吳連連，黃愛(ài)華

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

0 引 言

數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡(jiǎn)稱，是20 世紀(jì)中葉發(fā)展起來(lái)的一種用數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)控制的一種方法。裝備了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床，也簡(jiǎn)稱為NC機(jī)床。

世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是由美國(guó)麻省理工學(xué)院于1952年首先研制出來(lái)的；日本于1958年研制出首臺(tái)數(shù)控機(jī)床。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年起步的，由清華大學(xué)研制出了最早的樣機(jī)。但是經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展，2010 年我國(guó)已經(jīng)躍居世界第一大機(jī)床生產(chǎn)國(guó)。在2012年5月27日，在湖北省數(shù)控一代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程啟動(dòng)大會(huì)上，中國(guó)工程院院長(zhǎng)周濟(jì)強(qiáng)調(diào)：“全世界的機(jī)械工業(yè)正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時(shí)期，我們必須抓住這一契機(jī)，在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品總體升級(jí)為‘?dāng)?shù)控一代’，使我國(guó)機(jī)械工業(yè)實(shí)現(xiàn)由‘大’到‘強(qiáng)’的轉(zhuǎn)變。”

1 數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)、動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機(jī)床本體，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床的組成

1.1 控制介質(zhì)

控制介質(zhì)是儲(chǔ)存數(shù)控加工所需要的全部動(dòng)作和刀具相對(duì)于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制介質(zhì)就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)編程，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置的方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.2 數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，人們喻為“中樞系統(tǒng)”?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，即CNC（Computer Numerical Control）。數(shù)控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構(gòu)成數(shù)控裝置能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

1.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是接收數(shù)控裝置的指令、驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件。包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。工作時(shí)，伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號(hào)相比較后，帶動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件或執(zhí)行部件動(dòng)作，加工出符合圖紙要求的零件。

1.4 反饋裝置

反饋裝置是由測(cè)量元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋回來(lái)，構(gòu)成閉環(huán)控制。一些精度要求不高的數(shù)控機(jī)床，沒(méi)有反饋裝置，則稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。

1.5 機(jī)床本體

機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的實(shí)體，是完成實(shí)際切削加工的機(jī)械部分，它包括床身、底座、工作臺(tái)、床鞍、主軸等。

2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀

我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制工作起步比較晚，于1958年由清華大學(xué)和北京第一機(jī)床廠合作研制了我國(guó)第一臺(tái)數(shù)控銑床，并于1958 年開(kāi)始試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。1965 年開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20 世紀(jì)60 年代末至70 年代初成功研制。從1980年起，我國(guó)加大改革開(kāi)放的力度，先后從日、德、美、西班牙等西方國(guó)家引進(jìn)CNC系統(tǒng)，對(duì)各種機(jī)、電、液、氣等基礎(chǔ)原件進(jìn)行合作生產(chǎn)，極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

總體來(lái)說(shuō)，從1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床到現(xiàn)在，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段：1958至1979年為第一階段，在這一階段內(nèi)我國(guó)受到西方國(guó)家的封鎖和國(guó)內(nèi)環(huán)境的影響，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展采用的是封閉式摸索前進(jìn)，數(shù)控機(jī)床的一些關(guān)鍵技術(shù)，如電、氣、液等核心技術(shù)達(dá)不到可靠性要求，故障常出；1980年至1995 年為第二階段，我國(guó)提出了改革開(kāi)放的政策，積極引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，利用國(guó)外的先進(jìn)產(chǎn)品配置和技術(shù)，期間我國(guó)的數(shù)控機(jī)床取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，逐漸縮小與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的差距，但總體來(lái)說(shuō)，這個(gè)階段屬于我國(guó)的仿制時(shí)期，自主研發(fā)的產(chǎn)品占少數(shù)；1996 年至今為第三階段，我國(guó)實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略，數(shù)控機(jī)床進(jìn)入自主研發(fā)的時(shí)期，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值比重也逐漸增大，數(shù)控機(jī)床無(wú)論從數(shù)量上還是在質(zhì)量上都取得了較大的進(jìn)步，某些核心的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)接近或者領(lǐng)先于世界水平。例如，2010 年，世界28 個(gè)主要機(jī)床生產(chǎn)國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)值達(dá)663億美元，較2009年增長(zhǎng)了21%，其中，中國(guó)機(jī)床占全球機(jī)床產(chǎn)值的31%。中國(guó)為世界機(jī)床第一大生產(chǎn)國(guó)，日本居第二位，德國(guó)位列第三位，但是排名世界前7 位的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)我國(guó)沒(méi)有一家[2]。

3 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)完成了16位機(jī)向32位機(jī)轉(zhuǎn)變，伺服驅(qū)動(dòng)從直流向交流全數(shù)字式轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從封閉向開(kāi)放轉(zhuǎn)變，控制系統(tǒng)由專用計(jì)算機(jī)向通用計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變，加快了數(shù)控機(jī)床技術(shù)前進(jìn)的步伐，具體來(lái)說(shuō)數(shù)控機(jī)床會(huì)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展[3-4]。

3.1 高速化

隨著新型刀具和其他關(guān)鍵部件的采用，數(shù)控機(jī)床進(jìn)入高速切削的時(shí)代。高速加工采用遠(yuǎn)高于常規(guī)加工切削速度進(jìn)給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時(shí)，同時(shí)還可獲得很高加工精度。高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提和關(guān)鍵，具有高精度的高轉(zhuǎn)速主軸，具有控制精度高的高軸向進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度的軸向進(jìn)給系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵。例如，現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速由原來(lái)的幾千轉(zhuǎn)提高到現(xiàn)在的上萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)；進(jìn)給速度由原來(lái)的每分鐘幾米提高到現(xiàn)在100～200 m/min；換刀的時(shí)間也越來(lái)越短，從原來(lái)的十幾秒降到現(xiàn)在的1 ms，這些都極大地提高了生產(chǎn)率。

3.2 精密與超精密化

精密與超精密加工是今后金屬切削加工的發(fā)展方向。近幾年，隨著數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高數(shù)控機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。據(jù)資料分析，數(shù)控機(jī)床加工精度平均每8 年提高1 倍，從數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生到現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床的加工精度提高了大約了100倍。近10 多年來(lái)，精密級(jí)加工中心的加工精度則從（±3～5）μm 提高到（±1～1.5）μm。

3.3 開(kāi)放化

基于通用計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)已經(jīng)成為其發(fā)展的主要方向，開(kāi)放化的系統(tǒng)可以使數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于不同的平臺(tái)之上，可以與其他不同的系統(tǒng)相互操作，增加數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的兼容性，這種開(kāi)放的、交互的數(shù)控機(jī)床具有操作簡(jiǎn)便、維護(hù)方便等特點(diǎn)，提高了數(shù)控機(jī)床在企業(yè)中的普及率。

3.4 技術(shù)集成化和技術(shù)復(fù)合化

技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是今后數(shù)控機(jī)床發(fā)展的另一趨勢(shì)。為了提高生產(chǎn)率，出現(xiàn)復(fù)合加工機(jī)床，復(fù)合加工機(jī)床突出體現(xiàn)了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具、免去工序間的搬運(yùn)和儲(chǔ)存、提高工件加工精度、縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。這類機(jī)床可以進(jìn)行復(fù)合工序的操作，例如車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，甚至還可以跨加工類別的技術(shù)復(fù)合，如激光-沖壓、金屬切割-激光等技術(shù)復(fù)合，這類復(fù)合加工機(jī)床的出現(xiàn)極大地縮短了輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。

3.5 智能化

智能化指工作過(guò)程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。智能監(jiān)控是指在加工過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)找正、自動(dòng)換刀、自動(dòng)補(bǔ)償以及對(duì)加工過(guò)程出現(xiàn)的故障問(wèn)題等自動(dòng)解決，而人工智能編程是指數(shù)控機(jī)床可以根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)加工出所需要的零件。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制（遠(yuǎn)程控制）已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床可持續(xù)發(fā)展的新方向之一。

3.6 綠色化

人口、資源和環(huán)境已經(jīng)成為制約人類發(fā)展的三大問(wèn)題。為尋求符合環(huán)保要求的機(jī)床，干式和微量冷卻類型數(shù)控機(jī)床應(yīng)用越來(lái)越廣泛。操作工人的環(huán)境、加工材料、冷卻液的使用會(huì)成為衡量數(shù)控機(jī)床的綠色水平，因此綠色清潔的數(shù)控機(jī)床成為今后數(shù)控機(jī)床的主導(dǎo)方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)取得較大的進(jìn)步，在世界市場(chǎng)上也占有比較重要的地位，但是我們也應(yīng)該清晰地看到，在中、高檔數(shù)控機(jī)床的可靠性和數(shù)控機(jī)床的配套設(shè)施方面以及數(shù)控機(jī)床的一些先進(jìn)產(chǎn)品與技術(shù)，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定的差距，因此，還應(yīng)做好以下幾個(gè)方面：1）數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新；2）加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)；3）積極消化國(guó)外先進(jìn)數(shù)控技術(shù)；4）建立健全數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研體系。只有這樣我國(guó)數(shù)控機(jī)床水平才能處于世界領(lǐng)先水平。

[1] 劉永兵. 控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)[J].考試周刊，2011（40）：149.

[2] 王政.數(shù)控機(jī)床的歷史、現(xiàn)狀與展望[J].魅力中國(guó)，2011（4）：388.

[3] 李紹鵬.數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)探究[J].物流工程與技術(shù)，2011（11）：43-44.

[4] 唐克巖.我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)床與液壓，2012（3）：145-147.