数控技术及发展趋势

1.1.1  数控技术的基本概念
  
数控技术是指用数字或数字化信号构成的程序对设备的工作过程实现自动控制的一门技术，简称数控（NC，Numerical Control）。数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统。
数控设备则是采用数近系统进行控制的机械设备。其操作命令刘用数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按照指令的程序自动地进行，装备了数控系统的机床称为数控机床。数控机床是数控设备的典型代表，其他数控设备包括数控火焰切割机、数控测量机、数控绘图机、电脑绣花机、工业机器人等。
数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计与制造等技术的最新成果，具有动作顺序的程序自动控制，位移和相对位置坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能。
为缩短新产品的开发周期，解决复杂型面零件的加工自动化问题并保证产品质量，因此产生了数控机床及由其组成的加工中心（MC，Machining Center）、柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）等等。自1952年第一台数控机床问世到如今的50多年中，以电子信息为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压扬动技术、光电技术于一体的数控技术得到了迅速发展而广泛的应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替，从而形成了巨大的生产力，导致制造业发生了根本性的变化。数控技术已成为现代制造技术的基础。数控技术水平的高低，数控机床拥有量的多少已经成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。
数控机床已广泛应用于飞机、汽车、船舶、家电、通讯设备等的制造。此外，数控技术也在机器人、绘图机械、坐标测量机、激光加工机及等离子切割机、注塑机等机械设备中得到了广泛的应用。
微电子技术（特别是数字计算机，尤其是微型计算机）的出现与发展，给数控技术提供了强有力的支持，使数控系统由模拟控制系统发展为数字控制系统。个人计算机直接用于数控系统而产生的计算机数控（CNC，Computer Numerical Control）装置，不论是运算速度、精度、还是系统的稳定性、可靠性，都比以前的数控系统有了极大的提高，给数控技术的发展带来了很强的生命力。
1．1．2  数控技术的发展趋势
20世纪末，随着数控技术的不断完善和数控加工的广泛应用，不仅使数控机床的自动诊断和自动编程有了很大发展，而且也出现了各种新型的数控系统，其中主要的几个发展动向是：
1  小型计算机数控（CNC）
小型计算机数控就是用一台小型通用计算机代替原来数控装置中的逻辑电路完成数控功能。
2  微机数控系统（MNC）
目前微机数控系统逐渐取代NC系统和CNC系统。由于微机体积小，内存容量大，可充分利用软件设计扩大其使用性能。一般MNC均兼有穿孔纸带和键盘输入，在只读存储器中固化有大量典型的循环子程序可供调用，以减轻编程工作量。全功能MNC系统均备有荧光屏显示，显示编程、加工执行程序的情况。该系统还能对微机各组成部分如输入装置、伺服放大装置等进行监控，当出现故障时，则自动停车、报警及故障显示，根据显示的代码便能容易地找出故障的位置与原因。
3  经济型数控（ENC）
经济型数控又称简易数控，是根据生产需要而制造的功能比较单一、系统比较简单、价格低廉的一种简易数控系统，主要是针对普通机床的改造。
4  自动换刀数控系统（MC）
自动换刀数控系统也称加工中心（Machining Center，简称MC），如下图所示，是一种能实现多工序加工的数控系统。这类系统控制的机床一般配有机械手和刀变本加厉（可存放16~100把刀具），工件经一次装夹，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工。
5  自适应控制系统（AC）
自适应控制系统（Adaptive  Control，简称AC）是20世纪60年代末发展起来的高精度、高效益的数控系统，目前有的MNC系统兼有AC功能。AC系统可对机床主轴转速、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动检测，并由中央处理单元进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC处于最佳切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门用于特种材料的加工。
6  计算机群控（DNC）
计算机群控是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行自动编程，并直接控制一群数控机床的系统。
7  柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统也叫做计算机群控自动线（Flexible Manufacturing System, 简称FMS），如图所示。它是由若干CNC设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的整体，并能根据制造任务和生产品种的变化而迅速进行调整的自动化制造系统。
8  计算机集成制造系统（CIMS）
计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件将制造工厂生产、经营的全部活动与整修生产过程有关的物料流与信息流实现计算机系统化的管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整生产系统，从而获得更高的整体效率，缩短产品开发制造周期，提高产品的质量，提高生产率，提高企业的应变能力。
随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高，随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这就要求数控机床成为一种具有高效率、高质量、高柔性和低成本的新一代制造设备。尤其是随着FMS的迅猛发展和CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求。现代数控技术正向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能发展。目前数控技术的发展主要有以下几个方面。
1  高速化与高精度化。要实现数控机床高速化，首先要法语计算机系统读入加工指令数据后能高速处理并计算出伺服电动机的移动量，并要求伺服系统能快速地作出瓜为使数控机床在极短的空程内由零加速到高速度和在高行程速度下保持高定位精度，必须具有高加速度、高精度的位置检测系统和伺服品质。此外，必须实现主轴、进给系统、刀具交换系统、托盘交换系统等各种关键部分的高速化。因此需要重新考虑设备的全部特性，即从机床的基础部件到刀架等等；数控机床的加工精度的提高，一般通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少CNC系统控制误差方面，通常采用的是提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，提高位置检测精度，以及在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。在采用补偿技术方面，除采用齿隙补偿，丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，设备的热变形误差补偿技术和空间误差的综合补偿技术已成为世界范围的研究课题。
2  智能化。在数控机床工作过程中，有放多变量直接或间接影响加工效果，如工件毛坯余量不均匀、材料硬度不一致、刀具磨损或破损、工件变形、化学亲和力、润滑和切削液等因素。这些变量是事先难以预测的，编制加工程序时往往凭经验数据，而实际加工时，难以用最佳参数进行切削。现代数控机床采用了自适应控制技术，它能根据切削条件变化而自动调整并保持最优工作状态，从而使得经济效果好，加工精度和表面质量高。
另外，在现代数控机床上装有各种类型的监控、检测装置，对工件及刀具进行监测，并监视加工全过程。一旦发现工件尺寸超差、刀具磨损破损，便立即报警，并补偿或调换刀具。
3  复合化。包括工序复合化和功能复合化。
4  高可靠性。现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实际工作条件进行检测并采取各种提高可靠性的措施予以保证。通常采用的可靠性技术有：冗余技术、故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术。采取以下措施提高系统的可靠性：提高元器件和系统的可靠性、采用抗干扰技术、使数控系统模块化、通用化和标准化、提高自诊断及保护功能。

  
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