1、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與展望第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 本章通過(guò)介紹數(shù)控技術(shù)近期來(lái)的一些新技術(shù)，展望數(shù)拌機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)。  笫一次工業(yè)革命是以蒸汽機(jī)為代表的動(dòng)力革命；第二次工業(yè)革命，是以電子計(jì)算機(jī)為代表的信息革命。第一次工業(yè)革命是人的體力的放大；第二次工業(yè)革命是人的智力的放大。  電子計(jì)箅機(jī)代替了人的部分腦力勞動(dòng)，成千上萬(wàn)倍地放大了人的智力，使人的體力的放大與智力協(xié)調(diào)起來(lái)，使生產(chǎn)的發(fā)展有了一次新的飛躍。  第二次工業(yè)革命在機(jī)械方面的突出標(biāo)志之一是數(shù)控機(jī)床的研制成功和廣泛應(yīng)用。國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議（CIPP）調(diào)査了今后二十五年加工技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，認(rèn)為到1990年有50%的機(jī)床將

2、實(shí)現(xiàn)數(shù)控，到2000年可實(shí)觀生產(chǎn)過(guò)程的全面自動(dòng)化。     數(shù)控技術(shù)目前在世界各工業(yè)聞家發(fā)展極為迅速，其原因一方面與各國(guó)熟練工人日漸短少、人事費(fèi)用高昂、商品改型頻繁的背景有關(guān)，但主要的還是由于科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的耑要，同時(shí)還因數(shù)控技術(shù)正在迅速克服它本身存在的影響其發(fā)展的兩個(gè)最大障礙：穩(wěn)定性差和價(jià)格高。  大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)的應(yīng)用，是目前數(shù)控技術(shù)的重要特點(diǎn)，它們使穩(wěn)定性和價(jià)格的問(wèn)題都得到不同程度的解決。尤其是使用微處理機(jī)的數(shù)控裝罝，一般情況下可比同等機(jī)能的普通數(shù)控裝置元件數(shù)量大為減少。如以數(shù)控車(chē)床用的數(shù)控裝置為例，印刷線路板可以分立元件的2

3、80塊減少到2塊，線頭、焊點(diǎn)也大為減少，從而使價(jià)格大幅度下降，穩(wěn)定性大大提高。  而目前數(shù)控機(jī)床發(fā)展的總的趨勢(shì)是，一方面發(fā)展機(jī)能齊全、自動(dòng)化程度髙的數(shù)控機(jī)床，以促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，另一方面是普遍推廣簡(jiǎn)易數(shù)控技術(shù)，以加速現(xiàn)有生產(chǎn)體系的改造。第二節(jié) 簡(jiǎn)易數(shù)控  簡(jiǎn)易數(shù)控包括兩種不同的概念和內(nèi)容，一種是部分運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)以改造普通機(jī)床的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，另一種是進(jìn)一步簡(jiǎn)化了數(shù)控編程手續(xù)和控制裝置的簡(jiǎn)易數(shù)控裝置。一、簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床  所謂簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，就是它的主要加工機(jī)能具備了數(shù)字控制的基本功能，能自動(dòng)完成主要加工任務(wù)，而其它的一些輔助機(jī)能則不一定都是自動(dòng)完成的，可以在工

4、作人員操縱下完成。例如在車(chē)床上車(chē)削臺(tái)階軸，它的主要加工內(nèi)容是車(chē)外圓、端面及倒45°角。針對(duì)這類(lèi)零件的簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床，只要能對(duì)刀具的縱向、橫向兩個(gè)座標(biāo)方向及縱橫合成的45°方向的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字控制就行了，而對(duì)主軸變速、進(jìn)給變速和換刀.等輔助動(dòng)作，則可不考慮數(shù)字控制。  簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床由于控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)床原有結(jié)構(gòu)變動(dòng)量少，成本低廉，制造輊易，操作簡(jiǎn)便，因而推廣價(jià)值很大。國(guó)內(nèi)外許多資料表明，許多老機(jī)床改裝為簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床或加上數(shù)控裝置后，不但提高了效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還提高了機(jī)床精度。因此，可以認(rèn)為，這是各種普通機(jī)床的改裝和自制簡(jiǎn)易專(zhuān)用設(shè)備的一個(gè)方向。_二、簡(jiǎn)易數(shù)控

5、裝置  數(shù)控技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但受數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整和編程工作的影響，機(jī)床利用率受到一定限制，并需配備專(zhuān)人編制程序，這也是影響數(shù)控技術(shù)廣泛使用的重要原因之一。為解決上述問(wèn)題，一方面需加強(qiáng)程序的自動(dòng)化編制工作，另一途徑就是發(fā)展節(jié)省編程手續(xù)的簡(jiǎn)易數(shù)控裝置。近年來(lái)，各種類(lèi)型的簡(jiǎn)易數(shù)控裝置發(fā)展很快。     順序控制器(Sequential controller)和可編程序控制器（Programmable controller)是引起人們?cè)絹?lái)越重視的一種簡(jiǎn)易數(shù)控裝置。它們本身還不是一個(gè)計(jì)箅裝置，而是一種帶有可編程序的工業(yè)控制裝置。它的輸入信息可以來(lái)自極限開(kāi)關(guān)、

6、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)和按鈕等，輸出信號(hào)可以是直接控制接觸器、啟動(dòng)器和其它動(dòng)力控制器的觸點(diǎn)，也可以是電磁線圈、指示器等的交、直流信號(hào)。  采用凸輪或同步馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鼓形開(kāi)關(guān)來(lái)提供邏輯功能的，稱(chēng)為固定式順序控制器；采用矩陣插銷(xiāo)板等在一定范圍內(nèi)變動(dòng)順序及內(nèi)容的，稱(chēng)為半固定式順序控制器；采用磁芯存儲(chǔ)器或集成電路存鍺器的裝置，有準(zhǔn)計(jì)算機(jī)能力而且順序可變的，則稱(chēng)為可編程序控制器。這類(lèi)控制裝置，由于其控制功能可按照不同的工業(yè)用途靈活可變地編程，且具有編程簡(jiǎn)單、工作可靠、處理能力強(qiáng)，安裝和維護(hù)容易，體積小和可向外擴(kuò)展等特點(diǎn)，已被廣泛用于自動(dòng)生產(chǎn)線，專(zhuān)用機(jī)床以及其它各種工業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng)，很有替代傳統(tǒng)的繼電器

7、同定程序方式的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)的趨勢(shì)。  近來(lái)，國(guó)外某些簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)又開(kāi)始釆用小型盒式磁帶機(jī)，作為程序輸入裝罝。這種裝置可以由操作人員直接通過(guò)控制臺(tái)上的撥碼開(kāi)關(guān)或數(shù)字按鍵，手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，也可以通過(guò)錄返控制方式進(jìn)行操作。所謂錄返方式，即加工第一個(gè)工件時(shí)，由操作人員進(jìn)行手工操作，與此同時(shí)磁帶機(jī)錄出全部操作程序與進(jìn)給數(shù)值，當(dāng)加工其余工件時(shí)，就由錄在磁帶上的程序自動(dòng)操縱機(jī)床。如在加工中發(fā)現(xiàn)加工程序、零件尺寸、位移距離等有不合適之處時(shí)，可以隨時(shí)通過(guò)手動(dòng)輸入開(kāi)關(guān)進(jìn)行修正。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省略了編程和紙帶打孔、讀帶等設(shè)備，操作容易，使用和維護(hù)很方便，磁帶可以反復(fù)使用，使用壽命長(zhǎng)，因此推廣價(jià)

8、值很大。  還有一種手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入方式稱(chēng)為是新出現(xiàn)的一種簡(jiǎn)易數(shù)控方式，其中使用了微處理璣與大規(guī)模集成電路。它與一般手動(dòng)輸入一次只能輸入一個(gè)程序段不同，而可用鍵盤(pán)或撥碼開(kāi)關(guān)一次連續(xù)輸入幾個(gè)乃至幾十個(gè)程序段，記憶在貯存器中，然后依次執(zhí)行。這種方式也稱(chēng)為無(wú)帶控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、操作方便，很有發(fā)展前途。 第三節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)控 一、小型計(jì)算機(jī)數(shù)控  小型計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer numerical control）簡(jiǎn)稱(chēng)CNC,它與一般數(shù)控的不同之處，在于將小型電子計(jì)算機(jī)組織到數(shù)控裝置中去，代替了原有的插補(bǔ)及控制電路。小型計(jì)箅機(jī)包括三個(gè)部分，即邏輯單元及運(yùn)算

9、器，磁芯存儲(chǔ)器或半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，以及控制器。欲使CWC適用于某類(lèi)機(jī)床，需事先將相應(yīng)的插補(bǔ)機(jī)能及控制該類(lèi)機(jī)床的其它有關(guān)機(jī)能，編制“程序控制指令”，輸入并儲(chǔ)存到小型電子計(jì)算機(jī)的磁芯存儲(chǔ)器中。這種程序控制指令只要輸入一次，即可在磁芯存儲(chǔ)器中長(zhǎng)期保存。此后，和一般數(shù)控裝置一樣，只要輸入數(shù)控指令紙帶，即可控制機(jī)床工作。  由于計(jì)算機(jī)數(shù)控的數(shù)控機(jī)能是由程序控制指令決定的，改變程序控制指令就能適應(yīng)各種不同類(lèi)型的機(jī)床品種及其它設(shè)備的需要，因此它具有很大的通用性和靈活性。很明顯，普通數(shù)控裝置的控制邏輯是由固定接線的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)而言，CNC則把原來(lái)的硬件給“軟化”了，從而得到了可以改變邏輯的好處，

10、因此，CWC也叫軟線數(shù)控。同時(shí)，由于它具有計(jì)算機(jī)的能力，所以編程比較簡(jiǎn)單，功能齊全，對(duì)環(huán)境要求不高，與普通數(shù)控相比可靠性大為提高，顯著減少了把干擾作為數(shù)據(jù)讀入的可能性。采用了便于組織成批生產(chǎn)的，標(biāo)準(zhǔn)的小型計(jì)數(shù)機(jī)，可顯著地縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造周期，降低系統(tǒng)的制造成本。  小型計(jì)箅機(jī)控制系統(tǒng)1968年才研制問(wèn)世，近年來(lái)發(fā)展很快，已成功用于各類(lèi)數(shù)控機(jī)床，成為數(shù)控技術(shù)當(dāng)今發(fā)展主要方向之一。但與一般數(shù)控系統(tǒng)相比，CWC價(jià)格昂貴，目前多用于比較復(fù)雜的機(jī)床，如五座標(biāo)數(shù)控機(jī)床，適應(yīng)控制機(jī)床，加工中心機(jī)床和數(shù)控繪圖機(jī)等。隨著大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，小型計(jì)算機(jī)價(jià)格將顯著降低，這將使CWC得到更快發(fā)展。

11、二、計(jì)算機(jī)直接數(shù)控  計(jì)算機(jī)直接數(shù)控簡(jiǎn)稱(chēng)是用大型通用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)程序和輸出數(shù)據(jù)，直接輸給機(jī)床的控制系統(tǒng)，來(lái)控制多臺(tái)機(jī)床的，因此也稱(chēng)“群控”。  DNC的主要機(jī)能為：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和數(shù)臺(tái)機(jī)床聯(lián)接，依靠計(jì)算機(jī)直接控制機(jī)床群；加工數(shù)據(jù)一次記入存儲(chǔ)器，加工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需處理紙帶；具有加工程序的調(diào)整機(jī)能，具有現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的調(diào)整機(jī)能;具有運(yùn)轉(zhuǎn)情況的控制機(jī)能，可對(duì)有關(guān)機(jī)器進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制；具有編制作業(yè)日程和記錄工作結(jié)果的機(jī)能。  DNC根據(jù)其運(yùn)轉(zhuǎn)方式，可分為兩類(lèi)，即“程序運(yùn)轉(zhuǎn)”方式和“呼叫運(yùn)轉(zhuǎn)”方式。前者是按規(guī)定的程序，控制機(jī)床分別按順序進(jìn)行加工；后者是通過(guò)編碼器發(fā)出不同的代碼信號(hào)，將工件

12、號(hào)、機(jī)床號(hào)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即從外儲(chǔ)存器中取出加工程序和數(shù)據(jù)，控制機(jī)床加工。  DNC根據(jù)其控制方式，也可分為兩類(lèi)，即“間接”型和“直接”型。間接型也稱(chēng)為中的K系統(tǒng)，它由數(shù)控聯(lián)接裝置把計(jì)算機(jī)和一般數(shù)控裝置聯(lián)接起來(lái)，而由計(jì)算機(jī)將紙帶、數(shù)據(jù)、圖象等信號(hào)分別送到每臺(tái)機(jī)床附屬的普通數(shù)控裝置中去，控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn),直接型也稱(chēng)為中的T系統(tǒng)，它由計(jì)算璣、分時(shí)機(jī)構(gòu)和機(jī)床控制器組成。所謂分時(shí)機(jī)構(gòu)是使計(jì)算機(jī)的邏輯線路能得到更經(jīng)濟(jì)、更有效的利用的一種技術(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)具有很高的工作速度，特別是在進(jìn)行短行計(jì)算時(shí)，這種速度比每臺(tái)數(shù)控機(jī)床的加工插補(bǔ)運(yùn)算所需速度髙得多，因此這就可以利用同一邏輯線路，依次輪流為每臺(tái)機(jī)床分別

13、進(jìn)行多種運(yùn)算。依靠分時(shí)機(jī)構(gòu)的多重性，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)為許多機(jī)床服務(wù)，而機(jī)床群中的每臺(tái)機(jī)床則可不必再裝設(shè)普通的數(shù)控裝置，只需有一個(gè)由伺服機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)單手動(dòng)操作電路和中斷電路組成的機(jī)床控制器即可。因此，這種系統(tǒng)在用于多臺(tái)機(jī)床時(shí)，既較經(jīng)濟(jì)，可靠性又髙，便于維修。DNC系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備投資大，目前應(yīng)用還不夠廣泛。三、適應(yīng)控制  數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)主要是控制零件和刀具間相對(duì)位置及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通常程序一旦編好，在切削過(guò)程中不管切削條件發(fā)生什么變化，切削用量也不能改變。顯然，這將大大影響數(shù)控機(jī)床的效能。特別是在加工大型或難加工材料的工件時(shí)，毛坯很昂貴，常?？赡苡捎谶x定的切削用量不符合具體切削條件，而引起刀具

14、破損，甚至使工件報(bào)廢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，大約有三十多種變量影響著加工過(guò)程，例如刀具的質(zhì)量與幾何參數(shù)，工件毛坯的加工余量，材料的均勻性、硬度、傳熱性、密度和化學(xué)親和力，切削系統(tǒng)剛度變化,冷卻和潤(rùn)滑情況等。而所謂適應(yīng)控制（Adaptive control）就是針對(duì)上述問(wèn)題，使機(jī)床能隨切削條件的變化而改變切削用量，使之處于最佳切削條件的一種控制系統(tǒng)。  據(jù)介紹，應(yīng)用適應(yīng)控制系統(tǒng)，可使生產(chǎn)率比一般數(shù)控機(jī)床提高20100%，刀具壽命提高50100%,精度成倍提髙，光潔度提高一至二級(jí)。目前，由于此種系統(tǒng)贊用較髙，在一定程度上妨礙了其推廣使用。  適應(yīng)控制系統(tǒng)是以利用和處理工藝過(guò)程中

15、直接得到的信息為依據(jù)的，按其控制條件大致可分為三類(lèi)，即最佳適應(yīng)控制，限制式適應(yīng)控制和學(xué)習(xí)適應(yīng)控制，下面分別給以簡(jiǎn)要介紹。1、最佳適應(yīng)控制  最佳適應(yīng)控制（Adaptive control optimization），簡(jiǎn)稱(chēng)ACO，即在保證安全、不出廢品等條件下，按照為達(dá)到最低成本所規(guī)定的“評(píng)價(jià)函數(shù)式”計(jì)算切削用量，以保證最髙的生產(chǎn)率和最佳的刀具壽命。所謂“評(píng)價(jià)函數(shù)式”，是應(yīng)用變分原理，用計(jì)箅方法獲得最佳適應(yīng)控制函數(shù)的計(jì)算方式。由于檢測(cè)切削參數(shù)的技術(shù)比較復(fù)雜，并且在加工過(guò)程中還要隨時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行反映加工成本的評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算，從而隨時(shí)判斷出偏離最佳目標(biāo)的程度，并采取措施自動(dòng)改進(jìn)操作所以此

16、種系統(tǒng)需具備計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算機(jī)，設(shè)備費(fèi)用較髙。2、限制式適應(yīng)控制  限制式適應(yīng)控制（Adaptive control constraint）簡(jiǎn)稱(chēng)ACC，它以比較易于檢測(cè)的參數(shù)作為限制條件，并通過(guò)大量工藝試驗(yàn)來(lái)確定限制條件，在這些限制條件范圍內(nèi)，盡可能的提髙切削用量。其內(nèi)容，在機(jī)床驅(qū)動(dòng)能力方面，可選擇扭矩和功率等參數(shù)，在刀具方面，可選擇切削力和切削速度等參數(shù)，在工件方面，可選擇其尺寸和幾何精度等參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)不作評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算，而只作模擬量的比較，因此限制式適應(yīng)控制的性能和效果比最佳適應(yīng)控制稍差。但由于其限制參數(shù)比較容易檢測(cè)，結(jié)構(gòu)不十分復(fù)雜，所以較為實(shí)用。3、學(xué)習(xí)適應(yīng)控制 

17、 學(xué)習(xí)適應(yīng)控制簡(jiǎn)稱(chēng)它是一種具有學(xué)習(xí)能力的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的加工結(jié)果，分析出造成偏離最佳目標(biāo)的原因，并修改已定評(píng)價(jià)函數(shù)，使之適合于當(dāng)時(shí)的加工環(huán)境。也就是說(shuō)，它能根據(jù)前面加工中的經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)修改達(dá)到最佳化的方法，以保證達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。顯然，它比僅以保證最低成本為目標(biāo)的最佳適應(yīng)控制和限制式適應(yīng)控制系統(tǒng)還要復(fù)雜。  此外，國(guó)外目前還在研制一種預(yù)把測(cè)量系統(tǒng)，能在機(jī)床加工未超差時(shí)就發(fā)出預(yù)報(bào)信號(hào)，并對(duì)機(jī)床給出充分的信息，以實(shí)現(xiàn)更佳的適應(yīng)控制。第四節(jié)自動(dòng)化工廠  未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的方向是自動(dòng)化工廠。自動(dòng)化工廠意味著全部生產(chǎn)過(guò)程的綜合自動(dòng)化，亦即生產(chǎn)設(shè)備、物質(zhì)流和信息流的全面的無(wú)人化控制

18、，而數(shù)控則是自動(dòng)化工廠的基礎(chǔ)。目前，國(guó)外已設(shè)計(jì)出第一批的無(wú)人化機(jī)械加工車(chē)間，無(wú)人化倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)輸線，無(wú)人化自動(dòng)裝配線，無(wú)人化自動(dòng)檢査和試驗(yàn)設(shè)備，無(wú)人化生產(chǎn)管理和調(diào)度系統(tǒng)。有的已投入實(shí)際使用。如果進(jìn)一步將這些無(wú)人化的生產(chǎn)、運(yùn)輸和管理單元聯(lián)接起來(lái)，就可以構(gòu)成自動(dòng)化工廠。無(wú)人化車(chē)間并不是指車(chē)間已完全沒(méi)有人，而是指人已脫離了生產(chǎn)過(guò)程中的直接體力勞動(dòng)和生產(chǎn)管理，而主要從事于控制裝置的操縱。  近年來(lái)，在自動(dòng)化技術(shù)中，多數(shù)趨于采用“集中控制”的技術(shù)，即用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)對(duì)所需要控制的機(jī)床群和其它設(shè)備進(jìn)行全面控制。這種方法雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些弱點(diǎn)，例如，由于功能過(guò)分“集中”在一臺(tái)計(jì)算汎上，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，便可能出現(xiàn)全面停產(chǎn)的嚴(yán)重事故。為此，又發(fā)展了所謂“分散控制”和“分級(jí)控制”技術(shù)，即把控制對(duì)象分為獨(dú)立的若干部分，各部分分別由小型計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)控制，用一臺(tái)中央控制機(jī)