数字控制机床原理与结构分析——数字控制机床组成

  对于按数控功能的水平分类方法，目前尚无明 确定义，因此，涵义也不十分清楚。这种分 类方法没有一个确切定义，但可以给人们一 个清晰的一般水平概念，可将数字控制机床分为 高、中、低档三类。

  数控机床水平高低由主要技术参数、功能指标 和核心部件的功能水平决定。下列几个维度 可作为评价数字控制机床档次的参考条件。

  带有自动刀具交换装置（ Automatic Tool change－ATC ）的数 控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心 （ Machine Center－MC ）。它通过刀具的自动交换，可以 一次装夹完成多工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合， 从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了零件安 装、定位次数，提高了加工精度。

  1959 年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广 泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入第二代数控。同时美 国航空工业协会（ AIA ）和麻省理工学院发展 APT 程序语 言。

  1960 年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展，数控技术不 仅在机床上得到了实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线 机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序 编制方面，已由手工编程慢慢地发展到采用计算机自动编程。 除了 APT 数控语言外，又发展了许多自动编程语言。

  1967 年，英国首先把几台数字控制机床联接成具有柔性的加工系统， 这就是最初的 FMS（ Flexible Manufacturing system － 柔性制造系统）。之后，美、欧、日也相继进行开发与应 用．随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。 小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软 件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统 （ CNC ）。

  1949 年作为这一方案的主要承包者的帕尔森斯公司，正式接受美 空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室（ Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology ）的协助下，开始从事数字控制机床的研制工作。 经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界第一台数控机 床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐 标连续控制铣床（ Cincinnati Hydromel ) ，这便是数控的 第一代。

  在 FMC 和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业 机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、 统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统 （ Flexible Manufacturing System－FMS ）。

  从 1960 年开始，德国、日本等先进工业国家都陆续开发、生产 及使用了数字控制机床。

  1965 年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使 数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。

  以上三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统。装有这 类数控系统的机床为普通数控机床（ 简称 NC 机床 ）。

  1953 年，美空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编 程的研究，这就是创制 APT ( Automatically Programmed Tools ）自动编程系统的开始。

  1955 年，美空军花费巨额经费订购了大约 100 台数控机床， 此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段，市场上出现 了商品化数控机床。 1958 年，美国克耐·杜列克公司 （ Kearney & Trekker Co . ）在世界上首先研制成功带自 动换刀装置的数控机床，称为“加工中心” 。

  2.1．数控机床的组成分类 2.2．数控机床的电气控制管理系统 2.3．国内外数控机床的现状 2.4．数字控制机床的发展趋势 复习与思考题

  数字控制机床是一个装有程序控制系统的机床。该 系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他 符号编码指令规定的程序。

  （1）点位控制的数字控制机床 （2）直线）轮廓控制的数字控制机床 ① 平面轮廓加工的数字控制机床 ② 空间轮廓加工的数控机床

  （1）开环控制数控机床 （2）闭环控制数控机床 （3）半闭环控制数控机床

  我国数控机床的现状可以从应用和生产两个方面来看，在“七五” 与“八五”两个五年计划期间、数控机床的水平与产量均有令 人瞩目的提高。“九五”及“十五”期间更有明显地增长， 2007年，我国生产数控机床将达到100000多台，比2000年 的14000台增长723.1％，高精度机床和大型机床也分别增长 了192％和147.18％，而1992年数控机床只有4200多台。 10多年间，我国数控机床增长了20倍，在数控机床的品种看， 普及型数控机床所占比例从1992年的10％增长到2006年的 38.2％。

  现在，我国已建立了以中、低档数控机床为主的产业体系，一些较 高档次的数控系统，如 5 轴联动的数控系统、分辨率为 0.01μm 的高精度车床用数控系统、数字仿型的数控系统、为 柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出样 机。

  2.4.1．高速、高效、高精度与高可靠性 2.4.2．复合化、多轴化、柔性化、网络化、智

  1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系 统，称为第四代数控。而由计算机直接对许多机床进行控制 的控制管理系统，称为直接数控系统（ DNC ）。

  1970 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974 年 美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近 20 年来，微处理机数控系统的数字控制机床得到了飞速发展和广泛应 用，这就是第五代数控系统（ MNC ）。

  1．按工艺用途分类 （1）金属切削类数字控制机床 （2）金属成型类数控机床 （3）特种加工及其它类型数字控制机床

  为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不 仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市 场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销 售的全面自动化。将这些要求综合，构成的完整的生 产制造系统，称为计算机集成制造系统（ computer Integrated Manufacturing system－ CIMS ）,CIMS将一个工厂的生产、经营活动进行了 有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生 产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

  2.1.1．数字控制机床的控制技术 2.1.2．数字控制机床组成 2.1.3．数字控制机床的分类

  数字控制机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、 锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数字控制机床等等，凡 是采用了数控技术进行控制的机床统称 NC 机床。