数控机床的分类与发展

1.3　数控机床的分类与发展

1.3.1　概况

数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，40年来，它经历了研究试制、工业应用和高速发展三个阶段，在品种、数量、加工范围与加工精度等方面有了惊人的发展。

1948年由美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用的样板机床时，首先提出数控机床设想，并与麻省理工学院合作，于1952年制作了世界上第一台数控机床样机，这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补连续控制的三坐标数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接电路。后又经过三年的改进与自动程序编制的研究，于1955年进入实用阶段。

其后，随着电子与计算机技术的发展，数控机床经历了五代变化。第一代:1952～1959年，采用电子管元件。第二代:从1959年开始，采用晶体管元件。第三代:从1965年开始，采用集成电路。第四代:从1970年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。第五代:从1974年开始，采用微处理器或微型计算机。

机床数控系统发展的基本目标是增强功能、方便使用、提高可靠性与降低价格。因而自20世纪70年代以来，由于大规模集成电路以及微型计算机的出现，数控系统的价格逐年下降，并大幅度提高了系统的精度与可靠性，使数控机床进入了高速发展阶段。我国从1958年开始研制数控机床并取得一定成绩。近年来，随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要量大幅度增长，同时由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床，我国与先进的工业国家在数控技术领域中的差距正在缩小，数控机床必然会在我国现代化建设中发挥越来越大的作用。

1.3.2　数控机床的分类

数控机床发展的重要方面是品种不断增加，通常可以从三个不同角度对数控机床的品种进行分类。

1.按工艺用途分类

最普通的数控机床是钻床、车床、铣床、镗床、磨床与齿轮加工机床等等。除了切削加工的数控机床以外，数控技术也大量用于压力机、冲床、弯管机、折弯机、电火花切割机和火焰切割机等金属成型机床与特种加工机床上。近年来在非加工设备中也大量采用了数控技术，其中较常见的有装配机，多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。

加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控镗铣床，它的出现打破了一台机床只进行一种工艺加工的传统概念。以铣削加工中心为例，它在数控铣床上增加了一个刀库(一般为20～120把刀)和自动换刀装置，工件在一次装夹后，可以对其大部分加工面进行铣、钻、扩、铰及攻丝等多工序加工。加工中心机床大多以镗铣为主，主要用于加工箱体或异形零件。近来也出现了为数不少的车削加工中心，几乎可以完成非回转体零件的所有加工工序。加工中心机床可以有效地避免由于多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，大大提高了生产率和加工自动化程度。

2.按运动方式分类

(1)点位控制系统　点位控制数控机床的特点:只控制机床移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们定位过程中的运动轨迹没有严格要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。因此为了尽可能减少移动部件的运动与定位时间，通常先以快速移动到接近终点坐标，然后以低速准确移动到定位点，以保证良好的定位精度。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机以及数控弯管机、数控测量机等。

(2)点位直线控制系统　点位直线控制数控机床的特点:机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动，而且能够实现平行于坐标轴的直线切削加工运动。

(3)轮廓控制系统　轮廓控制数控机床的特点:能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不仅要控制机床移动部件起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程每一点的速度与位移量，即要控制移动轨迹，将工件加工成一定的轮廓形状。数控铣床、数控车床和数控磨床是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、数控线切割机及数控绘图机等也都采用轮廓控制系统。

3.按控制方式分类

(1)开环控制系统　开环控制系统就是指不带反馈装置的控制系统，如图1－2－2实线所示。

通常使用功率步进电机或电液脉冲马达作为执行机构。数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过相应的步距角，再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。

开环控制系统具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本较低等优点。但是系统对移动部件的实际位移量是不进行检测的，也不能进行误差校正。因此，步进电机的步距误差、齿轮与丝杠等的传动链误差都将反映到被加工零件的精度中去。目前开环控制系统已不能满足数控机床日益提高的精度要求。尽管如此，开环控制系统在数控机床的发展过程中占有相当重要的地位，许多采用开环步进系统的数控机床仍在生产中发挥作用。

(2)闭环控制系统　闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将测量到的实际位移值反馈到数控装置中，如图1－2－2虚线所示，与输入的指令位移值进行比较，用偏差值进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确定位。

从理论上说，闭环系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，但这并不意味着可降低对机床的结构与传动链的要求，传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，严重时会使闭环控制系统的品质下降甚至引起振荡。

(3)半闭环控制系统　半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移检测装置(如感应同步器和光电编码器等)，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈至数控装置中。显然，半闭环控制系统的实际控制量是丝杠的转动，而由丝杠转动变换为工作台的移动，不受闭环的控制，这一部分的精度由丝杠—螺母(齿轮)副的传动精度来保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环控制系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置的结构简单、安装方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛采用，且由于惯性较大的机床移动部件不包括在闭环之内，系统的调试比较方便，并有很好的稳定性。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电机设计成一个部件，使系统变得更加简单。

1.3.3　数控机床的发展

数控机床的发展不仅表现为数量的迅速增长、种类的不断增加，而且在质量与性能上也有显著提高。与早期数控机床相比，无论是机床结构还是数控装置或伺服系统都有了惊人的变化。主要体现在以下几个方面。

1.机床结构的发展

机床的爬行、振动、热变形、刚度不足以及机床的制造与装配误差等都会直接或间接地影响被加工零件的精度。因此，数控机床在机械结构上首先要求提高其静刚度与动刚度，减少热源的影响，提高其热稳定性，提高传动链的刚度并消除其中的间隙，消除爬行等，以保证加工精度稳定可靠。

20世纪60年代初期，在一般数控机床的基础上又开发了数控加工中心机床。前面数控机床分类中已介绍过它是在一般数控镗铣床上加装刀库和自动换刀装置，工件在一次装夹后，加工中心机床可自动更换刀具，连续地对零件的各加工面自动地完成铣、钻、铰以及攻丝等多种工序。目前刀库的容量可多达120把左右，自动换刀装置的换刀时间仅为1～2秒钟。加工中心机床已被工业发达国家普遍采用。据统计，1985年仅在美国就有150家工厂生产加工中心机床。继加工中心机床出现之后，实现工序的高度集中仍然是数控机床当今的发展趋势。现已先后出现了带有工业机器人和工件交换系统(APC)的车削加工中心机床，可以自动更换电极的电火花加工中心机床等。这些工序集中的数控机床无论在结构上或外形上都与传统的机床大不相同。

为了实现工件的自动装卸，以镗铣床为基础的加工中心机床可以带有两个交换工作台。在交换工作台上由工人装夹好待加工的零件后，在数控系统的控制下，可以自动地把零件送上机床，并将已加工好的零件从机床上自动卸下。如果这种加工中心机床带有较多的交换工作台，便可实现无人看管加工。这种带有多个交换工作台的加工中心机床称为柔性制造单元(FMC)。

2.数控系统的发展

目前，数控系统大都采用多个微处理器(CPU)组成的微型计算机作为数控装置(CNC)的核心。因此，高性能的计算机数控系统可以同时控制十几个轴，甚至几十个轴。而且，在机床上加工零件的同时，计算机数控系统还可以为其他待加工零件编制程序。有的还带有在屏幕上显示刀具轨迹的功能，在屏幕上模拟刀具运动，可使操作者及早发现程序的差错。

计算机数控系统还可带有可编程序控制器PLC，它代替了传统的继电器逻辑控制，取消了庞大的强电控制箱。可编程序控制器可以通过编制程序来改变其控制逻辑，同样具有高度的柔性。数控技术和可编程序控制器的结合，可以有效地完成刀具管理和刀具寿命监控。

由此可见，与早期数控装置相比，现代数控系统不仅控制的轴数大为增加，而且其功能也远远超出控制刀具轨迹与机床动作的范畴，而且能够进行自动编程、自动测量、自身故障诊断与通信联络。省去了庞大的强电控制箱之后，不仅提高了系统的可靠性，而且为实现机电一体化设计提供了极大的方便。

3.伺服系统执行机构的发展

数控机床伺服系统的执行机构也有其自身的发展过程。由于传统的直流伺服电机响应时间长，性能远远不能满足数控机床的要求，所以最早的数控机床采用步进电机和液压扭矩放大器。后来功率型步进电机问世，开始直接用它驱动机床。如今，由于开环系统的应用日趋减少，因而步进电机在数控机床上的应用受到限制，主要用在精度要求不高、功率较小的经济型数控机床上。

日本首先研究成功了一种新型的小惯量直流伺服电机，其电气时间常数可以与液压伺服系统匹敌。特别是(1963年)大功率晶闸管(可控硅)整流器价格的大为下降，使得由价廉的晶闸管(可控硅)整流器驱动的小惯量直流伺服电机比液压伺服装置优越得多。于是20世纪60年代中期，不少机床制造厂在新设计的数控机床上普遍使用了小惯量直流伺服电机。

20世纪70年代，美国盖梯斯(GETTYS)公司首先研制成功了大惯量直流伺服电机，即通常所指的宽调速直流伺服电机。这种电机的峰值扭矩为额定扭矩的10～15倍，由于具有大的扭矩惯性比，大惯量直流伺服电机仍然具有与小惯量直流伺服电机相同的快速响应特性。这种电机的调速范围为0.1～2000r/min，可以直接与丝杠相连。而且克服了小惯量直流伺服机热容量小、过载时间不能太长的缺点，目前它已为许多数控机床所采用。