高檔”“數控”“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 五軸數控銑床
首先,什麼是“機床”?
狹義上的“機床”通常指的是“切削機床”(說“狹義上”,是因為現在也出現了類似於3D打印等增材製造機床或其他特種機床),切削機床採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,機床是製造機器的機器,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,由英國實業家John Wilkinson於1775年發明[1]。這臺鏜床最開始的發明動機是為了解決當時軍事上製造高精度大炮炮筒的實際問題。
鏜削(左邊)和車削(右邊)過程
47歲的Wilkinson在他父親的工廠裡經過不斷努力,終於製造出了這種能以罕見的精度製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,並使其相對圓筒工件推進,其中固定了鏜刀的轉軸穿過圓筒並在兩端支撐,由於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
並且該鏜床後來被用於蒸汽機氣缸的加工。起因是James Watt發明蒸汽機之後,發現採用鍛造的方法制造蒸汽機氣缸十分困難,且氣缸由於製造精度過低,漏氣嚴重,限制了蒸汽機的製造及其使用效率的提高。[3]在採用了該鏜床之後,可以製造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量和生產效率,並因此獲得了巨大的成功。
之後,為了滿足各種不同加工工藝的需求,又相繼出現了車床、銑床、刨床、磨床、鑽床等等各種類型的機床。[4]
鑽削(左邊)和銑削(右邊)過程
然後,什麼是“數控機床”?
第一臺電子計算機於1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)誕生。其最初研發動機是在二戰背景下,應美國軍方要求,製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 年後,即在 1952 年,Parsons公司與麻省理工學院(MIT)合作,結合基於電子計算機的數字控制系統(Numerical Control System)與辛辛那提公司( Cincinnati )的銑床,研發出第一臺NC(Numerical Control)工作母機(又稱“數字控制機床”),從此,傳統機床產生了質的變化,標誌著機床開始進入數控時代。[5]
第一臺數控機床(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合作又開發出APT(Automatic Programming tools)[6],即一種高級計算機編程語言,用來生成數控機床的工作指令。現在最常見的一種是採用RS-274格式指令,通常稱為“G代碼”。[7]
經過計算機技術的不斷髮展,微處理器被應用到數字控制上,大幅提升功能,此類系統即稱為計算機數字控制(CNC, Computer Numerical Control),應用此係統的機床也被稱為CNC機床,即計算機數字控制機床,或簡稱為“數控機床”。
數控機床中的數字控制(Numerical Control)技術是用數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。數控機床是採用了數控技術的機床,或者說是裝備了數控系統的機床。國際信息處理聯盟(International Federation of Information Processing,IFIP)第五技術委員會,對數控機床的定義:
數控機床的加工過程
數控機床加工,將刀具與工件的運動座標分割成一些最小的單位量,即最小位移量,由數控系統按照零件程序的要求,使座標移動若干個最小位移量(即控制刀具運動軌跡),從而實現刀具與工件的相對運動,完成對零件的加工。
刀具沿各座標軸的相對運動,是以脈衝當量為單位的(mm/pulse)。當走刀軌跡為直線或圓弧時,數控裝置則在線段或圓弧的起點和終點座標值之間進行“數據點的密化”,求出一系列中間點的座標值,然後按中間點的座標值,向各座標輸出脈衝,保證加工出需要的直線或圓弧輪廓。
數控裝置進行的這種“數據點的密化”稱為插補,一般數控裝置都具有對基本函數(如直線函數和圓函數)進行插補的功能。實際上,在數控機床上加工任意曲線L的零件,是由該數控裝置所能處理的基本數學函數來逼近的,例如直線、圓弧等。自然,逼近誤差必須滿足零件圖樣要求。
與傳統機床相比,數控機床具有以下優點:
加工精度高,質量穩定。數控系統每輸出一個脈衝,機床移動部件的位移量稱為脈衝當量,數控機床的脈衝當量一般為0.001mm,高精度的數控機床可達0.0001mm,其運動分辨率遠高於普通機床。另外,數控機床具有位置檢測裝置,可將移動部件實際位移量或絲槓、伺服電動機的轉角反饋到數控系統,並進行補償。因此,可獲得比機床本身精度還高的加工精度。數控機床加工零件的質量由機床保證,無人為操作誤差的影響,所以同一批零件的尺寸一致性好,質量穩定。最後,什麼是“高檔數控機床”?
“高檔”或“高端”數控機床的定義:具有高速、精密、智能、複合、多軸聯動、網絡通信等功能的數控機床。其發展象徵著國家目前的機床製造業佔全世界機床產業發展的先進階段,因此國際上把五軸聯動數控機床等高檔機床技術作為一個國家工業化的重要標誌。[10]
DMG 五軸加工中心
數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,就目前的發展水平來看,大體可以從以下幾個方面區分(當然,這種分類不可能包含所有指標):
高、中、低檔數控機床對比
隨著先進生產技術的發展,要求現代數控機床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向發展。