淺談數(shù)控機(jī)床的發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造技術(shù)的進(jìn)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)控機(jī)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)控機(jī)床作為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)其中的數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、程序編制、檢測(cè)監(jiān)控及機(jī)床主機(jī)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)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵。電子元器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)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(jì)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(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)、微處理器為核心的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)。現(xiàn)在，它已被廣泛采用并占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)

(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(zhǎng)增加至16位或32位，時(shí)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(jiǎn)指令集運(yùn)算芯片RSC作為CPU,使運(yùn)算速度得到進(jìn)一步提高。此外，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和多個(gè)微處理器的應(yīng)用，使數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和通用化，使數(shù)控功能可根據(jù)需要進(jìn)行組合和擴(kuò)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。此外，在數(shù)控系統(tǒng)中采用MAP等高級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或 Ethernet(以太網(wǎng)),為解決不同類型、不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(shè)置了很好的人機(jī)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(dòng)態(tài)立體圖形，使操作越來越簡(jiǎn)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(yán)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(shí)間(MTBF)達(dá)到10000~36000h。

(5)開發(fā)式體系。20世紀(jì)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(duì)外開放的，為數(shù)控設(shè)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(jìn)給伺服系統(tǒng)的發(fā)展。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它的電路、電動(dòng)機(jī)及檢測(cè)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(dòng)機(jī)逐漸取代了直流伺服電動(dòng)機(jī)，提高了電動(dòng)機(jī)的可靠性，降低了制造成本，基本上無須維修。

(2)伺服驅(qū)動(dòng)電路中的位置、速度和電流控制環(huán)節(jié)部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，甚至以單片機(jī)或高速數(shù)字信號(hào)處理器為硬件基礎(chǔ)進(jìn)行全數(shù)字化控制，與CNC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有雙向通信聯(lián)系。這樣避免了零點(diǎn)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(yīng)不同機(jī)械負(fù)載的要求，有的甚至可以自動(dòng)辨識(shí)負(fù)載慣量，并自動(dòng)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(dòng)態(tài)控制性能和效果。

(3)采用高速和高分辨率的位置檢測(cè)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(cè)編碼器達(dá)到10000脈沖/r,絕對(duì)式編碼器可以達(dá)到100000脈沖/r和0.01m/脈沖的分辨率。分辨率為0.1μm/脈沖時(shí)，位移速度可達(dá)240m/min,這極大提高了位置控制的精度，即機(jī)床的定位精度。

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

3、數(shù)控機(jī)床編程技術(shù)的發(fā)展

(1)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)編程系統(tǒng)除語言編程系統(tǒng)外，圖形編程也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，增加了自動(dòng)編程的手段。實(shí)物編程和語言編程也得到了發(fā)展。

(2)從脫機(jī)編程逐漸發(fā)展到在線編程。脫機(jī)編程是指由手工或編程計(jì)算機(jī)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)。現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力、很高的運(yùn)算速度和很大的存儲(chǔ)容量，可以將自動(dòng)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(jī)對(duì)話編程。有的數(shù)控系統(tǒng)還具有空間曲面插補(bǔ)功能，插補(bǔ)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(xué)模型，插補(bǔ)加工出曲面輪廓，極大地簡(jiǎn)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(shè)有與該機(jī)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(dòng)選擇最佳的工藝參數(shù)。

4、數(shù)控機(jī)床的工況檢測(cè)、監(jiān)控和故障診斷。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上裝有工件尺寸檢測(cè)裝置，對(duì)工件加工尺寸進(jìn)行定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)超差則及時(shí)發(fā)出報(bào)警或補(bǔ)償信號(hào)。紅外、超聲發(fā)射等監(jiān)控裝置可對(duì)刀具工況進(jìn)行監(jiān)控，遇有刀具磨損超標(biāo)或刀具破損時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)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(jī)診斷運(yùn)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(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)查找分類、顯示及報(bào)警，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)的故障。

5、采用功能很強(qiáng)的可編程控制器。對(duì)于數(shù)控機(jī)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(shè)計(jì)制造。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床廣泛采用內(nèi)裝型或獨(dú)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(shí)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(shí)，可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)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(jī)地結(jié)合起來，而且可以利用梯形圖( Ladder)的監(jiān)控功能，使機(jī)床的故障診斷和維修更加方便。

6、機(jī)床的主機(jī)。數(shù)控機(jī)床的主機(jī)也有很多新的發(fā)展。表現(xiàn)如下：

(1)主運(yùn)動(dòng)部件不斷實(shí)現(xiàn)電氣化的高速化。為了提高主運(yùn)動(dòng)的速度和調(diào)速范圍，減少機(jī)械傳動(dòng)鏈，除采用直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)和交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸部件外，近年來更有采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)的機(jī)床出現(xiàn)，將主軸部件做在電機(jī)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(dá)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(dòng)換刀裝置、自動(dòng)更換工件機(jī)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(jī)床；采用轉(zhuǎn)位主軸頭架，形成五面加工能力

(3)采用機(jī)電一體化和全封閉式結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床將過去與主機(jī)分離的數(shù)控裝置、強(qiáng)電控制裝置和液壓傳動(dòng)油箱等設(shè)備全部與主機(jī)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(dòng)排屑裝置，改善了加工環(huán)境和條件；采用氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu)以控制各種輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用集中的壓縮空氣動(dòng)力，以消除液壓泵的耗能、發(fā)熱和噪聲等缺陷。

(4)主機(jī)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(jī)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(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)，縮短機(jī)械傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度，減小噪聲，提高機(jī)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(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌及貼塑導(dǎo)軌等傳動(dòng)、導(dǎo)向元件，極大地提高了傳動(dòng)剛度，減小了摩擦阻力，從而提高了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性能。

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