數(shù)控機(jī)床發(fā)展及研究

王超

摘要：裝備制造業(yè)是國(guó)家工業(yè)的基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。隨著電子技術(shù)與控制技術(shù)的興起和不斷成熟，數(shù)控技術(shù)對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用。當(dāng)今數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域正在朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、高可靠性等方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)控裝備；發(fā)展趨勢(shì)

前言

數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字、符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它是自動(dòng)化、柔性化、敏捷化和數(shù)字化制造加工等現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)，也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床作為一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。

1 .發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1952年，在美國(guó)誕生第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。由于早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求，因此人們通過采用數(shù)字邏輯電路組成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，稱為硬件連接數(shù)控，簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。至1970年，由于通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)，于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。至1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，雖然早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。至1990年，PC機(jī)的性能高度發(fā)展，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。

我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于20 世紀(jì)50 年代。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段?，F(xiàn)已基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，初步形成了自主數(shù)控產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)品的性能經(jīng)不斷改進(jìn)有了較大的提高。但由于數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)自主創(chuàng)新能力不足尚且無法與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，因此仍然與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定的差距。

2. 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、強(qiáng)電控制柜、機(jī)床本體和各類輔助裝置組成。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。其中，數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它能夠從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯，運(yùn)算處理后，輸出幾種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。

在使用數(shù)控機(jī)床時(shí)，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序； 然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、 分配，使各坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。

3 .發(fā)展趨勢(shì)

3.1 高速化、高精度化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障。促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備隨著工業(yè)的高速發(fā)展以及新材料的應(yīng)用，對(duì)加工的高速化要求越來越高。其主要方面體現(xiàn)在：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、運(yùn)算速度、換刀速度等方面。同時(shí)，由于先進(jìn)理論的研發(fā)以及高分辨率位置檢測(cè)裝置采用的應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來越獲得重視。并通過提高CNC系統(tǒng)控制精度、采用誤差補(bǔ)償技術(shù)等技術(shù)提高精度。

3.2 功能復(fù)合化

復(fù)合機(jī)床根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。通過采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場(chǎng)反應(yīng)能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.3 控制智能化

隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。

3.4 設(shè)計(jì)、制造綠色化

綠色設(shè)計(jì)是在不犧牲產(chǎn)品功能、質(zhì)量和成本的前提下，系統(tǒng)考慮產(chǎn)品開發(fā)、制造及其活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，從而使得產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小，資源利用率最高。而綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，通過綠色生產(chǎn)過程生產(chǎn)出綠色產(chǎn)品。隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，尤其是國(guó)內(nèi)改革開放以來工業(yè)化程度的加快，所帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)的呼聲越來越高，環(huán)保問題已經(jīng)成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的制約因素之一。數(shù)控機(jī)床作為裝備制造業(yè)的核心，能否順應(yīng)環(huán)保趨勢(shì)，加大綠色設(shè)計(jì)與制造的研制，將是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要要素之一。

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