淺談數控機床的發展
隨著科學技術的發展和制造技術的進步，產品質量和品種多樣化的要求日益提高，中、小批生產的比例明顯增大，促使數控機床不斷向著高效率、高質量、高柔性和低成本的方向發展。另外，數控機床作為柔性制造單元、柔性制造系統及計算機集成制造系統的基礎設備，對其中的數控裝置、伺服驅動系統、程序編制、檢測監控及機床主機等組成部分提出了更高的要求。
1、數控系統的發展。數控系統的發展是數控技術和數控機床發展的關鍵。電子元器件和計算機技術的發展推動了數控系統的發展。最初的數控系統使用電子管器件，后來使用晶體管和印制電路板，20世紀60年代末期開始使用小規模集成電路器件，這些都是所謂的硬線數控系統。20世紀70年代以來，隨著計算機技術的發展，出現了以小型計算機、微處理器為核心的計算機數控系統(CNC)。現在，它已被廣泛采用并占據******的優勢
(1)數控系統的中央處理器。數控系統的中央處理器(CPU)已由8位字長增加至16位或32位，時鐘頻率由2MHz提高到16MHz、20MHz或32MHz,最近還出現了64位CPU,并且開始采用精簡指令集運算芯片RSC作為CPU,使運算速度得到進一步提高。此外，大規模、超大規模集成電路和多個微處理器的應用，使數控系統的硬件結構標準化、模塊化和通用化，使數控功能可根據需要進行組合和擴展。
(2)數控系統配備有多種遙控和智能接口。接口如RS-232C串行接口、Rs-422高速遠距離串行接口及DNC接口等。配備DNC接口的數控系統，可以實現幾臺數控機床之間的數據通信，也可以直接對幾臺數控機床進行控制。此外，在數控系統中采用MAP等******工業控制網絡或 Ethernet(以太網),為解決不同類型、不同廠家生產的數控機床的聯網和數控機床進入FMS和CMS等制造系統創造了條件。
(3)數控系統具有很好的操作性能。數控系統上設置了很好的人機界面，普遍采用薄膜按鍵，減少了指示燈和按鍵數量；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，還能顯示三維動態立體圖形，使操作越來越簡便。
(4)數控系統的可靠性大大提高。數控系統大量采用了高集成度芯片、專用芯片及合成集成電路，減少了元器件數量。電子元器件采用表面安裝工藝(SMT),出現了三維高密度安裝。元器件經過嚴格篩選，提高了硬件質量，降低了功耗，極大地提高了系統的可靠性，使數控系統的平均無故障時間(MTBF)達到10000~36000h。
(5)開發式體系。20世紀80年代末、90年代初出現的CNC系統的結構硬件、軟件和總線規范均是對外開放的，為數控設備制造廠家和用戶二次開發具有各自技術特色的系統提供了有力的支持。
2、進給伺服系統的發展。進給伺服系統是數控機床的重要組成部分，它的電路、電動機及檢測裝置等的技術都有極大的提高。
(1)永磁同步交流伺服電動機逐漸取代了直流伺服電動機，提高了電動機的可靠性，降低了制造成本，基本上無須維修。
(2)伺服驅動電路中的位置、速度和電流控制環節部分實現了數字化，甚至以單片機或高速數字信號處理器為硬件基礎進行全數字化控制，與CNC系統的計算機有雙向通信聯系。這樣避免了零點漂移，提高了位置與速度控制的精度和穩定性；由于采用軟件控制，故系統可以引用多種控制策略，容易改變系統的結構和參數，以適應不同機械負載的要求，有的甚至可以自動辨識負載慣量，并自動調整和優化系統的參數，從而獲得******的靜態和動態控制性能和效果。
(3)采用高速和高分辨率的位置檢測裝置組成半閉環和閉環位置控制系統。增量式位置檢測編碼器達到10000脈沖/r,******式編碼器可以達到100000脈沖/r和0.01m/脈沖的分辨率。分辨率為0.1μm/脈沖時，位移速度可達240m/min,這極大提高了位置控制的精度，即機床的定位精度。
(4)進給伺服系統不但可以實現絲杠螺距誤差的補償，而且使熱變形誤差補償和間誤差補償取得了顯著的成效。綜合誤差補償技術的應用可以將加工誤差減小60%左右。
3、數控機床編程技術的發展
(1)數控機床的自動編程系統除語言編程系統外，圖形編程也取得了長足的發展，增加了自動編程的手段。實物編程和語言編程也得到了發展。
(2)從脫機編程逐漸發展到在線編程。脫機編程是指由手工或編程計算機系統完成程序編制，然后再通過輸入裝置輸入到數控系統內。現代的CNC系統具有很強的運算能力、很高的運算速度和很大的存儲容量，可以將自動編程的很多功能植入到數控系統里，使零件的加工程序可以在數控系統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對話編程。有的數控系統還具有空間曲面插補功能，插補軟件可根據存放在數控系統內的空間曲面數學模型，插補加工出曲面輪廓，極大地簡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，數控系統不僅可以處理幾何信息，還可以處理工藝信息，數控系統內設有與該機床加工工藝相關的小型工藝數據庫或專家系統，系統可以自動選擇******的工藝參數。
4、數控機床的工況檢測、監控和故障診斷。現代數控機床上裝有工件尺寸檢測裝置，對工件加工尺寸進行定期檢測，發現超差則及時發出報警或補償信號。紅外、超聲發射等監控裝置可對刀具工況進行監控，遇有刀具磨損超標或刀具破損時，系統能及時報警，以便調換刀具，從而保證加工產品的質量。
目前，CNC系統中已經采用了開機診斷運行診斷通信診斷和專家診斷系統等故障自診斷技術，對故障進行自動查找分類、顯示及報警，以便于及時發現和排除系統的故障。
5、采用功能很強的可編程控制器。對于數控機床輔助功能的控制，以前都采用繼電器邏輯硬件電路，而且要由用戶設計制造。現代數控機床廣泛采用內裝型或獨立型可編程控制器PC( Programmable Controller),它有專用的32位微處理器，基本指令執行時間是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，可以在個人計算機的開發環境下工作。利用PC的高速處理功能，使CNC與PC有機地結合起來，而且可以利用梯形圖( Ladder)的監控功能，使機床的故障診斷和維修更加方便。
6、機床的主機。數控機床的主機也有很多新的發展。表現如下：
(1)主運動部件不斷實現電氣化的高速化。為了提高主運動的速度和調速范圍，減少機械傳動鏈，除采用直流調速電動機和交流變頻調速電動機驅動主軸部件外，近年來更有采用內裝式主軸電動機的機床出現，將主軸部件做在電機轉子上，從而大大提高了主軸轉速，主軸轉速******可達10000-1000ymin,而且僅用1.8s即可從零升到******轉速。
(2)增加加工功能。集中工序可以提高生產率和工件的形位精度。例如，采用自動換刀裝置、自動更換工件機構、數控夾具等，開發出銑鏜加工中心、車削加工中心等機床；采用轉位主軸頭架，形成五面加工能力
(3)采用機電一體化和全封閉式結構。數控機床將過去與主機分離的數控裝置、強電控制裝置和液壓傳動油箱等設備全部與主機合為一體，使結構緊湊，減少管線，減小占地面積；零件加工區域完全封閉在可以窺視的罩殼內，并采用自動排屑裝置，改善了加工環境和條件；采用氣動、液壓機構以控制各種輔助運動機構，利用集中的壓縮空氣動力，以消除液壓泵的耗能、發熱和噪聲等缺陷。
(4)主機的大件采用焊接結構和合理的結構形式，可在減輕機床自重的情況下，獲得極高的結構剛度和抗震性。采用無級調速電動機，縮短機械傳動鏈的長度，減小噪聲，提高機械效率。采用低摩擦阻力的滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導軌、靜壓導軌及貼塑導軌等傳動、導向元件，極大地提高了傳動剛度，減小了摩擦阻力，從而提高了進給運動的動態響應性能和低速運動的平穩性能。
