高档数控机床

狭义上的“机床”通常指的是“切削机床”（说“狭义上”，是因为现在也出现了类似于3D打印等增材制造机床或其他特种机床），切削机床通常指的是采用切削的方法将工件毛坯加工成机器零件的机器。也就是说，机床是制造机器的机器，所以也称为“工作母机”，日语中称为“工作机械（こうさくきかい）”，英语中称为“Machine Tools”。

第一台真正意义上的机床其实是一台镗床，由英国实业家John Wilkinson于1775年发明^[2] 。这台镗床最初的发明动机是为了解决当时军事上制造高精度大炮炮筒的实际问题。

镗削加工是一种用刀具扩大回转工件上孔或其它圆形轮廓内径的切削工艺。其与车削相对应，车削是一种用刀具减小回转工件的外径或进行端面成型的切削工艺。^[3]

47岁的Wilkinson在他父亲的工厂里经过不断努力，终于制造出了这种能以罕见的精度制造出大炮炮筒的新机器。工作原理是：通过水轮使固定了镗刀的转轴旋转，并使其相对圆筒工件推进，其中固定了镗刀的转轴穿过圆筒并在两端支撑，由于刀具与工件之间有相对运动，材料就被镗出精度很高的圆柱形孔洞。

并且该镗床后来被用于蒸汽机气缸的加工。起因是James Watt发明蒸汽机之后，发现采用锻造的方法制造蒸汽机气缸十分困难，且气缸由于制造精度过低，漏气严重，限制了蒸汽机的制造及其使用效率的提高。^[4] 在采用了该镗床之后，可以制造50英寸以上的高精度气缸，极大地提升了蒸汽机气缸的加工质量和生产效率，并因此获得了巨大的成功。

之后，为了满足各种不同加工工艺的需求，又相继出现了车床、铣床、刨床、磨床、钻床等等各种类型的机床。^[5]

钻削（左边）和铣削（右边）过程

第一台电子计算机于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）诞生。其最初研发动机是在二战背景下，应美国军方要求，制造一种以电子管代替继电器的“电子化”计算装置，用来计算炮弹弹道。

6 年后，即在 1952 年，Parsons公司与麻省理工学院（MIT）合作，结合基于电子计算机的数字控制系统（Numerical Control System）与辛辛那提公司（ Cincinnati ）的铣床，研发出第一台NC（Numerical Control）工作母机（又称“数字控制机床”），从此，传统机床产生了质的变化，标志着机床开始进入数控时代。^[6]

又过了6年，1958年麻省理工学院在美国军方赞助下与多家企业合作又开发出APT（Automatic Programming tools）^[7] ，即一种高级计算机编程语言，用来生成数控机床的工作指令。现在最常见的一种是采用RS-274格式指令，通常称为“G代码”。^[8]

经过计算机技术的不断发展，微处理器被应用到数字控制上，大幅提升功能，此类系统即称为计算机数字控制（CNC， Computer Numerical Control），应用此系统的机床也被称为CNC机床，即计算机数字控制机床，或简称为“数控机床”。

数控机床中的数字控制（Numerical Control）技术是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（International Federation of Information Processing，IFIP）第五技术委员会，对数控机床的定义：数控机床是装有程序控制系统的机床。该控制系统能逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控系统。经过运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按要求自动将零件加工出来。

数控机床原理图

2.1 数控机床的加工过程

数控机床加工，将刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。

刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量为单位的（mm/pulse）。当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段或圆弧的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间点的坐标值，向各坐标输出脉冲，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。

数控装置进行的这种“数据点的密化”称为插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。实际上，在数控机床上加工任意曲线L的零件，是由该数控装置所能处理的基本数学函数来逼近的，例如直线、圆弧等。自然，逼近误差必须满足零件图样要求。

2.2 数控机床相对于传统机床的优势

1. 加工精度高，质量稳定。数控系统每输出一个脉冲，机床移动部件的位移量称为脉冲当量，数控机床的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控机床可达0.0001mm，其运动分辨率远高于普通机床。另外，数控机床具有位置检测装置，可将移动部件实际位移量或丝杠、伺服电动机的转角反馈到数控系统，并进行补偿。因此，可获得比机床本身精度还高的加工精度。数控机床加工零件的质量由机床保证，无人为操作误差的影响，所以同一批零件的尺寸一致性好，质量稳定。
2. 能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如，采用二轴联动或二轴以上联动的数控机床，可加工母线为曲线的旋转体曲面零件、凸轮零件和各种复杂空间曲面类零件。
3. 生产效率高。数控机床的主轴转速和进给量范围比普通机床的范围大，良好的结构刚性允许数控机床采用大的切削用量，从而有效地节省了机动时间。对某些复杂零件的加工，如果采用带有自动换刀装置的数控加工中心，可实现在一次装夹下进行多工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更为明显。
4. 对产品改型设计的适应性强。当被加工零件改型设计后，在数控机床上只需变换零件的加工程序，调整刀具参数等，就能实现对改型设计后零件的加工，生产准备周期大大缩短。因此，数控机床可以很快地从加工一种零件转换为加工另一种改型设计后的零件，这就为单件、小批量新试制产品的加工，为产品结构的频繁更新提供了极大的方便。
5. 有利于制造技术向综合自动化方向发展。数控机床是机械加工自动化的基本设备，以数控机床为基础建立起来的FMC（Flexible Machine Center，柔性加工中心）、FMS（Flexible manufacturing system，柔性制造系统）^[9] 、CIMS（Computer-integrated manufacturing system，计算机集成制造系统）^[10] 等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。这是由于数控机床控制系统采用数字信息与标准化代码输入、并具有通信接口，容易实现数控机床之间的数据通信，最适宜计算机之间的联接，组成工业控制网络，实现自动化生产过程的计算、管理和控制。
6. 监控功能强，具有故障诊断的能力。CNC系统不仅控制机床的运动，而且可对机床进行全面监控。例如，可对一些引起故障的因素提前报警，进行故障诊断等，极大地提高了检修的效率。
7. 减轻工人劳动强度、改善劳动条件。

“高档”或“高端”数控机床的定义：具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。其发展象征着国家目前的机床制造业占全世界机床产业发展的先进阶段，因此国际上把五轴联动数控机床等高档机床技术作为一个国家工业化的重要标志。^[11]

数控机床按机床的功能水平可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国用的很多。低、中、高档的界限是相对的，不同时期的划分标准有所不同，就目前的发展水平来看，大体可以从下面的高、中、低档数控机床对比图中所示的几个方面区分：  

高档数控机床在传统数控机床的基础上，能够完成一个自动化生产线的工作，是科技速度发展的产物。对于国家来说，这是机床制造行业本质上的一种进步。高档数控机床集多种高端技术于一体，应用于复杂的曲面和自动化加工，在航空航天、船舶、机械制造、高精密仪器、军工、医疗器械产业等多种领域的设备制造业有着非常紧密的关系。 随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。