“高檔”“數(shù)控”“機床”

這六個字包含三層概念，我們一層一層來看。

 

 

一臺 Handtmann PBZ HD 五軸數(shù)控銑床

首先，什么是“機床”？

狹義上的“機床”通常指的是“切削機床”（說“狹義上”，是因為現(xiàn)在也出現(xiàn)了類似于3D打印等增材制造機床或其他特種機床），切削機床采用切削的方法將工件毛坯加工成機器零件的機器。也就是說，機床是制造機器的機器，所以也稱為“工作母機”，日語中稱為“工作機械（こうさくきかい）”，英語中稱為“Machine Tools”。

 

第一臺真正意義上的機床其實是一臺鏜床，由英國實業(yè)家John Wilkinson于1775年發(fā)明[1]。這臺鏜床最開始的發(fā)明動機是為了解決當時軍事上制造高精度大炮炮筒的實際問題。

 

鏜削加工是一種用刀具擴大回轉工件上孔或其它圓形輪廓內(nèi)徑的切削工藝。其與車削相對應，車削是一種用刀具減小回轉工件的外徑或進行端面成型的切削工藝。[2]

 

 

鏜削（左邊）和車削（右邊）過程

47歲的Wilkinson在他父親的工廠里經(jīng)過不斷努力，終于制造出了這種能以罕見的精度制造出大炮炮筒的新機器。工作原理是：通過水輪使固定了鏜刀的轉軸旋轉，并使其相對圓筒工件推進，其中固定了鏜刀的轉軸穿過圓筒并在兩端支撐，由于刀具與工件之間有相對運動，材料就被鏜出精度很高的圓柱形孔洞。

 

第一臺鏜床示意圖

并且該鏜床后來被用于蒸汽機氣缸的加工。起因是James Watt發(fā)明蒸汽機之后，發(fā)現(xiàn)采用鍛造的方法制造蒸汽機氣缸十分困難，且氣缸由于制造精度過低，漏氣嚴重，限制了蒸汽機的制造及其使用效率的提高。[3]在采用了該鏜床之后，可以制造50英寸以上的高精度氣缸，極大地提升了蒸汽機氣缸的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并因此獲得了巨大的成功。

 

之后，為了滿足各種不同加工工藝的需求，又相繼出現(xiàn)了車床、銑床、刨床、磨床、鉆床等等各種類型的機床。[4]

鉆削（左邊）和銑削（右邊）過程

 

 

然后，什么是“數(shù)控機床”？

第一臺電子計算機于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）誕生。其最初研發(fā)動機是在二戰(zhàn)背景下，應美國軍方要求，制造一種以電子管代替繼電器的“電子化”計算裝置，用來計算炮彈彈道。

 

6 年后，即在 1952 年，Parsons公司與麻省理工學院（MIT）合作，結合基于電子計算機的數(shù)字控制系統(tǒng)（Numerical Control System）與辛辛那提公司（ Cincinnati ）的銑床，研發(fā)出第一臺NC（Numerical Control）工作母機（又稱“數(shù)字控制機床”），從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化，標志著機床開始進入數(shù)控時代。[5]

第一臺數(shù)控機床（銑床）

又過了6年，1958年麻省理工學院在美國軍方贊助下與多家企業(yè)合作又開發(fā)出APT（Automatic Programming tools）[6]，即一種高級計算機編程語言，用來生成數(shù)控機床的工作指令。現(xiàn)在最常見的一種是采用RS-274格式指令，通常稱為“G代碼”。[7]

 

經(jīng)過計算機技術的不斷發(fā)展，微處理器被應用到數(shù)字控制上，大幅提升功能，此類系統(tǒng)即稱為計算機數(shù)字控制（CNC， Computer Numerical Control），應用此系統(tǒng)的機床也被稱為CNC機床，即計算機數(shù)字控制機床，或簡稱為“數(shù)控機床”。

 

數(shù)控機床中的數(shù)字控制（Numerical Control）技術是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種技術方法。數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing，IFIP）第五技術委員會，對數(shù)控機床的定義：數(shù)控機床是裝有程序控制系統(tǒng)的機床。該控制系統(tǒng)能邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)過運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按要求自動將零件加工出來。

 

 

數(shù)控機床的加工過程

數(shù)控機床加工，將刀具與工件的運動坐標分割成一些最小的單位量，即最小位移量，由數(shù)控系統(tǒng)按照零件程序的要求，使坐標移動若干個最小位移量（即控制刀具運動軌跡），從而實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成對零件的加工。

刀具沿各坐標軸的相對運動，是以脈沖當量為單位的（mm/pulse）。當走刀軌跡為直線或圓弧時，數(shù)控裝置則在線段或圓弧的起點和終點坐標值之間進行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標值，然后按中間點的坐標值，向各坐標輸出脈沖，保證加工出需要的直線或圓弧輪廓。

 

數(shù)控裝置進行的這種“數(shù)據(jù)點的密化”稱為插補，一般數(shù)控裝置都具有對基本函數(shù)（如直線函數(shù)和圓函數(shù)）進行插補的功能。實際上，在數(shù)控機床上加工任意曲線L的零件，是由該數(shù)控裝置所能處理的基本數(shù)學函數(shù)來逼近的，例如直線、圓弧等。自然，逼近誤差必須滿足零件圖樣要求。

 

與傳統(tǒng)機床相比，數(shù)控機床具有以下優(yōu)點：

 

加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控系統(tǒng)每輸出一個脈沖，機床移動部件的位移量稱為脈沖當量，數(shù)控機床的脈沖當量一般為0.001mm，高精度的數(shù)控機床可達0.0001mm，其運動分辨率遠高于普通機床。另外，數(shù)控機床具有位置檢測裝置，可將移動部件實際位移量或絲杠、伺服電動機的轉角反饋到數(shù)控系統(tǒng)，并進行補償。因此，可獲得比機床本身精度還高的加工精度。數(shù)控機床加工零件的質(zhì)量由機床保證，無人為操作誤差的影響，所以同一批零件的尺寸一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定。

能完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件加工。例如，采用二軸聯(lián)動或二軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床，可加工母線為曲線的旋轉體曲面零件、凸輪零件和各種復雜空間曲面類零件。

生產(chǎn)效率高。數(shù)控機床的主軸轉速和進給量范圍比普通機床的范圍大，良好的結構剛性允許數(shù)控機床采用大的切削用量，從而有效地節(jié)省了機動時間。對某些復雜零件的加工，如果采用帶有自動換刀裝置的數(shù)控加工中心，可實現(xiàn)在一次裝夾下進行多工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉時間，生產(chǎn)率的提高更為明顯。

對產(chǎn)品改型設計的適應性強。當被加工零件改型設計后，在數(shù)控機床上只需變換零件的加工程序，調(diào)整刀具參數(shù)等，就能實現(xiàn)對改型設計后零件的加工，生產(chǎn)準備周期大大縮短。因此，數(shù)控機床可以很快地從加工一種零件轉換為加工另一種改型設計后的零件，這就為單件、小批量新試制產(chǎn)品的加工，為產(chǎn)品結構的頻繁更新提供了極大的方便。

有利于制造技術向綜合自動化方向發(fā)展。數(shù)控機床是機械加工自動化的基本設備，以數(shù)控機床為基礎建立起來的FMC（Flexible Machine Center，柔性加工中心）、FMS（Flexible manufacturing system，柔性制造系統(tǒng)）[8]、CIMS（Computer-integrated manufacturing system，計算機集成制造系統(tǒng)）[9]等綜合自動化系統(tǒng)使機械制造的集成化、智能化和自動化得以實現(xiàn)。這是由于數(shù)控機床控制系統(tǒng)采用數(shù)字信息與標準化代碼輸入、并具有通信接口，容易實現(xiàn)數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，最適宜計算機之間的聯(lián)接，組成工業(yè)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程的計算、管理和控制。

監(jiān)控功能強，具有故障診斷的能力。CNC系統(tǒng)不僅控制機床的運動，而且可對機床進行全面監(jiān)控。例如，可對一些引起故障的因素提前報警，進行故障診斷等，極大地提高了檢修的效率。

減輕工人勞動強度、改善勞動條件。

 

 

最后，什么是“高檔數(shù)控機床”？

“高檔”或“高端”數(shù)控機床的定義：具有高速、精密、智能、復合、多軸聯(lián)動、網(wǎng)絡通信等功能的數(shù)控機床。其發(fā)展象征著國家目前的機床制造業(yè)占全世界機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先進階段，因此國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控機床等高檔機床技術作為一個國家工業(yè)化的重要標志。[10]

 

DMG 五軸加工中心

數(shù)控機床按機床的功能水平可分為低、中、高三檔。這種分類方式，在我國用的很多。低、中、高檔的界限是相對的，不同時期的劃分標準有所不同，就目前的發(fā)展水平來看，大體可以從以下幾個方面區(qū)分（當然，這種分類不可能包含所有指標）：

 

 

高、中、低檔數(shù)控機床對比

隨著先進生產(chǎn)技術的發(fā)展，要求現(xiàn)代數(shù)控機床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向發(fā)展。