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基 础 篇

课题一 数控机床基础

教学目标

1．了解数控机床的产生和发展。 2．了解数控机床的概念和组成。 3．了解数控机床的种类与应用。 4．了解数控机床加工的特点及应用。

1.1 数控机床的产生与发展

随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高、形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，生产企业也迫切需要进一步提高生产效率，提高产品质量及降低生产成本。在这种背景下，一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量及新型机械结构等多方面的技术成果，形成了今后机械工业的基础并指明了机械制造工业设备的发展方向。

1．数控机床的产生

数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（Parsons Co.）在完成研制加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初步设想。1949年，在美国空军后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始数控机床的研制工作。经过3年的研究，世界上第一台数控机床试验样机于1952年试制成功。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制系统铣床，其数控系统全部采用电子管元件，其数控装置体积比机床本体还要大。后来经过3年的改进和自动编程研究，该机床于1955年进入试用阶段。此后，其他一些国家（如德国、英国、日本、

前苏联和瑞典等）也相继开展数控机床的研制开发和生产。1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center），这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工。但是，直到20世纪50年代末，由于价格和其他因素的影响，数控机床仅限于航空、军事工业应用，品种也多为连续控制系统。直到20世纪60年代，由于晶体管的应用，数控系统进一步提高了可靠性且价格下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数为钻床、冲床等点定位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术应用范围不断地得到扩展。

2．数控机床的发展概况

自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了5个发展阶段。

第1代数控机床：1952—1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（Numerical Control，NC）。

第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control，CNC）。

第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（Microcomputer Numerical Control，MNC）。

近年来，微电子和计算机技术日益成熟，其成果正不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控（DNC）系统、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。这些高级的自动化生产系统均以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。

（1）计算机直接数控系统

所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。中央计算机具有足够的内存容量，因此可统一存储、管理与控制大量的零件程序。利用分时操作系统，中央计算机可以同时完成一群数控机床的管理与控制，因此也称它为计算机群控系统。

目前DNC系统中的各台数控机床都有各自独立的数控系统，并与中央计算机连成网络，实现分级控制，而不再考虑让一台计算机去分时完成所有数控装置的功能。

随着DNC技术的发展，中央计算机不仅用于编制零件的程序以控制数控机床的加工过程，而且进一步控制工件与刀具的输送，形成了一条由计算机控制的数控机床自动生产线，它为柔性制造系统的发展提供了有利条件。

（2）柔性制造系统

柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计算机群控自动线，它

是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。其特点是由一台主计算机对全系统的硬、软件进行管理，采用DNC方式控制两台或两台以上的数控加工中心机床，对各台机床之间的工件进行调度和自动传送；利用交换工作台或工业机器人等装置实现零件的自动上料和下料，使机床每天24小时均能在无人或极少人的监督控制下进行生产。如日本FANUC公司有一条FMS由60台数控机床、52个工业机器人、两台无人自动搬运车、一个自动化仓库组成，这个系统每月能加工10000台伺服电机。

（3）计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。它是在生产过程自动化（例如计算机辅助设计、计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助制造、柔性制造系统等）的基础上，结合其他管理信息系统的发展逐步完善的，有各种类型计算机及其软件系统的分析、控制能力，可把全厂的生产活动联系起来，最终实现全厂性的综合自动化。

3．我国数控机床发展概况

我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控铣床加工平面零件自动编程的研究。1972—1979年是数控机床的生产和使用阶段，例如清华大学成功研制了集成电路数控系统；在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究和应用数控技术；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从20世纪80年代开始，随着改革开放政策的实施，我国先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。到“八五”末期，我国数控机床的品种已有200多个，产量已经达到年产10000台的水平，是1980年的500倍。我国数控机床在品种、性能以及控制水平上都有了新的飞跃，数控技术已经进入了一个继往开来的发展阶段。

4．数控机床的发展趋势

从数控机床的技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有更高层次的柔性制造系统和计算机集成系统的适应能力。我国国产数控设备的主轴转速已达10000~40000r/min，进给速度达到30~60m/min，换刀时间t<2.0s，表面粗糙度Ra<0.008μm。

在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANUC公司、德国的SIEMENS公司和美国的A-B公司，其产品都在向系列化、模块化、高性能和