数控机床的精度和发展历程

人类的进步和发展离不开制造水平的逐渐提高。机床的作用在于将各种原材料按照人类的想法加工成特定的形状，早在2000 多年前，人类已经发明了最简单的树木车床，如图2-1 所示。

图2-1　树木车床

树木车床在树枝上挂一根绳子，绳子中间缠绕一根待加工的木材，绳子最下方是一个脚踏环。加工时，加工者用脚踩脚踏环，绳子下拉时带动木材旋转，同时，加工者手持贝壳、石块等硬物作为刀具，对木材进行切削。从这种原始动力的古老技术中可以看出机床结构的雏形，如图2-2 所示。

图2-2　树木车床的结构组成

原始的树木车床依托简单的树木和绳子作为机械结构，通过人脑发送控制指令，四肢作为动力系统执行指令，控制机械结构产生特定运动实现加工，这种以人力为主的古老加工技术却奠定了机床的核心功能系统，被保留并沿用千年。其间，机床的结构和动力系统不断得到改进。17 世纪，英国发明家詹姆斯·瓦特（James Watt，1736—1819）发明的蒸汽机，以及18 世纪迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791—1867）发明的电动机均使得机床动力得到了质的提升，但机床脱离不了人工操作的工作模式一直没有得到改变。直到第二次世界大战结束后，美国发明家约翰·帕森斯（Talcott Parsons，1902—1979）为了解决飞机螺旋桨叶剖面轮廓板叶的加工问题，在美国军方和麻省理工学院的合作帮助下，于1952 年采用大量电子管原件制作出了世界上第一台可自动加工的机床，标志着机床进入了数控机床的时代。之后，数控机床技术飞速发展，第一台采用晶体管和印刷电路板的数控机床诞生，并实现了自动换刀功能，这台机床也被称为数控加工中心，标志着数控装置进入了第二代。1965 年，采用集成电路的第三代数控机床诞生，体积更小，功耗更低，可靠性也得到了提升。20 世纪60 年代末，出现了小型计算机作为数控系统的第四代数控机床。1974 年，使用微处理器和半导体存储器的第五代微型数控系统诞生。20 世纪80 年代初，可自动编程的人机对话式数控系统诞生，基本确定了现阶段数控机床的核心部件功能。

数控机床的出现对工业发展的推动作用是划时代的，如图2-3 所示为德国计得美公司（DMG）生产的CMX 50U 型号数控加工中心，加工人员只需将加工程序输入数控系统，机床即可自动完成加工工作，故使得机械加工从体力劳动变成脑力劳动。(www.xing528.com)

目前，机床加工已经实现高度自动化，如图2-4 所示为智能化工厂生产流程。机械生产从原材料的投放到零件的加工、装配、检验，再到包装成型、发货均由计算机控制机器自动完成，并且所有设备的状态信息均上传至网络，便于远程监控和管理，从而实现连续7 天24 小时无人连续加工。

图2-3　DMG 公司生产的CMX 50U 型号数控机床

图2-4　智能工厂生产流程

除了自动化程度非常高以外，机床发展至今的另一条生命线是精度。精度反映了机床加工零件误差的程度，机床的发展除了满足人类“省力”的要求外，更重要的是能够加工人类手工难以加工的形状，蒸汽机机床的诞生就是一个典型的例子。瓦特在改进蒸汽机时，发现手工加工的锡制汽缸误差太大，总是漏气，因此便和世界上第一台镗床的发明人约翰·威尔金森（JohnWilkinson，1729—1808）合作，在解决了精度问题成功制造瓦特蒸汽机的同时，威尔金森也制造出了世界上第一台蒸汽机镗床，这标志着机床进入蒸汽动力时代。

相对于威尔金森制造的镗床的精度，如今机床的精度已经得到了极大的提升，但科技水平向未知领域（深空、深海、微观等）的不断深入对工业设备却提出了更高的精度要求。比如常用于精密测量基准件的量块，最高精度要求10 mm的长度误差小于0.02 μm，相比之下，“头发丝”般的误差（40 ～100 μm）已经属于较大误差范畴。

数控机床的精度是多种因素综合影响下的结果。数控机床一系列零部件机构动静态误差累积传递，最终会导致切削刀具和加工对象之间的空间几何量位移偏差，进而引起加工误差。其中，热误差是各项误差因素中影响最大的因素，更是多种误差影响因素的诱因，热误差可以说是由多种误差组合而成的综合误差。热误差还会随着机床精度要求的提升在所有误差因素中所占权重迅速提升，甚至占到总误差的70%以上。因此，在了解本著作所阐述的热误差补偿理论之前，首先了解机床结构是十分必要的。