數控機床的發展趨勢

數控機床是綜合應用了當代最新科技成果而發展起來的新型機械加工機床，40年來，數控機床在品種、 數量、 加工范圍與加工精度等方面有了情人的發展同，大規模集成電路和重型計算機的發展和完善，使數控機床的逐年下降，而精度和可靠性卻大提高。數控機床不僅表現為安生量迅速增長，而且在質量、性能和控制方式上也有明顯改善。目前，數控機床正朝著以下幾個方面發展。

1.數控機床結構的發展

數控機床加工工件時，完全根據計算機發出的指令自動進行加工，不允許頻繁測量和進行手動補償，這就要求機床結構具有較高的靜剛度與動剛度，同時要提高結構的熱穩定性，提高機械進給系統的剛度并消除其中的間隙，消除爬行。這樣可以避免振動、熱變形、爬行和間隙等影響，從而搞被加工工件的精度。

同時數控機床由普通數控機床向數控加工中心發展，加工中心可使多道工序集中在一臺機床上完成，減少了機床，壓縮了半成品庫存存量，減少了工序的輔助時間，提高了生產率和加工質量。

繼數控加工中心出現之后，又出現了數控機床、工業機器人（或工件交換機）和工件臺架組成的加工單元，工件的裝卸、 加工實現全自支化控制。

為實現工件自動裝卸，以鏜銑床為基礎的數控加工中心可使用兩個交換工作臺。一個工作臺加工工件時，別一個工作臺由工人裝夾待加工的工伯，在計算機控制下，自動地把待加工工伯送去加工，并自動指卸下加工好的工件，工件由自動輸送車搬動。如果這種加工中心有較多的交換工作臺，便可實現長時間無人看管加工。這種形式的數控機床稱為柔性制造單元。

2.計算機控制性能的發展

目前，數控系統大都采用多個微處理器組成的微型計算機作為數控裝置的核心，因而數控機床的功能大大增強。但隨著著人們對數控機床的精度和進給速度要求進一步提高，要求計算機的運算速度就更高。現在計算機控制系統使用的16位CPU不涌滿意足這種要棣，所以國外各大公司競相開發32位微處理器的超高頻算機數控系統。這種控制系統更像通用的計算機，可以使用感觸盤作為外存儲器并且允許使用高級語言編程。計算機數控系統還可含有可編程控制器，可完全代替傳統的斷電器邏輯控制，取消了龐大的電氣控制箱。

3.伺服驅動系統的發展

最早的數控機床采用步時宜電機和液壓轉矩入大器（又稱電液脈沖馬達）作為驅動電機。功率較大，可直接驅動機床，使用方便，逐漸取代了電流脈沖馬達。

20世紀60年代初期，美國和歐洲采用液壓伺服系統。同期，日本首先研制出一種新型小慣直流伺服電機，其動態響應快，不亞于液壓伺服系統，同時，用來驅動直流伺服電機的大功率晶閘管整流器的價格下降，所以在60年代中后期數控機床上普遍采用小慣量直流伺服電機。小慣量直流伺服電機最大的特點是轉速高，用于機床進給驅動時，必須使用齒輪減速箱，為了省去齒輪箱，70年代，美國蓋梯茨公司首先研制成功了大慣量直流伺服電機，又稱寬調速直流伺服電機，可以直接與機床的絲械相連。目前，許多數控機床都是使用大慣量直流伺服電機。

直流伺服電機結構復雜，經常需要維修。80年代初期美國通用電氣公司成功研制出籠型異步交流伺服電機。交流伺服電機的優點是沒有時快時電刷，避免了滑動摩擦，盍時無火花，進一步搞了可靠性，交流伺服電機也可以直接與滾珠絲杠相互連接，調整范圍與大尼量直流伺服電機相近。根據統計，歐美日近年生產的數控機床，采用交流伺服電機進行調速的占80%以上，采用直流伺服電機的所占比例不足20%/楞以捍出，采用交流伺服電機的調整系統已以成為數控機床的主要調速方法。

4.自適應控制

閉環控制的數控機床，主要監控機床和刀具的相對位置或移動軌跡的精度。數控機床嚴格按照加工前編制的程序自動進行加工，但是有一些因素（例如，工件加工余量不一致，工件的材料質量不均勻，刀具磨損等引起的切削的變化，以及加工時溫度的變化等），在編制程序時無法準確考慮，往往根據可能出現的最壞情況估算，這樣就沒有充分發揮數控機床的能力。如果能在加工過程式中，根據實際參數的變化值，自動改變機床切削進給量，使數控機床能適應任一瞬時的變化，始妖冶保持在最佳加工狀態，這種控制方法叫自適應控制方法，其工作過程式是通過各種傳感順測得的加工過程式中參數的變化信息，并傳送到自適應控制器，與預先存儲的有關數據進行比較分析，然后發出校正指令送到數控裝置，自動修正程序中的有關數據。

計算機控制裝置為自自適應挖掘提供了物質條件，只要在傳感器檢測技術方面有所突破，數控機床的自適應能力必將大大提高。

5.計算機群控

計算機群控可以簡單地理解為，用一臺大型通用計算機直接控制一群機訂，科稱DNC系統。根據機床群與計算機連接的方式不同，可以分為間接型和計算機網絡三種不同方式。

間接型DNC是使用主計算機控制每臺數控機床，加工程序全存放在主計算機內，加工伯件時，由主計算機將加工程序分別送到每臺數控機床的數控裝置中，每臺數控機床還保留插補運算等控制功能。

在直接型DNC中，機床群中每臺機床不再安裝數控裝置，只有一個由伺服驅動電路和操作面板組成的機床控制器。加工過程所需要的插補運算等功能全部集中，由主計算機完成。這種系統內的任何一臺數控機床都不能脫離主計算機單獨工作。

計算機網絡DNC系統，該系統使用計算機網絡協調各個數控機床工作，最終可以將該系統與整個工廠的計算機邊成網絡，形成一個較大的、較完整的制造系統。

6.柔性制造系統（FMS）

柔性制造系統是一種把自動化加工設備、物流自動化加工處理和信息流自動處理融為一體的智能化加工系統。進入20世紀80年代之后，柔性制造系統得到迅速發展。

(1)加工子系統

根據工件的工藝要求，加工子系統差別很大。加工子系統由數控車床、數控端面外圓磨床、  數控車床、立式加工中心和臥式加工中心組成，五個加工單元配有四臺工業機器人，單元2還配有數控清洗機，該系統可以加工伺服電機的軸類、法蘭盤類、支架體類和殼體類等共14種零件。

(2)物流子系統

該系統由自動輸送小車、各種輸送機構、機器人、工件裝卸站、工件存儲工位、刀具輸入輸出夔刀庫等構成。物流子系統在計算機的控制下生動完成刀具和工件的輸送工作。

(3)信息流子系統

該系統由主計算機、分級計算機及其接口、外圍設備、各種控制裝置的硬件和軟件組成。信息流子系統的主要功能是實現各子系統之間的信息聯系，對系統進行管理，確保系統的正常工作。對一個復雜系統，只有通過計算機分組管理才能對系統進行更有效的管理，保證在工作時各部分保持協調一致。

對FMS，計算機系統一般分為三級：第一級為主計算機，又稱為管理計算機。管理計算機要根據調度作業命或命令根據現聲反饋信號（如故障、報警信號）運行“作業高度軟件”，實現各種工況的作業調度計劃，并對下一級計算機發出相應的控制指令；第二級為過程控制計算機，包括計算機群控（DNC）、刀具管理計算機和工件管理計算機，其作用是接收主計算楊的指令，根據指令對下屬設備實施具體管理；第三級由各設備的控制計算機構成，實現具體的程序動作。

信息流子系統由中央管理計算機、物流控制計算機、單元控制計算機、各數控機床和機器人中的數控裝置及信息傳送網絡組成。