数控机床

背景

CNC 或“计算机数控”机器是精密的金属加工工具，可以制造现代技术所需的复杂零件。随着计算机的进步迅速发展，CNC 可以作为车床、铣床、激光切割机、磨料喷射切割机、冲床、折弯机和其他工业工具执行工作。 CNC 术语指的是一大群利用计算机逻辑来控制运动和执行金属加工的机器。本文将讨论最常见的类型：车床和铣床。

历史

虽然木工车床自圣经时代以来就一直在使用，但第一台实用的金属加工车床是在 1800 年由 Henry Maudslay 发明的。它只是一种机床，将被加工的材料或工件固定在夹具或主轴中，然后旋转它，这样切削刀具就可以将表面加工成所需的轮廓。切割工具由操作员通过使用曲柄和手轮来操纵。尺寸精度由操作员控制，操作员观察手轮上的刻度盘并将刀具移动适当的量。生产的每个零件都要求操作员以相同的顺序和相同的尺寸重复运动。

第一台铣床的操作方式大致相同，不同之处在于切削工具放置在旋转主轴上。工件安装在机床床身或工作台上，并在刀具下方移动，同样通过使用手轮来加工工件轮廓。这种早期的铣床是由 Eli Whitney 于 1818 年发明的。

机床中使用的运动称为“轴”，称为“X”（通常从左到右）、“Y”（通常从前到后）和“Z”（上下）。工作台也可以在水平或垂直平面上旋转，形成第四个运动轴。有些机器有第五根轴，它允许主轴以一定角度枢转。

这些早期机器的问题之一是它们需要操作员操纵手轮来制造每个零件。除了单调和耗费体力的工作外，操作员制造相同零件的能力也受到限制。操作中的细微差别会导致轴尺寸的变化，这反过来又会产生不合适或无法使用的零件。这些操作的废料水平很高，浪费了原材料和劳动时间。随着生产数量的增加，每个操作员每天生产的可用零件数量不再经济。需要的是一种自动操作机器运动的方法。早期尝试“自动化”这些操作时使用了一系列凸轮，通过连杆移动工具或工作台。当凸轮旋转时，一个连杆跟随凸轮面的表面移动，通过一系列运动移动切削刀具或工件。凸轮面的形状可以控制连杆运动的量，凸轮转动的速度控制刀具的进给速度。这些早期的机器很难正确设置，但是一旦设置好，它们就可以提供出色的可重复性。有些机器幸存至今，被称为“瑞士”机器，这是精密加工的同义词。

早期设计以呈现
日间操作

现代 CNC 机床设计源于 John T. Parsons 在 1940 年代末和 50 年代初的工作。二战后，帕森斯参与了直升机旋翼叶片的制造，这需要对复杂形状进行精密加工。 Parsons 很快发现，通过使用早期的 IBM 计算机，他能够制作出比手动计算和布局更准确的轮廓线。基于此经验，他赢得了空军合同，开发“自动轮廓切割机”，为飞机生产大型机翼截面件。利用计算机读卡器和精确的伺服电机控制，由此产生的机器庞大、复杂且昂贵。然而，它自动工作，并以航空工业所需的高度精度生产零件。

到 1960 年代，自动化机器的价格和复杂性已经降低到可以在其他行业中应用的程度。这些机器使用直流电驱动电机来操纵手轮和操作工具。电机从磁带阅读器获取电气指令，该阅读器读取大约 1 英寸（2.5 厘米）宽的纸带，上面打有一系列选定的孔。孔的位置和顺序允许阅读器产生必要的电脉冲，以精确的时间和速度转动电机，这实际上就像操作员一样操作机器。这些冲动是由一台当时没有“记忆”能力的简单计算机管理的。这些通常被称为“NC”或数控机器。程序员在类似打字机的机器上制作磁带，很像早期计算机中使用的旧“打孔卡”，充当“程序”。程序的大小由生产特定零件需要读取的磁带英尺数决定。

这台 1980 年代的数控卡盘机展示了机床与计算机的技术结合， （来自亨利福特博物馆和格林菲尔德村的收藏。）

计算机最初如何与生产机械联系起来的故事充满了阴谋和争议。它阐明了工业、大学和军队在 20 世纪是如何交织在一起的。这个故事还说明了将许多创新归因于单个个人或机构是多么困难。弄清楚谁在何时做了什么以及产生了什么影响是一个复杂的企业。

1947 年，约翰帕森斯在密歇根州特拉弗斯城领导了一家航空制造公司。面对日益复杂的零件形状及其带来的数学和工程问题，帕森斯寻求降低公司工程成本的方法。他请求国际商业机器公司允许他使用他们的一台大型办公计算机为新的直升机桨叶进行一系列计算。最终，帕森斯与 IBM 的传奇总裁 Thomas J. Watson 达成了一项协议，IBM 将与帕森斯公司合作制造一种由穿孔卡片控制的机器。很快，帕森斯还与空军签订了合同，生产一种由卡片或胶带（如自动钢琴）控制的机器，可以切割螺旋桨和机翼等轮廓形状。帕森斯随后前往麻省理工学院伺服机构实验室的工程师那里寻求该项目的帮助。麻省理工学院的研究人员一直在试验各种类型的控制过程，并拥有可追溯到二战时期的空军项目经验。反过来，麻省理工学院实验室将其视为将自己的研究扩展到控制和反馈机制的机会。计算机数控机床的成功开发随后由寻求满足军事赞助商需求的大学研究人员进行。

威廉 S. Pretzer

随着集成电子技术的进步，磁带被淘汰，或者仅用于将程序加载到磁存储器中。事实上，现代数控机床的内存容量有时仍被称为“内存英尺”。

现代数控机床通过读取存储在程序计算机存储器中的数千位信息来工作。为了将这些信息放入内存中，程序员创建了一系列机器可以理解的指令。程序可能由“代码”命令组成，例如“M03”指示控制器将主轴移动到新位置，或“G99”指示控制器从机器内部的某个过程读取辅助输入。代码命令是对 CNC 机床编程的最常用方法。然而，计算机的进步使机床制造商能够提供“对话式编程”，其中的指令更像是简单的文字。在对话式编程中，“M03”命令简单地输入为“MOVE”，“G99”命令简单地输入为“READ”。这种类型的编程允许程序员进行更快的训练并减少对代码含义的记忆。然而，重要的是要注意，大多数会话机器仍然读取代码程序，因为该行业非常依赖这种形式的编程。

控制器还为程序员提供帮助以加快机器的使用。例如，在某些机器中，程序员可以简单地输入特征的位置、直径和深度，计算机将选择最佳加工方法来在工件中产生特征。最新的设备可以采用计算机生成的工程模型；计算正确的刀具速度、进给和路径；并在没有创建图纸或程序的情况下生产零件。

现代设计和原始
材料

机器的机械部件必须坚固且坚固，以支撑快速移动的部件。主轴通常是最坚固的部件，由大轴承支撑。无论主轴是夹持工件还是刀具，自动夹紧功能都允许主轴在程序运行期间快速夹紧和松开。

铸铁或米汉石曾经是金属加工机的首选材料。今天，大多数机器大量使用热轧钢和不锈钢等锻造产品的焊接件，以降低成本并允许制造更复杂的框架设计。

机器的侧面附有一个装有不同工具的库。传送臂，有时也称为刀杆，从机床上取下刀具，将其放入刀库，从刀库中选择不同的刀具，然后通过程序中的指令将其送回机床。此过程所需的典型循环时间为 2 到 8 秒。有些机器可能在大型“蜂巢”中包含多达 400 个工具，每个工具在程序运行时按顺序自动加载。

机器的床身或工作台由硬化钢“导轨”支撑，通常由柔性防护装置保护。

铸铁 铸铁 或米汉纳石曾经是金属加工机器的首选材料。今天，大多数机器大量使用热轧钢和锻钢焊接件。 机器的机械部件必须坚固且坚固以支撑快速移动的部件。主轴通常是最坚固的部件，由大轴承支撑。无论主轴是夹持工件还是刀具，自动夹紧功能都允许主轴在程序运行期间快速夹紧和松开。不锈钢等产品，以降低成本并允许制造更复杂的框架设计。

有些机器被设计成单元，这意味着它们有一组特定的零件，它们被设计用来制造。 Cell 机床有大型刀库，可以携带足够的刀具来对每个不同的零件进行所有各种操作，大型工作台或更换工作台的能力，以及控制器中用于其他 CNC 机床数据输入的特殊规定。这使得 CNC 机器可以与其他类似装备的机器组装成一个灵活的加工单元，可以同时生产多个零件。一组单元，有些包含 20 或 30 台机器，称为柔性加工系统。这些系统几乎可以同时生产数百个不同的零件，几乎不需要人工干预。有些设计为在所谓的“熄灯”制造过程中无需监督即可日夜运行。

制造
过程

直到最近，大多数加工中心都是由机床制造商按照客户规格制造的。现在，标准化的工具设计允许制造用于库存或以后销售的机器，因为新设计可以执行大多数用户所需的所有操作。一台新的数控机床的成本从垂直中心的约 50,000 美元到发动机缸体柔性加工系统的 500 万美元不等。实际的制造过程如下进行。

焊接底座

• 1 机器的底座是铸造或焊接在一起的。然后对其进行热处理以去除铸造或焊接应力并使金属“正火”以进行加工。底座固定在大型加工中心，导轨的安装区域按规格加工。
• 2 导轨磨平，用螺栓固定并固定在底座上。

用螺栓固定螺栓

• 3 移动床身或主轴的机构称为滚珠丝杠。这些将驱动电机的旋转运动转变为直线运动，并由丝杠轴和支撑轴承组成。当轴转动时，轴承座跟随轴中的螺旋槽并产生非常精确的线性运动，从而移动主轴下方的工作台或主轴支架本身。这些滚珠丝杠用螺栓固定在底座上，轴承座用螺栓固定在工作台或主轴支架上。

安装主轴

• 4 主轴经过加工和研磨，安装到其驱动电机上，然后用螺栓固定到可移动的主轴支架上。在大多数加工中心，每个运动轴都有一个单独的滚珠丝杠和一组导轨。

控制器

• 5 计算机或控制器是一个独立于机器其余部分的电子组件。它有一个安装在框架侧面或操作员控制台中的气候控制外壳。它包含所有操作内存、计算机板、电源和其他用于操作机器的电子电路。各种接线将控制器连接到机器电机和位置滑块。这 滑块不断地向控制器发送轴位置信息，因此工作台相对于主轴的准确位置总是众所周知的。控制器正面有一个视频屏幕，可显示程序信息、位置、速度和进给以及操作员监控机器性能所需的其他数据。前面板上还有数据输入键、数据连接端口和启停开关。
• 6 组装好的机器进行精度测试。每台机器都有轻微的物理差异，这些差异在计算机操作系统中进行了数学校正。这些修正值存储在单独的存储器中，机器会持续检查这些值。当加工中心因使用而磨损时，可以重新校准这些参数以确保精度。测试完成后，对成品机器进行喷漆并准备发货。

质量控制

加工中心的质量必须建立在从设计到交付和设置的整个过程中。对操作员的仔细指导对于防止碰撞、工件与工具的意外碰撞也很重要。碰撞会导致工具损坏或机器故障。许多控制器都有子程序来感知即将发生的碰撞并将机器置于紧急停止状态。所有 CNC 都经过特殊处理以避免震动，并由经过工厂培训的技术人员仔细设置。记录原始修正系数以供日后参考。提供完整的编程、操作和维护手册。

未来

CNC机器的未来正在爆炸式增长。正在开发的一个想法是一种蜘蛛状机器，其主轴由六个可伸缩的滚珠丝杠支柱悬挂。支柱类似于传统机器中的导轨，但它们是圆形的，滚珠丝杠组件位于中心。主轴的运动由执行数百万次计算的复杂计算机控制，以确保正确的零件轮廓。这台机器花费数百万美元开发和使用高级专有数学，有望在金属加工中执行以前闻所未闻的操作。计算机和人工智能的进步将使未来的 CNC 机器更快、更容易操作。这不会便宜，而且精密数控机床的价格将超出许多公司的承受能力。然而，它将降低执行原始三轴运动的基本 CNC 机器的价格。