高的運算速度和很大的存儲容量，可以將自動編程的很多功能植入到數(shù)控系統(tǒng)里，使零件的加工程序可以在數(shù)控系統(tǒng)的操作面板上在線編制，如 FANUC公司的 SymbolicFAP就是采用這樣的編程方法，也可稱之為圖形人機對話編程。有的數(shù)控系統(tǒng)還具有空間曲面插補功能，插補軟件可根據(jù)存放在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的空間曲面數(shù)學模型，插補加工出曲面輪廓，極大地簡化了編程和程序輸入，提高了加工的可靠性。

(3)在線編程過程中，數(shù)控系統(tǒng)不僅可以處理幾何信息，還可以處理工藝信息，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設有與該機床加工工藝相關(guān)的小型工藝數(shù)據(jù)庫或?qū)＜蚁到y(tǒng)，系統(tǒng)可以自動選擇最佳的工藝參數(shù)。

4、數(shù)控車床的工況檢測、監(jiān)控和故障診斷?，F(xiàn)代數(shù)控車床上裝有工件尺寸檢測裝置，對工件加工尺寸進行定期檢測，發(fā)現(xiàn)超差則及時發(fā)出報警或補償信號。紅外、超聲發(fā)射等監(jiān)控裝置可對刀具工況進行監(jiān)控，遇有刀具磨損超標或刀具破損時，系統(tǒng)能及時報警，以便調(diào)換刀具，從而保證加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，CNC系統(tǒng)中已經(jīng)采用了開機診斷運行診斷通信診斷和專家診斷系統(tǒng)等故障自診斷技術(shù)，對故障進行自動查找分類、顯示及報警，以便于及時發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)的故障。

5、采用功能很強的可編程控制器。對于數(shù)控車床輔助功能的控制，以前都采用繼電器邏輯硬件電路，而且要由用戶設計制造。現(xiàn)代數(shù)控車床廣泛采用內(nèi)裝型或獨立型可編程控制器PC( Programmable Controller),它有專用的32位微處理器，基本指令執(zhí)行時間是0.2 us/step,有梯形語言程序16000tf以上，可以采用C語言或Pas語言來編制PC程序，程序容量為68-256KB,在PC與CNC之間有高速窗口。采用C語言編程時，可以在個人計算機的開發(fā)環(huán)境下工作。利用PC的高速處理功能，使CNC與PC有機地結(jié)合起來，而且可以利用梯形圖( Ladder)的監(jiān)控功能，使機床的故障診斷和維修更加方便。

6、機床的主機。數(shù)控車床的主機也有很多新的發(fā)展。表現(xiàn)如下：

(1)主運動部件不斷實現(xiàn)電氣化的高速化。為了提高主運動的速度和調(diào)速范圍，減少機械傳動鏈，除采用直流調(diào)速電動機和交流變頻調(diào)速電動機驅(qū)動主軸部件外，近年來更有采用內(nèi)裝式主軸電動機的機床出現(xiàn)，將主軸部件做在電機轉(zhuǎn)子上，從而大大提高了主軸轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速最高可達10000-1000ymin,而且僅用1.8s即可從零升到最高轉(zhuǎn)速。

(2)增加加工功能。集中工序可以提高生產(chǎn)率和工件的形位精度。例如，采用自動換刀裝置、自動更換工件機構(gòu)、數(shù)控夾具等，開發(fā)出銑鏜加工中心、車削加工中心等機床；采用轉(zhuǎn)位主軸頭架，形成五面加工能力

(3)采用機電一體化和全封閉式結(jié)構(gòu)。數(shù)控車床將過去與主機分離的數(shù)控裝置、強電控制裝置和液壓傳動油箱等設備全部與主機合為一體，使結(jié)構(gòu)緊湊，減少管線，減小占地面積；零件加工區(qū)域完全封閉在可以窺視的罩殼內(nèi)，并采用自動排屑裝置，改善了加工環(huán)境和條件；采用氣動、液壓機構(gòu)以控制各種輔助運動機構(gòu)，利用集中的壓縮空氣動力，以消除液壓泵的耗能、發(fā)熱和噪聲等缺陷。

(4)主機的大件采用焊接結(jié)構(gòu)和合理的結(jié)構(gòu)形式，可在減輕機床自重的情況下，獲得極高的結(jié)構(gòu)剛度和抗震性。采用無級調(diào)速電動機，縮短機械傳動鏈的長度，減小噪聲，提高機械效率。采用低摩擦阻力的滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導軌、靜壓導軌及貼塑導軌等傳動、導向元件，極大地提高了傳動剛度，減小了摩擦阻力，從而提高了進給運動的動態(tài)響應性能和低速運動的平穩(wěn)性能。

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