数控机床的发展与展望

1、数控机床的发展与展望第一节 数控机床的发展趋势 本章通过介绍数控技术近期来的一些新技术，展望数拌机床的发展趋势。 笫一次工业革命是以蒸汽机为代表的动力革命；第二次工业革命，是以电子计算机为代表的信息革命。第一次工业革命是人的体力的放大；第二次工业革命是人的智力的放大。 电子计箅机代替了人的部分脑力劳动，成千上万倍地放大了人的智力，使人的体力的放大与智力协调起来，使生产的发展有了一次新的飞跃。 第二次工业革命在机械方面的突出标志之一是数控机床的研制成功和广泛应用。国际生产技术会议（CIPP）调査了今后二十五年加工技术的发展动向，认为到1990年有50%的机床将实现数控，到2000年可实观生产过程

2、的全面自动化。 数控技术目前在世界各工业闻家发展极为迅速，其原因一方面与各国熟练工人日渐短少、人事费用高昂、商品改型频繁的背景有关，但主要的还是由于科学技术和社会生产的耑要，同时还因数控技术正在迅速克服它本身存在的影响其发展的两个最大障碍：稳定性差和价格高。 大规模集成电路和微处理机的应用，是目前数控技术的重要特点，它们使稳定性和价格的问题都得到不同程度的解决。尤其是使用微处理机的数控装罝，一般情况下可比同等机能的普通数控装置元件数量大为减少。如以数控车床用的数控装置为例，印刷线路板可以分立元件的280块减少到2块，线头、焊点也大为减少，从而使价格大幅度下降，稳定性大大提高。 而目前数控机床发

3、展的总的趋势是，一方面发展机能齐全、自动化程度髙的数控机床，以促进社会生产实现全自动化，另一方面是普遍推广简易数控技术，以加速现有生产体系的改造。第二节 简易数控 简易数控包括两种不同的概念和内容，一种是部分运用了数控技术以改造普通机床的简易数控机床，另一种是进一步简化了数控编程手续和控制装置的简易数控装置。一、简易数控机床 所谓简易数控机床，就是它的主要加工机能具备了数字控制的基本功能，能自动完成主要加工任务，而其它的一些辅助机能则不一定都是自动完成的，可以在工作人员操纵下完成。例如在车床上车削台阶轴，它的主要加工内容是车外圆、端面及倒45角。针对这类零件的简易数控车床，只要能对刀具的纵向、

4、横向两个座标方向及纵横合成的45方向的直线运动进行数字控制就行了，而对主轴变速、进给变速和换刀.等辅助动作，则可不考虑数字控制。 简易数控机床由于控制系统简单，机床原有结构变动量少，成本低廉，制造轾易，操作简便，因而推广价值很大。国内外许多资料表明，许多老机床改装为简易数控机床或加上数控装置后，不但提高了效率，降低了劳动强度，而且还提高了机床精度。因此，可以认为，这是各种普通机床的改装和自制简易专用设备的一个方向。_二、简易数控装置 数控技术有很多优点，但受数控系统调整和编程工作的影响，机床利用率受到一定限制，并需配备专人编制程序，这也是影响数控技术广泛使用的重要原因之一。为解决上述问题，一方

5、面需加强程序的自动化编制工作，另一途径就是发展节省编程手续的简易数控装置。近年来，各种类型的简易数控装置发展很快。 顺序控制器(Sequential controller)和可编程序控制器（Programmable controller)是引起人们越来越重视的一种简易数控装置。它们本身还不是一个计箅装置，而是一种带有可编程序的工业控制装置。它的输入信息可以来自极限开关、微动开关的触点和按钮等，输出信号可以是直接控制接触器、启动器和其它动力控制器的触点，也可以是电磁线圈、指示器等的交、直流信号。 采用凸轮或同步马达驱动的鼓形开关来提供逻辑功能的，称为固定式顺序控制器；采用矩阵插销板等在一定范围内

6、变动顺序及内容的，称为半固定式顺序控制器；采用磁芯存储器或集成电路存鍺器的装置，有准计算机能力而且顺序可变的，则称为可编程序控制器。这类控制装置，由于其控制功能可按照不同的工业用途灵活可变地编程，且具有编程简单、工作可靠、处理能力强，安装和维护容易，体积小和可向外扩展等特点，已被广泛用于自动生产线，专用机床以及其它各种工业设备的控制系统，很有替代传统的继电器同定程序方式的有触点控制系统的趋势。 近来，国外某些简易数控系统又开始釆用小型盒式磁带机，作为程序输入装罝。这种装置可以由操作人员直接通过控制台上的拨码开关或数字按键，手动输入数据进行操作，也可以通过录返控制方式进行操作。所谓录返方式，即加

7、工第一个工件时，由操作人员进行手工操作，与此同时磁带机录出全部操作程序与进给数值，当加工其余工件时，就由录在磁带上的程序自动操纵机床。如在加工中发现加工程序、零件尺寸、位移距离等有不合适之处时，可以随时通过手动输入开关进行修正。这种系统结构简单，省略了编程和纸带打孔、读带等设备，操作容易，使用和维护很方便，磁带可以反复使用，使用寿命长，因此推广价值很大。 还有一种手动数据输入方式称为是新出现的一种简易数控方式，其中使用了微处理玑与大规模集成电路。它与一般手动输入一次只能输入一个程序段不同，而可用键盘或拨码开关一次连续输入几个乃至几十个程序段，记忆在贮存器中，然后依次执行。这种方式也称为无带控制

8、，其结构简单、价格便宜、操作方便，很有发展前途。第三节 计算机数控一、小型计算机数控 小型计算机数控（Computer numerical control）简称CNC,它与一般数控的不同之处，在于将小型电子计算机组织到数控装置中去，代替了原有的插补及控制电路。小型计箅机包括三个部分，即逻辑单元及运算器，磁芯存储器或半导体存储器，以及控制器。欲使CWC适用于某类机床，需事先将相应的插补机能及控制该类机床的其它有关机能，编制“程序控制指令”，输入并储存到小型电子计算机的磁芯存储器中。这种程序控制指令只要输入一次，即可在磁芯存储器中长期保存。此后，和一般数控装置一样，只要输入数控指令纸带，即可控制机

9、床工作。 由于计算机数控的数控机能是由程序控制指令决定的，改变程序控制指令就能适应各种不同类型的机床品种及其它设备的需要，因此它具有很大的通用性和灵活性。很明显，普通数控装置的控制逻辑是由固定接线的硬件结构实现的，相对而言，CNC则把原来的硬件给“软化”了，从而得到了可以改变逻辑的好处，因此，CWC也叫软线数控。同时，由于它具有计算机的能力，所以编程比较简单，功能齐全，对环境要求不高，与普通数控相比可靠性大为提高，显著减少了把干扰作为数据读入的可能性。采用了便于组织成批生产的，标准的小型计数机，可显著地缩短控制系统的设计、制造周期，降低系统的制造成本。 小型计箅机控制系统1968年才研制问世，

10、近年来发展很快，已成功用于各类数控机床，成为数控技术当今发展主要方向之一。但与一般数控系统相比，CWC价格昂贵，目前多用于比较复杂的机床，如五座标数控机床，适应控制机床，加工中心机床和数控绘图机等。随着大规模集成电路的应用，小型计算机价格将显著降低，这将使CWC得到更快发展。二、计算机直接数控 计算机直接数控简称是用大型通用计算机的存储程序和输出数据，直接输给机床的控制系统，来控制多台机床的，因此也称“群控”。 DNC的主要机能为：用一台计算机和数台机床联接，依靠计算机直接控制机床群；加工数据一次记入存储器，加工时现场无需处理纸带；具有加工程序的调整机能，具有现场作业的调整机能;具有运转情况的

11、控制机能，可对有关机器进行计算机控制；具有编制作业日程和记录工作结果的机能。 DNC根据其运转方式，可分为两类，即“程序运转”方式和“呼叫运转”方式。前者是按规定的程序，控制机床分别按顺序进行加工；后者是通过编码器发出不同的代码信号，将工件号、机床号送给计算机，计算机即从外储存器中取出加工程序和数据，控制机床加工。 DNC根据其控制方式，也可分为两类，即“间接”型和“直接”型。间接型也称为中的K系统，它由数控联接装置把计算机和一般数控装置联接起来，而由计算机将纸带、数据、图象等信号分别送到每台机床附属的普通数控装置中去，控制机床运转,直接型也称为中的T系统，它由计算玑、分时机构和机床控制器组成

12、。所谓分时机构是使计算机的逻辑线路能得到更经济、更有效的利用的一种技术。当计算机具有很高的工作速度，特别是在进行短行计算时，这种速度比每台数控机床的加工插补运算所需速度髙得多，因此这就可以利用同一逻辑线路，依次轮流为每台机床分别进行多种运算。依靠分时机构的多重性，计算机可以同时为许多机床服务，而机床群中的每台机床则可不必再装设普通的数控装置，只需有一个由伺服机构、简单手动操作电路和中断电路组成的机床控制器即可。因此，这种系统在用于多台机床时，既较经济，可靠性又髙，便于维修。DNC系统比较复杂，设备投资大，目前应用还不够广泛。三、适应控制 数控系统的任务主要是控制零件和刀具间相对位置及相对运动，

13、通常程序一旦编好，在切削过程中不管切削条件发生什么变化，切削用量也不能改变。显然，这将大大影响数控机床的效能。特别是在加工大型或难加工材料的工件时，毛坯很昂贵，常常可能由于选定的切削用量不符合具体切削条件，而引起刀具破损，甚至使工件报废。据统计，在实际生产中，大约有三十多种变量影响着加工过程，例如刀具的质量与几何参数，工件毛坯的加工余量，材料的均匀性、硬度、传热性、密度和化学亲和力，切削系统刚度变化,冷却和润滑情况等。而所谓适应控制（Adaptive control）就是针对上述问题，使机床能随切削条件的变化而改变切削用量，使之处于最佳切削条件的一种控制系统。 据介绍，应用适应控制系统，可使生

14、产率比一般数控机床提高20100%，刀具寿命提高50100%,精度成倍提髙，光洁度提高一至二级。目前，由于此种系统赞用较髙，在一定程度上妨碍了其推广使用。 适应控制系统是以利用和处理工艺过程中直接得到的信息为依据的，按其控制条件大致可分为三类，即最佳适应控制，限制式适应控制和学习适应控制，下面分别给以简要介绍。1、最佳适应控制 最佳适应控制（Adaptive control optimization），简称ACO，即在保证安全、不出废品等条件下，按照为达到最低成本所规定的“评价函数式”计算切削用量，以保证最髙的生产率和最佳的刀具寿命。所谓“评价函数式”，是应用变分原理，用计箅方法获得最佳适应控

15、制函数的计算方式。由于检测切削参数的技术比较复杂，并且在加工过程中还要随时对这些参数进行反映加工成本的评价函数的计算，从而随时判断出偏离最佳目标的程度，并采取措施自动改进操作所以此种系统需具备计算评价函数的计算机，设备费用较髙。2、限制式适应控制 限制式适应控制（Adaptive control constraint）简称ACC，它以比较易于检测的参数作为限制条件，并通过大量工艺试验来确定限制条件，在这些限制条件范围内，尽可能的提髙切削用量。其内容，在机床驱动能力方面，可选择扭矩和功率等参数，在刀具方面，可选择切削力和切削速度等参数，在工件方面，可选择其尺寸和几何精度等参数。对这些参数不作评价

16、函数计算，而只作模拟量的比较，因此限制式适应控制的性能和效果比最佳适应控制稍差。但由于其限制参数比较容易检测，结构不十分复杂，所以较为实用。3、学习适应控制 学习适应控制简称它是一种具有学习能力的自动控制系统。它能根据现场的加工结果，分析出造成偏离最佳目标的原因，并修改已定评价函数，使之适合于当时的加工环境。也就是说，它能根据前面加工中的经验，及时修改达到最佳化的方法，以保证达到预期的目标。显然，它比仅以保证最低成本为目标的最佳适应控制和限制式适应控制系统还要复杂。 此外，国外目前还在研制一种预把测量系统，能在机床加工未超差时就发出预报信号，并对机床给出充分的信息，以实现更佳的适应控制。第四节

17、自动化工厂 未来工业生产的方向是自动化工厂。自动化工厂意味着全部生产过程的综合自动化，亦即生产设备、物质流和信息流的全面的无人化控制，而数控则是自动化工厂的基础。目前，国外已设计出第一批的无人化机械加工车间，无人化仓库和运输线，无人化自动装配线，无人化自动检査和试验设备，无人化生产管理和调度系统。有的已投入实际使用。如果进一步将这些无人化的生产、运输和管理单元联接起来，就可以构成自动化工厂。无人化车间并不是指车间已完全没有人，而是指人已脱离了生产过程中的直接体力劳动和生产管理，而主要从事于控制装置的操纵。 近年来，在自动化技术中，多数趋于采用“集中控制”的技术，即用一台大型计算机对所需要控制的

18、机床群和其它设备进行全面控制。这种方法虽然有很多优点，但也存在一些弱点，例如，由于功能过分“集中”在一台计算汎上，一旦计算机出现故障，便可能出现全面停产的严重事故。为此，又发展了所谓“分散控制”和“分级控制”技术，即把控制对象分为独立的若干部分，各部分分别由小型计算机负责控制，用一台中央控制机进行总的监督管理。这样，若中央控制机发生故障，则局部控制玑照样能进行工作，甚至代替执行部分中央控制机的工作，从而保证了整个车间或工厂的正常生产。这种技术在微计算机出现之前，由于系统造价昂贵，采用受到很大限制，而现在由于微计算机的出现，分散控制已成为实际可行。 微计箅机，也称单片上的计箅机。它是把计算机的核心部分运箅器与控制器，用大规模集成电路制作技术制作在一片不大的芯片上的微处理机，再加上存贮芯片及输入、输出芯片而组成的。 微处理机和微计算机本身已发展了几代，它是迄今为止体积最小、价钱最便宜的电子汁算帆。其功能接近于小型通用计算机，体积一般相当于袖珍半导体收音机或火柴匣大小，价格由二、三千美元到几十美元