数控机床

数控机床（Numerical Control Tool）指利用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，^[1][2]美国帕森公司（Parsons Co）和麻省理工学院（MIT）合作，于1952年3月研制成功了世界上第一台立式数控铣床。^[3][4]数控机床由信息载体、数控装置、伺服系统、机床本体及测量反馈装置等组成，^[5][6]相对于一般的普通机床， 数控机床加工精度高，生产效率高，产品质量稳定，该系统具有高度的自动化特性，能够实现一般普通机床难以完成或无法实现的复杂表面的加工。^[7][8]可按运动轨迹、伺服系统控制、功能用途等分类。^[9][10][11]数控机床的工作原理是根据图纸编写加工程序，通过数控装置发出信号，控制机床按照预设规定进行工作。^[12][13]涵盖了精度、可控轴数与联动轴数指标、可靠性指等性能指标，^[14][15]主要用于大规模的零件加工，可以自主编写程序，生产过程的自动化程度较高，应用领域从航空工业逐步扩大到汽车、造船、民用机械等制造行业，^[16][17]数控加工设备在制造业中得到了广泛的使用，对提高生产效率有很大的促进作用，是实现自动化、网络化、柔性化、一体化的基本。^[1]

1949年，美国帕森公司和麻省理工大学共同努力，致力于解决精密部件的自动制造，这就是数控机床加工设备的出现。^[3]美国克耐・杜列克公司（Keaney&Trecker Co）于1958年在一套数控机床上添加了自动换刀系统，加工中心诞生了。^[4]

美国于1959年发明了第一个工业机器人，并发明了一块晶体管器件印刷线路板，从而实现数字装置设备的二次开发；在1965年，以小型、低功耗和更高的可靠性为特征的集成电路数控机床设备问世；随着集成电路设备的不断降价，数控机床设备的种类及生产规模不断扩大^[4][18]

1970~1974年期间，数控系统的很多功能都可以由软件完成，从而开启了电脑数控的一个崭新时代。由于其造价高昂，目前多应用在某些研究机构，如第四代微型电脑数控系统。从1974年起，以单片机为中心的第五代数控系统，即微机数控系统，这使得数控系统的迅速发展和普及，功能强，运算速度快，可靠性高，成本低廉，符合了数控机床的发展需求。^[3]

到了1981年，微机的运行速率得到了极大的提升，功能和性能得到了改善；有了小型化、能实现人机对话的自动化编程，并能在机器上直接装配。^[4]从1986年起，数码伺服系统问世，大惯量的交流电机、直流电机进入实际应用。1988年，以32位计算机作为主从结构体系。随着 电脑（Personal Computer）的出现，全球范围内的广泛使用和推广，第六代数控系统即电脑数控系统也随之诞生。^[3][19]

1994年，随着计算机网络技术的发展， 技术的发展也逐渐步入开放型、柔性化的新时期，其研制的时间也在不断地减少。这也是数控技术发展的一个重要转折点。^[3][19]21世纪，随着军用和民用的发展，对数控设备提出了更高的需求。随着新一代的功能元件和计算机技术的不断发展，数控加工范围、动态特性、精度和可靠性得到了很大的改善。^[4]2008年中国数控机床业4832家企业合计完成工业总产值3472.3亿元，同比增长27.5%，增幅比去年同期低8个百分点；机床工具行业产品销售产值3348.3亿元，同比增长26.0%，增幅比去年同期低10.2个百分点。^[20]

2011年，中国机床行业在过去几年实现了持续超高速的发展，一直到上半年，需求仍很旺盛。^[21]

首先要把加工工艺要求、加工路线和标点的增强性等，用规定的数值和文字（或编码），^[12]把加工程序命令录入到数控装置设备中，由数控装置设备对编程（编码）进行解码和计算，并对各坐标的伺服设备和副控制器发送信号，对机床主轴的运动、进给运动、刀具的更换、工件的夹持和松开、冷却和润滑泵的开关与，使刀具、工件和其他附属设备严格地按加工程序规定的顺序、轨迹和参数运行，最终加工成满足设计要求的产品。^[13]

功能是把零件的处理数据以特定的形式和编码方式储存在特定的载体上，再由载体将零件的加工数据录入到数控机床设备中进行处理，在生产过程中，一般会涉及到产品的几何信息、工艺信息、位置信息等，而常用的信息载体有穿孔卡、穿孔带、磁盘、磁带等。此外，数控装置上往往带有操作面板，也可通过该操作面板直接输入零件的各个加工参数；其次，在计算机上编写的加工程序也可通过串行口输入到数控装置中控制加工。高档的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统，由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据及显示、模拟显示、存储和打印等功能。^[5]

是数控机床系统的关键设备，其主要功能是接受输入设备的脉冲，通过数控机床设备的控制程序和逻辑电路对其进行编译、运算和逻辑运算，并向其对应的执行元件（例如伺服系统、 PLC等）进行指令，从而实现系统各个组成部分的标准化和有条不紊地工作。^[6]

由伺服控制系统接收到由电脑进行的信号，经过调理、转换、放大后，再由伺服马达驱动，使机械的执行器运作。^[22]其功能是从电脑数控机床系统接受一般为脉冲信号的命令，并利用一个伺服驱动器来控制执行器，以实现部件加工处理，常用的伺服驱动元件有直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服电机等。^[5]

机床主体是数控机床加工中的一个重要组成部分，它起着支撑、受力和减振作用；另外，接受伺服系统的控制，完成零件的加工处理，是零件加工的执行者。^[5]其机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件（如工作台、拖板及其传动部件），床身、立柱等支承部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助部件。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。^[13]

主要功能是对工件在加工中的速度、位移等进行实时的检测，并将测试的数据与机床的速度、位移等数据进行对比，从而实现对工件的动态偏差的及时校正，达到改善工件加工的精确性。测量反馈装置中，根据测量对象和测量目的的不同，需采用不同的测量部件，如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁尺等。^[5]

辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明和监测等，它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等，编程及其他附属设备可用来在机床外进行零件的程序编制、存储等。^[23]

其最大的特征是高柔性，易变性。“柔性”指的是灵活、通用和万能，能够满足各种形状的工件的要求，^[23]在更换加工工件时，只需重新编制和输入程序，而不必重新制造和更换许多工具、夹具和模具。因此可大量节约工装费用，缩短生产准周期并可适应各种生产类型。^[24]

数控机床的加工精度通常达到0.005mm，采用数码方式进行控制，每次数控设备发出一个脉冲，机床运动零件就会产生一个等效的脉冲（通常为0.001mm），并且通过数控设备可以对零件的倒角和螺纹间距进行校正，从而使机床的位置更加精确。^[7]中、小型数控机床的定位精度一般可达0.03 mm，重复定位精度可达0.01 mm。由于数控机床的驱动系统和结构都具有较高的刚性和热稳定性，从而使其加工精度得到了提高，尤其是采用数控机床的自动化处理方法，可以消除人工操作上的错误，保证同一批次产品的尺寸一致性好，生产的产品合格率高，生产工艺稳定。对多个工艺处理的部件，尤其是箱形部件，采用一次装配加工中心，可实现多个工序的连续加工，降低装配误差，进一步提高工件的加工精度。在设计过程中，将进给速度的控制纳入到复杂工件的外形设计中，使得在曲率改变时，刀具的进给速度基本保持不变，经处理后的工件表面可以达到高精度、高质量的目的。^[24]

高的生产效率是因为数控机床具有高的灵活性，可以大大缩短零件的处理和辅助工作，并且具有较宽的主轴速度和进给速度，使其能够完成大的切割强度，当今世界已步入了高速加工的年代，通过对运动零件的快速运动、定位和高速的切削，大大地提升了生产力，此外，利用刀具库，可在一台机器上完成多个工艺过程的连贯，缩短了半成品的生产周期，从而增加了工作效率。^[7]

数控机床的加工过程完全是自动进行的，这就消除了操作者人为产生的误差，^[25]加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。^[26]

在数控机床的加工之前，经过调试，在输入编程并启动后，可以实现对工件的连续自动加工，直到完成。操作员的工作内容包括程序输入、编辑、装卸、工具的制作、加工状态的观察、零件的检查等工作，在零件加工过程中可暂时离开机床，从而能避免切屑乱飞烫伤手、眼等现象。除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也因此得到相应的改善，大大减少了劳动量，机械操作人员的工作趋向于智力劳动。^[7][24]

利用数控机床进行部件的制造，分摊在各部件所需的成本相对较高。但是在小批量生产中，可以节约大量的其它成本，从而达到很高的经济效益。采用数控机床，可以节约在加工前的划线工时，而且在装配好工件以后，可以缩短对工件的加工和检查的时间，降低了直接的制造成本。同时，利用数控机床进行工件的制造，不需手工制作模具、凸轮、钻模板等工装夹具，节约了生产设备的成本，此外，数控机床具有较高的精确性，减少了废品率，降低了产品的制造费用。^[24]

利用数控机床加工，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化检验、工装夹具和半成品的管理工作，^[24]在更换加工工件时，只需重新编制和输入程序，而不必重新制造和更换许多工具、夹具和模具。因此可大量节约工装费用，缩短生产准备周期并可适应各种生产类型，^[27]利用数控设备进行加工，可实现对加工时间的准确预测，对刀具和夹具进行标准化和现代化管理。^[8]

类别主要内容作用尺寸参数工作台面积〔长×宽)、承重    影响加工工件的尺寸范围(质量)、编程范围及刀具、工件、机床之间的干涉各坐标最大行程主轴套筒移动距离主轴端面到工作台距离接口参数工作台T形槽数、槽宽、槽问距    影响工件及刀具安装主轴孔锥度、直径运动参数主轴转速范围    影响加工性能及编程参数工作台快进速度、切削进给速度范围动力参数主轴电机功率    影响切削负荷伺服电机额定扭矩精度参数定位精度、重复定位精度    影响加工精度及其一致性分度精度（回转工作台)其他参数外形尺寸、质量    影响使用环境

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数控机床以点为中心，当工具与零件进行相对移动时，仅能对一个点的移动精度进行精确的控制，而不能同时兼顾两个点的移动轨迹和方位，^[29][30]刀具在移动过程中不进行加工，如数控钻床、数控冲床和数控坐标幢床等。^[9]

是指在机床与工件进行相对移动时，不仅要精确地对机床的起始位置进行精确的定位，而且要使平行坐标轴线的切割和平行于坐标轴线上的切割，^[30]并能沿坐标轴平行方向进行切削加工，如数控车床、简易数控铠kǎi铣床等。^[9]

可以在同一时间内完成两条或多条轴线的持续控制。它不但可以对机床的动件起、端的坐标进行精确的控制，还可以对工件的各个部位的速度、位置进行精确的控制，也就是说，工件的表面形貌是通过切削的轨迹来决定的。^[9]刀具的运动轨迹可以是空间曲线，也可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓，模具行业中这类机床应用相对比较多，采用这类控制方式的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。^[23]

开环伺服系统只有指令信号的前向控制通道，没有检测反馈控制通道，其工作原理是将指令数字脉冲信号转换为电机的角度位移。^[10]数控机床伺服系统不包含位置、速度等反馈环节，通常以步进电动机为驱动元件。^[31]

在机床的最终运动执行部件如工作台或刀架上，安装有位置检测元件，获得各坐标轴的实际位置，并将该测量值反馈给CNC装置进行闭环控制的误差控制随动系统，称为全闭环伺服系统。^[10]机床位置传感器、速度传感器安装在机床工作台上机械传动环节不包括在伺服系统闭环内，可以达到很高的运动控制精度。^[31]

半闭环系统通过角位移动的测量（如光电脉冲编码器等）间接计算出工作台的实际位移量。^[10]机床位置传感器、速度传感器安装在靠近伺服电动机一侧，机械传动环节不包括在伺服系统闭环内，机床运动控制系统稳定性较高。^[31]

混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量大，需要的力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。^[32]

其特点是基本控制选用步进电机开环伺服机构，另外附加一个校正电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。^[32]

如下图所示，其特点是用半闭环控制方式取得高速度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件，B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。^[32]

是最为常见的一类数控机床，包括数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床、数控撞床、加工中心等。^[11][33]

是对传统金属成型机床数控化后获得的机床，通过其配套的模具对金属施加强大作用力使其发生物理变形，从而得到想要的几何形状，包括数控折弯机、数控弯管机、数控冲床和数控压力机等。^[11][33]

是利用数控系统完成特种加工的数控机床，包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。^[11][33]

所谓“分辨”就是指在两个相邻的分散点之间能分辨的最短间距，^[14]脉冲当量（分辨率）是数控加工设备的一项关键技术，它包括两个方面：一是机器的坐标轴线所能达到的控制精度（最小的位移增量）；二是最小的内部操作，也就是所谓的“内冲”。^[15]

定位精度即数控机床的工作台等运动零件，其最终的定位与实际定位的准确性。^[14]重复定位精度是指在同一作业方式、作业条件下，多次进行指定作业后，取得的成果一致性。^[34]

分度精度是指在转位时，所给出的转角与实际旋转角的差值。回零精确度是指数控加工中心的各个坐标轴线在给定的零点上的精确度。^[35]

可控轴数是由机床的数控设备所能操纵的轴线数量。联动轴线是由机床数控设备所控制的坐标轴在同一时间内到达一个特定的空间点。现有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。^[36]

主轴转速通常由直流电机或交流电机驱动，由高速精密轴承支撑，转速范围大，旋转精度高，刚度大，抗振性能好。^[37]进给速度对零件加工质量、加工效率和刀具使用寿命都有很大的影响。其受数控机床的运算速度、机床的运动特性和加工体系的刚性等条件的制约。^[36]

所谓的坐标行程，就是指数控机床坐标轴X、Y、Z的行程的大小，组成了数控机床的加工空间，也就是加工零件的尺寸。摆角的范围是指主轴摆角坐标的数控机床，其角度的大小对加工零件的空间位置的能力也有很大的影响。^[14]

刀库容量是指刀架数目、刀库所能容纳的刀具数目。换刀时间是把正在使用的刀具和下一步加工中所需的刀具进行互换所需的时间。^[36]

最高主轴速度是指机床所能实现的最高速度，直接关系到工件的表面处理、制造和使用寿命。最大加速度是一种能够反应出主轴转速提升的性能参数，也可以作为加工效率的一个重要指标。^[38]

最快位移速度是指在不加工条件下，进给轴的最大移动速度。最高进给速度是指在加工条件下进给轴的最大移动速度。^[39][38]

可靠性用概率来表达，也叫做可能性，它产品在一定的时间和特定的条件下，完成指定的功能的可能性；不会出现任何错误的可能性。^[40]有效度是一种设备能否正常工作的重要标志，它是一种对装置的可靠程度的测量。^[41]

平均无故障操作时间是指一台数控机床在使用过程中，平均两次失效间隔的时间，即从发生故障到能够正常工作的平均修理时间。^[38]

数控技术是以数字程序的形式实现控制的一门技术，它综合应用了各个技术领域里的新成就，具有广泛的通用性，是高自动化程度的工业自动控制技术，除了机械技术外，还有计算机及接口技术、自动控制技术、传感器技术、信息技术等，^[42]主要应用于大型零部件的制造，其工艺方法有车外圆、镜孔、车平面等。^[16]可实现单件、小批量、多品种、尤其是各种形状复杂的工件的自动控制，并能确保产品的品质，其用途由航空业逐渐扩展到汽车、造船、机床、建筑业和其他的工业，是构成现代机器制造系统、 设计、制造、检验和生产管理的整个生产流程的自动化的基础。^[17]

随着数控机床加工技术的不断发展，复合加工技术已逐渐完善，主要有铣车复合、车铣复合、车磨复合、成形复合和特特种复合等，复杂工艺的精确性和工作效率得到了极大的提高。“一台机床就是一个加工厂”“一次装卡、一次完全加工”的观念越来越为人们所认同，并使复合型加工设备的发展也越来越多元化。^[43]

功能集成化是另一个主要的发展方向，在这种类型的机床上，刀自动交换机构和工件自动变换机构已经成为加工中心最常用的设备，而在数控机床逐渐向着柔软化、无人化方向发展时，功能集成化性能的提高主要表现在工件的自动定位、机内对刀、刀具破损监控、机床与工件的精度测量及补偿等。^[44]

智能化处理是一种以网络、数字、电子、模糊控制为基础的先进处理技术，是在加工过程中模仿人类智能的行为，解决加工过程中的诸多不确定因素，从而达到对加工过程的快速、安全的预测和干预。^[44]数控机床在智能技术方面取得了新的突破，在性能方面也有了很大的提高，例如：具有自调节防碰撞功能、断电后的工件自动断电并在安全区断电保护、加工零件检测及自动补偿学习、高精度加工部件参数选择功能、加工过程自动消除振动等功能进入实用阶段，使机床功能和质量得到提高。^[43]

数控机床使柔性化组合效率更高且应用广泛，使得柔性线更加灵活，进一步扩展了功能，缩短了柔性线，数控机床与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性流水线等都已投入使用。^[43]

数控机床的精确度由丝级（0.01mm）提升至微米级（0.001mm），某些种类的精确度已经接近0.05 um左右。采用超精密数控机床进行精细切割与研磨，其精确度约为0.05 um左右，外形误差约为0.01 um左右，采用光、电、化学能源等特种工艺，其精密程度可达纳米级（0.001 um）。通过优化机床结构设计、超精加工及精密组装，利用温度、振动等动态误差进行精确控制，以改善机床的几何精度、减少形位误差、表面粗糙度等，实现了亚微米、纳米级的超精细加工。为了提高数控机床的精确度，除了对大型机床的基本性能和热稳定性的需求逐渐提高之外，在系统软件方面的提高更为明显，在提高数控系统控制和定位的准确性上有了很大的进步。^[44]

随着电主轴、直线电机、高性能直线滚动组件、全数字交流伺服电机及驱动装置等高速度、高精密功能零件的广泛使用与普及，使数控机床的整体技术水平得到了显著的提升。^[43]数控机床在行业中的应用越来越广泛，其加工的高速化也得到了迅速的发展，主轴旋转速度已经提高了好几倍。20世纪80年代中期，中等规格的加工中心机床主轴的最高速度在4000-6000 RPM之间，90年代初期达到8000-12000 RPM，到90年代后期，主轴转速超过20000 RPM的情况并不少见，有些甚至达到了40000 RPM，有些主轴的最高转速可达3000r/s，也就是180000 RPM。此外，各个座标轴线的快速移动速度也从10年以前的8-12米/分钟增至18-24米/分钟，30-40米/分钟的机床也在大量使用，100米/分以上的高速机床也在不断的研发和推广。^[44]

世界上许多国家都在追求高质量、高速、高精度、多功能、多轴联动的复合型数控机床，但由于复合功能的增加和密集型技术的引进，使数控设备出现了大量的故障隐患，使其在功能和性能上难以保持，先进性丧失了作用。面对日益开放的市场，消费者越来越关心的是产品的可靠度，而数控加工的高水准和复杂程度也凸显了可靠性研究的必要性和紧迫感。^[44]

机床联网既能远程控制又能无人化操作，可在任意一种机床上，利用机床网络实现编程、设定、操作、运行，各机床的图像可以实时地在各机器的荧光屏上进行展示，数控机床联网技术已得到了普遍应用，通过网络连接将各种设备互联，从而达到设备的一体化和编程传递的便捷化。^[44]

数控机床的柔性意味着机器能够根据工件加工的不同而灵活应变的能力，在传统的单一种类中，大批量刚性的自动化设备和流水线，一旦被加工物体改变，调整就会出现很大的难度，或者根本无法实现。柔性加工自动化具有较好的适应性，能够很好地满足目标转换，柔性的发展已不限于以往的结构单机柔性，一方面是数控系统自身的柔性、模块化等具有较大的功能性和较好的可裁减能力，易于实现多种用户的需要，从本质上取决于开放架构，另一方面是群控系统的柔性，可根据不同的作业过程需要，实现对材料和信息的实时调节，以实现多个控制的最大效率，近年来，不但中小型企业在努力改善其柔化性能，在大规模生产过程中，也在主动地向柔性方向发展，例如：可调式 PLC控制的组合机床、多轴数控加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力装置等，由此可见，柔性化在高度自动化的基础上的迅速发展。^[44]