“高檔”“數(shù)控”“機(jī)床”

這六個(gè)字包含三層概念，我們一層一層來看。

 

 

一臺(tái) Handtmann PBZ HD 五軸數(shù)控銑床

首先，什么是“機(jī)床”？

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

 

第一臺(tái)真正意義上的機(jī)床其實(shí)是一臺(tái)鏜床，由英國(guó)實(shí)業(yè)家John Wilkinson于1775年發(fā)明[1]。這臺(tái)鏜床最開始的發(fā)明動(dòng)機(jī)是為了解決當(dāng)時(shí)軍事上制造高精度大炮炮筒的實(shí)際問題。

 

鏜削加工是一種用刀具擴(kuò)大回轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)，車削是一種用刀具減小回轉(zhuǎn)工件的外徑或進(jìn)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(jī)器。工作原理是：通過水輪使固定了鏜刀的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并使其相對(duì)圓筒工件推進(jìn)，其中固定了鏜刀的轉(zhuǎn)軸穿過圓筒并在兩端支撐，由于刀具與工件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，材料就被鏜出精度很高的圓柱形孔洞。

 

第一臺(tái)鏜床示意圖

并且該鏜床后來被用于蒸汽機(jī)氣缸的加工。起因是James Watt發(fā)明蒸汽機(jī)之后，發(fā)現(xiàn)采用鍛造的方法制造蒸汽機(jī)氣缸十分困難，且氣缸由于制造精度過低，漏氣嚴(yán)重，限制了蒸汽機(jī)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(jī)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(jī)床。[4]

鉆削（左邊）和銑削（右邊）過程

 

 

然后，什么是“數(shù)控機(jī)床”？

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）誕生。其最初研發(fā)動(dòng)機(jī)是在二戰(zhàn)背景下，應(yīng)美國(guó)軍方要求，制造一種以電子管代替繼電器的“電子化”計(jì)算裝置，用來計(jì)算炮彈彈道。

 

6 年后，即在 1952 年，Parsons公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，結(jié)合基于電子計(jì)算機(jī)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(tái)NC（Numerical Control）工作母機(jī)（又稱“數(shù)字控制機(jī)床”），從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化，標(biāo)志著機(jī)床開始進(jìn)入數(shù)控時(shí)代。[5]

第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床（銑床）

又過了6年，1958年麻省理工學(xué)院在美國(guó)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(jí)計(jì)算機(jī)編程語言，用來生成數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器被應(yīng)用到數(shù)字控制上，大幅提升功能，此類系統(tǒng)即稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC， Computer Numerical Control），應(yīng)用此系統(tǒng)的機(jī)床也被稱為CNC機(jī)床，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床，或簡(jiǎn)稱為“數(shù)控機(jī)床”。

 

數(shù)控機(jī)床中的數(shù)字控制（Numerical Control）技術(shù)是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種技術(shù)方法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing，IFIP）第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的定義：數(shù)控機(jī)床是裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該控制系統(tǒng)能邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)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(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按要求自動(dòng)將零件加工出來。

 

 

數(shù)控機(jī)床的加工過程

數(shù)控機(jī)床加工，將刀具與工件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)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(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量（即控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡），從而實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)零件的加工。

刀具沿各坐標(biāo)軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是以脈沖當(dāng)量為單位的（mm/pulse）。當(dāng)走刀軌跡為直線或圓弧時(shí)，數(shù)控裝置則在線段或圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后按中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，向各坐標(biāo)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(jìn)行的這種“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”稱為插補(bǔ)，一般數(shù)控裝置都具有對(duì)基本函數(shù)（如直線函數(shù)和圓函數(shù)）進(jìn)行插補(bǔ)的功能。實(shí)際上，在數(shù)控機(jī)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(xué)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(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控系統(tǒng)每輸出一個(gè)脈沖，機(jī)床移動(dòng)部件的位移量稱為脈沖當(dāng)量，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量一般為0.001mm，高精度的數(shù)控機(jī)床可達(dá)0.0001mm，其運(yùn)動(dòng)分辨率遠(yuǎn)高于普通機(jī)床。另外，數(shù)控機(jī)床具有位置檢測(cè)裝置，可將移動(dòng)部件實(shí)際位移量或絲杠、伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角反饋到數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行補(bǔ)償。因此，可獲得比機(jī)床本身精度還高的加工精度。數(shù)控機(jī)床加工零件的質(zhì)量由機(jī)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(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件加工。例如，采用二軸聯(lián)動(dòng)或二軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，可加工母線為曲線的旋轉(zhuǎn)體曲面零件、凸輪零件和各種復(fù)雜空間曲面類零件。

生產(chǎn)效率高。數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量范圍比普通機(jī)床的范圍大，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控機(jī)床采用大的切削用量，從而有效地節(jié)省了機(jī)動(dòng)時(shí)間。對(duì)某些復(fù)雜零件的加工，如果采用帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控加工中心，可實(shí)現(xiàn)在一次裝夾下進(jìn)行多工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時(shí)間，生產(chǎn)率的提高更為明顯。

對(duì)產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)的適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)被加工零件改型設(shè)計(jì)后，在數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)改型設(shè)計(jì)后零件的加工，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期大大縮短。因此，數(shù)控機(jī)床可以很快地從加工一種零件轉(zhuǎn)換為加工另一種改型設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的頻繁更新提供了極大的方便。

有利于制造技術(shù)向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械加工自動(dòng)化的基本設(shè)備，以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）[9]等綜合自動(dòng)化系統(tǒng)使機(jī)械制造的集成化、智能化和自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。這是由于數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用數(shù)字信息與標(biāo)準(zhǔn)化代碼輸入、并具有通信接口，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，最適宜計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)接，組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過程的計(jì)算、管理和控制。

監(jiān)控功能強(qiáng)，具有故障診斷的能力。CNC系統(tǒng)不僅控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，而且可對(duì)機(jī)床進(jìn)行全面監(jiān)控。例如，可對(duì)一些引起故障的因素提前報(bào)警，進(jìn)行故障診斷等，極大地提高了檢修的效率。

減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件。

 

 

最后，什么是“高檔數(shù)控機(jī)床”？

“高檔”或“高端”數(shù)控機(jī)床的定義：具有高速、精密、智能、復(fù)合、多軸聯(lián)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能的數(shù)控機(jī)床。其發(fā)展象征著國(guó)家目前的機(jī)床制造業(yè)占全世界機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先進(jìn)階段，因此國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等高檔機(jī)床技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家工業(yè)化的重要標(biāo)志。[10]

 

DMG 五軸加工中心

數(shù)控機(jī)床按機(jī)床的功能水平可分為低、中、高三檔。這種分類方式，在我國(guó)用的很多。低、中、高檔的界限是相對(duì)的，不同時(shí)期的劃分標(biāo)準(zhǔn)有所不同，就目前的發(fā)展水平來看，大體可以從以下幾個(gè)方面區(qū)分（當(dāng)然，這種分類不可能包含所有指標(biāo)）：

 

 

高、中、低檔數(shù)控機(jī)床對(duì)比

隨著先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)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。