第1章 数控加工概述

1.1 数控机床的产生及发展趋势

1.数控机床的产生

20世纪40年代以来，随着航空航天技术的迅速发展，对各种飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多数形状复杂，材料多为难加工的合金，用传统的机床和工艺方法进行加工不能保证精度，也很难提高生产效率。为了解决复杂形状表面的加工问题，1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。1952年帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构实验室合作，成功研制了世界上第一台三坐标数控铣床。半个多世纪以来，数控技术得到了迅猛发展，数控机床的发展至今经历了两个阶段，即数控（NC）阶段（1952～1970年）和计算机数控（CNC）阶段（1970年至今）。早期的计算机运算速度低，不适应机床实时控制的要求，人们只好利用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控（NC）。1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。

数控机床配置的数控系统不同，其功能和性能也有很大差异。就目前应用来看，FANUC（日本）、SIEMENS（德国）、DMG（德国）、FAGOR（西班牙）、MITSUBISHI（日本）、OKU-MA（日本）和哈斯（美国）等公司的数控系统及相关产品，在数控机床行业占据主导地位；我国也先后研制了华中数控、广州数控等多个数控机床控制系统，在国内市场数控机床的占有率也逐年增加。

2.数控机床的发展趋势

随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和成熟，为数控技术的进步提供了条件，同时为了满足市场的需要、对数控加工技术也提出了更高的要求。当今的数控技术及数控机床的发展方向主要体现为以下几方面。

（1）高速化

数控机床向高速化方向发展，主要表现在高的主轴转速上（主轴转速高于10000r/min），也表现在工作台的快速移动和进给速度的提高，以及刀具交换、托盘交换时间的缩短上，并且具有较高的加速度（一般在1.5g以上）。

高速切削的作用：主轴转速提高会减少切削力，同时采用小的切削深度铣削，有利于克服机床振动，排屑率大大提高，切削热在没有传递到工件时就被切屑带走，故传入零件中的热量降低，热变形大大减小，提高了加工精度，也改善了加工表面粗糙度。提高工作台的快速移动和进给速度，可采用直线电动机代替传统的旋转式电动机。

（2）复合化

机床复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床效率的，也就是在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻螺纹、铰孔、扩孔、铣花键和插齿等多种加工要求。因此机床复合化加工是现代化机床发展的另一重要方面。

复合加工有两重含义。一是工艺与工序的集中，即一台数控机床通过一次装夹可完成多工种、多工序的任务。例如，数控车床向车铣中心发展，加工中心则向更多功能发展，五轴联动向五面加工发展。图1.1-1为车铣加工中心加工零件实例。二是指工艺的成套，即企业向着复合型发展，定期为用户提供成套服务。

复合化加工进一步提高了工序集中度，提高了机床利用率，减少了夹具和所需的机床数量，降低了整个加工和机床的维护费用。

（3）高精度化

高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度两方面。

提高数控机床的加工精度，一般是通过减小数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来实现的。在减小CNC系统误差方面，通常采用提高数控系统分辨率、使CNC控制单元精细化、提高位置检测精度以及在位置伺服系统中为改善伺服系统的响应特征采用前馈和非线性控制等方法。在采用补偿技术方面，通常采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿、刀具补偿、热变形误差补偿和空间误差综合补偿等方法。

在机械加工高精度的要求下，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±（3～5）μm，提高到±（1～1.5）μm，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001μm），主轴回转精度要求达到（0.01～0.05）μm，加工圆度为0.1μm，加工表面粗糙度Ra0.003μm等。采用矢量控制的变频驱动电主轴（电动机与主轴一体化）数控机床，主轴径向跳动小于2μm，轴向窜动小于1μm。

（4）高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要量化指标是平均无故障工作时间MTBF（Mean Time Between Failures），现在数控机床整机的MTBF已达到800h以上，数控系统的MTBF已达到125个月以上。

提高数控系统可靠性通常可采用冗余技术，故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术和软件可靠性技术等技术。

目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可靠性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期望使数控机床整机可靠性提高到一个新水平。

（5）智能化

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。

智能化的内容包含在数控系统中的各个方面。

1）追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制、工艺参数自动调整（通过检测加工过程中的刀具磨损、破坏、切削力、主轴功率等信息并反馈，利用传统的或现代的算法进行调节运算，实时修调加工参数或加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度和设备的安全性）。

2）简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等。

3）可以实现智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

（6）网络化

支持网络通信协议，既满足单机需要，又能满足柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。

1）网络资源共享。

2）数控机床的远程（网络）监视、控制。

3）数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）。

4）数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。