數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢

數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用了當(dāng)代最新科技成果而發(fā)展起來的新型機(jī)械加工機(jī)床，40年來，數(shù)控機(jī)床在品種、 數(shù)量、 加工范圍與加工精度等方面有了情人的發(fā)展同，大規(guī)模集成電路和重型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和完善，使數(shù)控機(jī)床的逐年下降，而精度和可靠性卻大提高。數(shù)控機(jī)床不僅表現(xiàn)為安生量迅速增長，而且在質(zhì)量、性能和控制方式上也有明顯改善。目前，數(shù)控機(jī)床正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。

1.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的發(fā)展

數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，完全根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令自動(dòng)進(jìn)行加工，不允許頻繁測量和進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償，這就要求機(jī)床結(jié)構(gòu)具有較高的靜剛度與動(dòng)剛度，同時(shí)要提高結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，提高機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的剛度并消除其中的間隙，消除爬行。這樣可以避免振動(dòng)、熱變形、爬行和間隙等影響，從而搞被加工工件的精度。

同時(shí)數(shù)控機(jī)床由普通數(shù)控機(jī)床向數(shù)控加工中心發(fā)展，加工中心可使多道工序集中在一臺機(jī)床上完成，減少了機(jī)床，壓縮了半成品庫存存量，減少了工序的輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

繼數(shù)控加工中心出現(xiàn)之后，又出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人（或工件交換機(jī)）和工件臺架組成的加工單元，工件的裝卸、 加工實(shí)現(xiàn)全自支化控制。

為實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)裝卸，以鏜銑床為基礎(chǔ)的數(shù)控加工中心可使用兩個(gè)交換工作臺。一個(gè)工作臺加工工件時(shí)，別一個(gè)工作臺由工人裝夾待加工的工伯，在計(jì)算機(jī)控制下，自動(dòng)地把待加工工伯送去加工，并自動(dòng)指卸下加工好的工件，工件由自動(dòng)輸送車搬動(dòng)。如果這種加工中心有較多的交換工作臺，便可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。這種形式的數(shù)控機(jī)床稱為柔性制造單元。

2.計(jì)算機(jī)控制性能的發(fā)展

目前，數(shù)控系統(tǒng)大都采用多個(gè)微處理器組成的微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，因而數(shù)控機(jī)床的功能大大增強(qiáng)。但隨著著人們對數(shù)控機(jī)床的精度和進(jìn)給速度要求進(jìn)一步提高，要求計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度就更高。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的16位CPU不涌滿意足這種要棣，所以國外各大公司競相開發(fā)32位微處理器的超高頻算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)更像通用的計(jì)算機(jī)，可以使用感觸盤作為外存儲器并且允許使用高級語言編程。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)還可含有可編程控制器，可完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的斷電器邏輯控制，取消了龐大的電氣控制箱。

3.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展

最早的數(shù)控機(jī)床采用步時(shí)宜電機(jī)和液壓轉(zhuǎn)矩入大器（又稱電液脈沖馬達(dá)）作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功率較大，可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使用方便，逐漸取代了電流脈沖馬達(dá)。

20世紀(jì)60年代初期，美國和歐洲采用液壓伺服系統(tǒng)。同期，日本首先研制出一種新型小慣直流伺服電機(jī)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不亞于液壓伺服系統(tǒng)，同時(shí)，用來驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的大功率晶閘管整流器的價(jià)格下降，所以在60年代中后期數(shù)控機(jī)床上普遍采用小慣量直流伺服電機(jī)。小慣量直流伺服電機(jī)最大的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須使用齒輪減速箱，為了省去齒輪箱，70年代，美國蓋梯茨公司首先研制成功了大慣量直流伺服電機(jī)，又稱寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，可以直接與機(jī)床的絲械相連。目前，許多數(shù)控機(jī)床都是使用大慣量直流伺服電機(jī)。

直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)常需要維修。80年代初期美國通用電氣公司成功研制出籠型異步交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有時(shí)快時(shí)電刷，避免了滑動(dòng)摩擦，盍?xí)r無火花，進(jìn)一步搞了可靠性，交流伺服電機(jī)也可以直接與滾珠絲杠相互連接，調(diào)整范圍與大尼量直流伺服電機(jī)相近。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美日近年生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的占80%以上，采用直流伺服電機(jī)的所占比例不足20%/楞以捍出，采用交流伺服電機(jī)的調(diào)整系統(tǒng)已以成為數(shù)控機(jī)床的主要調(diào)速方法。

4.自適應(yīng)控制

閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床，主要監(jiān)控機(jī)床和刀具的相對位置或移動(dòng)軌跡的精度。數(shù)控機(jī)床嚴(yán)格按照加工前編制的程序自動(dòng)進(jìn)行加工，但是有一些因素（例如，工件加工余量不一致，工件的材料質(zhì)量不均勻，刀具磨損等引起的切削的變化，以及加工時(shí)溫度的變化等），在編制程序時(shí)無法準(zhǔn)確考慮，往往根據(jù)可能出現(xiàn)的最壞情況估算，這樣就沒有充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的能力。如果能在加工過程式中，根據(jù)實(shí)際參數(shù)的變化值，自動(dòng)改變機(jī)床切削進(jìn)給量，使數(shù)控機(jī)床能適應(yīng)任一瞬時(shí)的變化，始妖冶保持在最佳加工狀態(tài)，這種控制方法叫自適應(yīng)控制方法，其工作過程式是通過各種傳感順測得的加工過程式中參數(shù)的變化信息，并傳送到自適應(yīng)控制器，與預(yù)先存儲的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，然后發(fā)出校正指令送到數(shù)控裝置，自動(dòng)修正程序中的有關(guān)數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)控制裝置為自自適應(yīng)挖掘提供了物質(zhì)條件，只要在傳感器檢測技術(shù)方面有所突破，數(shù)控機(jī)床的自適應(yīng)能力必將大大提高。

5.計(jì)算機(jī)群控

計(jì)算機(jī)群控可以簡單地理解為，用一臺大型通用計(jì)算機(jī)直接控制一群機(jī)訂，科稱DNC系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床群與計(jì)算機(jī)連接的方式不同，可以分為間接型和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三種不同方式。

間接型DNC是使用主計(jì)算機(jī)控制每臺數(shù)控機(jī)床，加工程序全存放在主計(jì)算機(jī)內(nèi)，加工伯件時(shí)，由主計(jì)算機(jī)將加工程序分別送到每臺數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中，每臺數(shù)控機(jī)床還保留插補(bǔ)運(yùn)算等控制功能。

在直接型DNC中，機(jī)床群中每臺機(jī)床不再安裝數(shù)控裝置，只有一個(gè)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和操作面板組成的機(jī)床控制器。加工過程所需要的插補(bǔ)運(yùn)算等功能全部集中，由主計(jì)算機(jī)完成。這種系統(tǒng)內(nèi)的任何一臺數(shù)控機(jī)床都不能脫離主計(jì)算機(jī)單獨(dú)工作。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)各個(gè)數(shù)控機(jī)床工作，最終可以將該系統(tǒng)與整個(gè)工廠的計(jì)算機(jī)邊成網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)較大的、較完整的制造系統(tǒng)。

6.柔性制造系統(tǒng)（FMS）

柔性制造系統(tǒng)是一種把自動(dòng)化加工設(shè)備、物流自動(dòng)化加工處理和信息流自動(dòng)處理融為一體的智能化加工系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后，柔性制造系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。

(1)加工子系統(tǒng)

根據(jù)工件的工藝要求，加工子系統(tǒng)差別很大。加工子系統(tǒng)由數(shù)控車床、數(shù)控端面外圓磨床、  數(shù)控車床、立式加工中心和臥式加工中心組成，五個(gè)加工單元配有四臺工業(yè)機(jī)器人，單元2還配有數(shù)控清洗機(jī)，該系統(tǒng)可以加工伺服電機(jī)的軸類、法蘭盤類、支架體類和殼體類等共14種零件。

(2)物流子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由自動(dòng)輸送小車、各種輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)器人、工件裝卸站、工件存儲工位、刀具輸入輸出夔刀庫等構(gòu)成。物流子系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下生動(dòng)完成刀具和工件的輸送工作。

(3)信息流子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由主計(jì)算機(jī)、分級計(jì)算機(jī)及其接口、外圍設(shè)備、各種控制裝置的硬件和軟件組成。信息流子系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的信息聯(lián)系，對系統(tǒng)進(jìn)行管理，確保系統(tǒng)的正常工作。對一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，只有通過計(jì)算機(jī)分組管理才能對系統(tǒng)進(jìn)行更有效的管理，保證在工作時(shí)各部分保持協(xié)調(diào)一致。

對FMS，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般分為三級：第一級為主計(jì)算機(jī)，又稱為管理計(jì)算機(jī)。管理計(jì)算機(jī)要根據(jù)調(diào)度作業(yè)命或命令根據(jù)現(xiàn)聲反饋信號（如故障、報(bào)警信號）運(yùn)行“作業(yè)高度軟件”，實(shí)現(xiàn)各種工況的作業(yè)調(diào)度計(jì)劃，并對下一級計(jì)算機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令；第二級為過程控制計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算機(jī)群控（DNC）、刀具管理計(jì)算機(jī)和工件管理計(jì)算機(jī)，其作用是接收主計(jì)算楊的指令，根據(jù)指令對下屬設(shè)備實(shí)施具體管理；第三級由各設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)具體的程序動(dòng)作。

信息流子系統(tǒng)由中央管理計(jì)算機(jī)、物流控制計(jì)算機(jī)、單元控制計(jì)算機(jī)、各數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人中的數(shù)控裝置及信息傳送網(wǎng)絡(luò)組成。