日本数控机床和德国数控机床

第1章　数控机床的基本知识

1.1　数控机床的发展

随着科学技术的飞速发展，机械产品日趋复杂，社会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。在航空航天、造船、军工和计算机等工业中，零件的精度高、形状复杂、批量小、经常改动、加工困难、生产效率低、劳动强度大，质量难以保证。机械加工工艺过程的自动化和智能化是适应上述发展特点的最重要手段。为解决上述问题，一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备——数控机床应运而生。

1.1.1数控机床发展简史

数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速，松夹工件，进刀和退刀，开车与停车，自动开停冷却液等）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需的工件。数控机床的诞生和发展，有效地解决了一系列生产上的矛盾，为单件、小批量精密复杂零件的加工提供了自动化加工手段。

1952年3月，美国帕森斯公司和麻省理工学院合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，可作直线插补，用于火箭零件的制造。在此之后，其他一些国家，如德国、英国和日本都相继开发、生产及使用数控机床。

1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速发展。点位控制的数控系统比轮廓控制的数控系统简单得多。因此，数控钻床、数控冲床、数控镗床得到了发展。

1959年，美国Keaney＆Treckre公司开发成功了具有刀库、刀具交换装置、回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个面进行多工序加工，如进行钻孔、铰孔、攻螺纹、镗削、平面铣削等加工。至此，数控机床的新一代类型——加工中心（Machine　Center）诞生了，并成为当今数控机床发展的主流。

1974年，微处理器直接应用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和发展。

20世纪80年代初，出现了以1台（或2～3台）加工中心或车削中心为主体，配上工件自动装卸和监控检验装置的所谓柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）。FMC可以集成到柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）或更高级的集成制造系统中使用。当前，FMS正从切削加工向板材冷加工、焊接、装配等领域扩展。FMC和FMS是实现计算机集成制造系统（Computer　Integrated　Manufacturing　System，CIMS）的基础。

现代数控系统是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联结，称为计算机控制（Computer　Numerical　Control，CNC）系统，这样的机床一般称为CNC机床。

总之，数控机床是数字控制技术与机床相结合的产物，从狭义的方面看，数控一词就是“数控机床”的代名词；从广义的范围来看，数控技术本身在其他行业中有更广泛的应用，称为广义数字控制。数控机床就是将加工过程的各种机床动作，用数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入的数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件，其过程如图1－1－1所示。

图1－1－1　数控加工流程

1.1.2数控机床的发展趋势

目前，世界各工业发达国家都把机械加工设备的数控化率作为衡量一个国家工业化水平的重要标志，竞相发展数控技术。许多国家通过制定特殊的产业政策，从产业组织结构、设备折旧制度、技术攻关和人才培训等方面引导数控技术的发展。近年来，数控机床的发展特点表现在以下几个方面。

（1）数控系统的硬件走向通用化、模块化和标准化

美国近年来正在开发的NGC（Next　Generation　Controllers，下一代控制器）数控系统是个开放式系统，其基本模块做成通用的、标准的、系列化的产品。数控系统的开发人员可在NGC标准规范指导下，采用不同厂家的软、硬件模块，组成不同档次的数控系统，以适应各类机床的CNC系统。

（2）利用计算机的软件资源提高数控系统的性能

随着微型计算机的广泛应用，大量的应用软件极大地丰富了以通用微机为基础的系统控制功能，一些新技术（如多媒体技术、容错技术、模糊控制技术、人工智能技术等）逐渐被新一代数控系统采用，主要有:

①人工智能图形会话编程，可进行特征造型和工艺数据库基础上的自动编程；

②引入故障诊断专家系统，实现完善的自诊断和故障监控功能；

③完善的误差补偿功能，包括空间几何误差补偿、零点误差补偿、夹具位置误差补偿；

④刀具寿命管理及刀具破损综合检测功能等。

（3）新一代伺服驱动装置上大量采用新技术

①智能化交流伺服驱动装置。

②无刷直流伺服电机及驱动系统。

③双励磁绕组同步电机及其控制装置，这种电机的矢量控制调速系统比交流电机的调速系统简单得多，其动、静态特性也优于交流调速系统。

1.2　数控机床的构成

现代计算机数控机床由程序、输入输出装置、计算机数控装置、可编程控制器、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图1－1－2。

图1－1－2　数控机床的组成

在数控机床上加工零件时，首先根据零件图纸上的零件形状、尺寸和技术要求，确定加工工艺，然后编制出加工程序。程序必须存储在某种介质上，如纸带、磁带或磁盘等。

1.2.1输入输出装置

存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。输入、输出装置是机床与外部设备的接口，目前输入输出装置主要有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。

1.2.2数控装置

数控装置是数控机床的核心，它接受输入输出装置送到的数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。

数控装置一般有专用数控装置和通用数控装置两种类型。

专用数控装置:专用数控装置简称NC数控装置，它是根据零件加工功能的要求，采用专用硬接线逻辑电路的方法构成的控制装置。

通用数控装置:通用数控装置简称CNC数控装置，它是由一台小型或微型计算机作为控制硬件，再配以适当的接口电路构成的数控装置。将预先设计调试好的控制软件存入计算机内，以实现数控机床的控制逻辑和各种控制功能，只要改变控制软件就可改变控制功能。因此这种数控装置的灵活性和通用性很强，现代数控系统大都采用这种数控装置。

1.2.3伺服系统

伺服系统包括伺服驱动电机、伺服驱动元件和执行机构等，它是数控系统的执行部分。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。每一个脉冲信号使机床移动部件的位移量叫作脉冲当量（也叫最小设定单位）。常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。常用伺服驱动元件有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服电机等。

1.2.4检测反馈系统

检测反馈装置的作用对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测，把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算出实际位置与指令位置之间的偏差，并发出纠正误差指令。测量反馈系统可分为半闭环和闭环两种系统。半闭环系统中，位置检测主要使用感应同步器、磁栅、光栅、激光测距仪等。

1.2.5机床主体

机床主体是加工运动的实际机械部件，主要包括:主运动部件，进给运动部件（如工作台、刀架），支承部件（如床身、立柱等），冷却、润滑、转位部件，夹紧、换刀机械手等辅助装置。

1.3　数控机床的工作原理

在数控机床上，工件加工的全过程是由数字指令控制的，在加工前要用指定的数字代码按照工件图样编制出程序，制成控制介质，输入到数控机床中，使之按指令自动加工工件，如图1－1－3。

图1－1－3　数控机床的工作原理

在数控机床上加工零件经过以下步骤:

1.3.1准备阶段

根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等），根据工艺方案、夹具选用、刀具类型选择等确定有关其他辅助信息。

1.3.2编程阶段

根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序，并填写程序单，程序就是对加工工艺过程的描述。

1.3.3准备信息载体

根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘等）上，信息载体上存储着加工零件所需要的全部信息。目前，随着计算机网络技术的发展，可直接由计算机通过网络与机床数控系统通信。

1.3.4加工阶段

当执行程序时，机床CNC系统将程序译码、寄存和运算，向机床伺服机构发出运动指令，以驱动机床的各运动部件，自动完成对工件的加工。

1.4　数控机床的加工特点

1.4.1加工精度高、加工质量稳定

数控机床的机械传动系统和机构都有较高的精度、刚度和热稳定性；数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，零件的加工精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差。所以数控机床的加工精度高，加工误差一般能控制在0.005～0.01mm之内，而且同一批零件的加工一致性好，加工质量稳定。

1.4.2加工生产效率高

数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以能选择较大的、合理的切削用量，并自动连续完成整个切削加工过程，能大大缩短机动时间。目前数控机床最高进给速度可达到100m/min以上。一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的3倍，甚至更高。数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%～50%。

1.4.3减轻劳动强度，改善劳动条件

数控机床的加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其他的机床动作都是按加工程序要求自动连续地进行切削加工，操作者不需进行繁重的重复手工操作。所以能减轻工人劳动强度，改善劳动条件。

1.4.4对零件加工的适应性强、灵活性好

数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可按对加工零件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂的零件。

1.4.5有利于生产管理

数控机床加工，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化刀、夹、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数字信息的标准代码输入的，有利于与计算机联结，构成由计算机来控制和管理的生产系统。

具体如表1－1－1所示。

表1－1－1　数控机床与普通机床的比较

1.5　数控机床的分类

数控机床品种繁多，根据数控机床的功能和组成，从如下不同角度进行分类。

1.5.1按控制运动的方式分类

1.5.1.1点位控制数控机床

点位控制数控机床的数控装置控制刀具从某一位置向另一目标点位置移动，对两点间的移动速度和运动轨迹没有严格要求但最终能准确到达目标点位置的控制方式。点位控制的数控机床，刀具在移动过程中不进行加工，而是做快速空行程定位运动，如图1－1－4所示。

采用点位控制的有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。

1.5.1.2直线控制数控机车床

这类机床不仅要控制点的准确定位，而且要求刀具（或工作台）以一定的速度沿与坐标轴平行的方向进行切削加工，如图1－1－5所示。

图1－1－4　点位控制系统

图1－1－5　直线控制系统

采用直线控制的有简易数控车床、数控镗床等。

1.5.1.3连续控制数控机床

连续控制系统又称轮廓控制系统，该系统对刀具相对于零件的运动轨迹进行连续控制，以加工任意斜率的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线。

这类机床能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求，如图1－1－6所示。

该类机床有数控铣床、数控磨床、加工中心等。

图1－1－6　轮廓控制系统

1.5.2按伺服系统分类

1.5.2.1开环控制系统

开环控制系统是指不带反馈的控制系统，即系统没有位置反馈元件，通常用步进电机或电液伺服电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环行分配器和驱动电路，使步进电机或电液伺服电机转过一个步距角。再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为工作台的直线移动，如图1－1－7所示。

在开环控制中，机床没有检测和反馈装置，数控装置发出的信号是单向的。同时它不能纠正伺服系统的误差，所以这类机床的加工精度不高。但是这类系统结构简单、调试方便、工作可靠、稳定性好、价格低廉，因此被广泛用于精度要求不太高的经济型数控机床上。

图1－1－7　开环控制系统

1.5.2.2闭环控制系统

闭环控制系统的工作原理是当数控装置发出位移指令脉冲，经电机和机械传动装置使机床工作台移动时，安装在工作台上的位置检测器就把机械位移变成电能量，反馈到输入端与输出信号比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，如图1－1－8所示。

与开环不同的是，闭环控制增加了比较电路和反馈装置，闭环可以消除伺服机构中出现的误差，从而提高机构精度。因此，在数控机床上得到了广泛的应用，特别是在精度要求高的大型和精密机床上应用十分广泛。这类机床的特点是精度高、速度快，但是调试和维护比较复杂，价格较贵，系统稳定性是这类机床的主要问题。

图1－1－8　闭环控制系统

1.5.2.3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测量装置（如感应同步器和光电编码器等），通过检测丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图1－1－9所示。

图1－1－9　半闭环控制系统

这类系统的加工精度低于闭环控制系统，但其调试较容易，稳定性也好，在生产中应用得相当普遍。

1.5.3按工艺用途分类

数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，各种类型的数控机床基本上起源于同类型的普通机床，按工艺用途分可以大致如下:

（1）数控车床（NC　Lathe）；

（2）数控铣床（NC　Milling　Machine）；

（3）加工中心（Machine　Center）；

（4）数控钻床（NC　Drilling　Machine）；

（5）数控镗床（NC　Boring　Machine）；

（6）数控齿轮加工机床（NC　Gear　Holling　Machine）；

（7）数控平面磨床（NC　Surface　Grinding　Machine）；

（8）数控外圆磨床（NC　External　Cylindrical　Machine）；

（9）数控轮廓磨床（NC　Contour　Grinding　Machine）；

（10）数控工具磨床（NC　Tool　Grinding　Machine）；

（11）数控坐标磨床（NC　Jip　Grinding　Machine）；

（12）数控电火花加工机床（NC　Diesinking　Electric　Discharge　Machine）；

（13）数控线切割机床（NC　Wire　Electric　Discharge　Machine）；

（14）数控激光加工机床（NC　Laser　Beam　Machine）；

（15）数控冲床（NC　Punching　Press）；

（16）数控超声波加工机床（NC　Ultrasonic　Machine）；

（17）其他（如三坐标测量仪等）。

其中，加工中心、数控激光加工机床等新型加工设备的出现，与传统的普通机床有明显差别，带来一些新特点。随着数控技术的发展，数控机床在多功能、高精度、良好的加工能力方面会有较大的发展，同时带来了数控机床种类的更新与多样化。

1.5.4按数控装置的功能水平分类

低档数控机床:又称经济型数控机床，一般由单板机与步进电机组成，功能简单，价格低。其技术指标常为:脉冲当量0.01～0.005mm，快进速度4～10m/min，开环步进电动机驱动，用数码管或简单CRT显示，主CPU一般为8位或16位。

中档数控机床:其技术指标常为:脉冲当量0.005～0.001mm，快进速度15～24m/min，伺服系统为半闭直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可显示字符和图形，人机对话，自诊断等，主CPU一般为16位或32位。

高档数控机床:其技术指标通常为:脉冲当量0.001～0.0001mm，快进速度24～100m/min，伺服系统为闭环的直流或系统伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还是有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。

1.5.5数控机床的型号编制

1.5.5.1以机床的通用特性代号表示

根据GB/T　15375—2008，金属切削机床型号编制方法的规定，在类代号之后加字母K、H表示。其中K表示数控（读控），H表示加工中心（自动换刀读换）。CK6130表示数控车床，XK5025表示数控铣床，XH714表示铣削类加工中心，CJK6153表示经济型数控车床。

1.5.5.2英文的含义表示

以英文字母的缩写表示，如VMC40表示立式加工中心。VMC为立式加工中心的英文缩写。FMC－1000表示柔性制造单元。

1.5.5.3以企业名称的拼音字母表示

如ZK400表示镇江机床厂生产的数控机床，ZHS－K63表示大连组合机床研究所生产的数控机床。

1.5.6数控机床上用的常用数控系统简介

1.5.6.1日本FANUC系统

FANUC系统是最成功的CNC系统之一，具有高可靠性及完整的质量控制体系，故障率低，操作简便，易于故障诊断和维修，在我国市场的占有率是最高的。FANUC现有OD系列、OC系列、Power　mate系列、Oi系列。其中O－TD用于车床，O－MD用于铣床及小型加工中心。如果仅仅是用于一般的数控车床，订购O－TD系统较为合理，如果增加一些特殊功能，那么就要选择O－TC或更高一级的系统。如果用在配置低档的数控车床上，选择Power mate　O较为经济。

1.5.6.2德国SIEMENS系统

SIEMENS是欧洲生产数控系统的主要厂家，目前推出的控制系统主要是840D、810D、840C、802S、802C、802D等。SIEMENS系统采用模块化结构设计，经济性好，具有优良的使用性，并有与上一级计算机通信的功能，易于进入柔性制造系统，编程简单，操作方便。

1.5.6.3法国NUM系统

该系统主要有1020、1040、1050、1060系列，NUM系统考虑到数控系统和外部的联系方便，把与外界联系的所有功能模块做成可插接的小模块，便于用户将来的维护，具体分为轴模块、光纤处理模块、内存模块、电源模块等等。

1.5.6.4美国Allen－Bradley系统（简称A－B系统）

该系统主要有8200、8400系列。A－B系统采用模块化结构，扩展性好，备有特殊的服务软件，可调整机车参数，带有内装的PLC。

1.5.6.5其他系统

目前国内所用的进口系统还有日本的三菱系统、西班牙的FAGOR系统等。国内系统主要有北京数控设备厂（BESK）的BS系统、沈阳系统、广州系统、华中系统及辽宁精密仪器厂的LJ系统。