數(shù)控技術(shù)的起源與發(fā)展

1、數(shù)控技術(shù)的起源與發(fā)展一、數(shù)控技術(shù)的概念.數(shù)控技術(shù)Numerical Control ,簡稱NG采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實(shí)現(xiàn)自動控 制的技術(shù)。.數(shù)控系統(tǒng)(NC Control System )數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和控制電路以及伺服機(jī)構(gòu)等統(tǒng)稱為數(shù)控控制系統(tǒng)。它由程序輸 入、輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控制裝置、可編程控制器和驅(qū)動裝置等組成。.數(shù)控機(jī)床(NC Machine Tools )數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的高效自動化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具 有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動作并加工零件。二、數(shù)控技術(shù)的起源1947年，美國帕森斯(Parsons )公司為了

2、精確地制作直升機(jī)機(jī)翼、槳葉和飛機(jī)框架，提出了用數(shù)字信息來控制機(jī)床自動加工外形復(fù)雜零件的設(shè)想，他們利用電子計(jì)算機(jī)對 機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到土 0.0015英寸( 0.0381mm),這在當(dāng)時(shí)的水平來看是相當(dāng)高的。1949年，美國空軍為了能在短時(shí)間內(nèi)制造出經(jīng)常變更設(shè)計(jì)的火箭零件，與帕森斯公司和麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究所 (Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of technology)合作,于1952年研制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床一一三坐標(biāo)立式銃床。三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)

3、展歷程.兩個(gè)階段(1)數(shù)控(N。階段(19521970年)早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī) 床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控 系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控( HARD-WIRED NC,簡稱為數(shù)控(NQ 。(2)計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC階段( 1970年現(xiàn)在)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)70年代采用計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC產(chǎn)生，使數(shù)控裝置進(jìn)入了以計(jì)算機(jī)化為特征的第二階段。計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代-小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代-微處理器和1990年的第六代-基于PC (國外稱

4、為PC-BASED。還要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(即 CNC 了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控 (NQ。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控”，實(shí)質(zhì)上已是指“計(jì)算機(jī)數(shù)控” 了。2.六代發(fā)展(1)第一代數(shù)控技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司( ParsonsCorporation )實(shí)現(xiàn)的。他們在制造飛機(jī)的框架及直升 飛機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)翼時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具 直徑對加工路線的影響，使得加工精度達(dá)到土0.0381mm達(dá)到了當(dāng)時(shí)的最高水平。1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣

5、板的加工設(shè) 備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計(jì)算機(jī)控制 機(jī)床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機(jī)床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銃床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銃床，不久即開始正式生產(chǎn)，于 1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于 制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù) 控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除 了在軍事部

6、門使用外，在其他行業(yè)沒有得到推廣使用。(2)第二代數(shù)控技術(shù)1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；到了 1960年以后，點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床得到了迅速的發(fā)展，因?yàn)辄c(diǎn)位控制的 數(shù)控系統(tǒng)比起輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)要簡單得多。因此，數(shù)控銃床、沖床、坐標(biāo)鏈床大量發(fā) 展，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，到1966年實(shí)際使用的約6000臺數(shù)控機(jī)床中，85流點(diǎn)位控制的機(jī)床。在此期間，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中產(chǎn)生了加工中心，加工中心是一種具有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，它能實(shí)現(xiàn)工件一次裝卡而進(jìn)行多工序的加工。這種產(chǎn)品最初是在1959年3月，由美國卡耐？特雷克公司(Keaney&TreckerC

7、orp.)開發(fā)出來的。這種機(jī)床在刀庫中裝有絲 錐、鉆頭、錢刀、銃刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動選擇刀具，并通過機(jī)械手將刀具裝 在主軸上，對工件進(jìn)行加工。它可縮短機(jī)床上零件的裝卸時(shí)間和更換刀具的時(shí)間。(3)第三代數(shù)控技術(shù)1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是所謂的柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System FMS之后，美、歐、日等也相繼進(jìn)行開發(fā)及應(yīng)用。柔性的加工系統(tǒng)出現(xiàn)后使數(shù)控機(jī)床的加工能力和運(yùn)用范圍更加廣泛。

8、第一代數(shù)控機(jī)床、第二代數(shù)控機(jī)床、第三代數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是硬件數(shù)控( NC , 是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第一階段。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在 20世紀(jì)70年代采用計(jì)算機(jī)控制 的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC產(chǎn)生，使數(shù)控裝置進(jìn)入了以計(jì)算機(jī)化為特征的第二階段。計(jì)算 機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是用一臺計(jì)算機(jī)代替先前硬件(邏輯電路)數(shù)控所完成的功能，所以，他是一 種以計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制程序，執(zhí)行對機(jī)床運(yùn)動的數(shù)字控制功能。(4)第四代數(shù)控技術(shù)1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控( CNC階段。但此時(shí)的數(shù)控裝置內(nèi)裝的是小型計(jì)算機(jī)，中 規(guī)模集成電路，當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性不是

9、很理想。(5)第五代數(shù)控技術(shù)1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件-運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(MICROPROCESSOR又可稱為中央處理單元(簡稱CPU 。 到1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱MNC)這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價(jià)格降低了3/4 ,可靠性也得到極大的提高。80年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程序 的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床

10、的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，現(xiàn)在以出 現(xiàn)五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床，可以加工更加復(fù)雜的工件，并且加工精度也越來越高。并且在80年代，國際上出現(xiàn)了 14臺加工中心或車削中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗(yàn)裝置的柔性制造單元（ Flexible Manufacturing Cell FMC。這種單元投資少，見效快，既可單獨(dú)長時(shí)間少人看管運(yùn)行，也可集成到FMS更高級的集成制造系統(tǒng)中使用，使數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用更加廣泛。（6）第六代數(shù)控技術(shù)到了 1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段， 可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求

11、，故第6代數(shù)控系統(tǒng)主要是基于個(gè)人 PC （國外稱為PC-BASED。其優(yōu)點(diǎn)主要有：第一，元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到5萬小時(shí)以上；第二，基于PC平臺，技術(shù)進(jìn)步快，升級換代容易；第三，提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域（如CAD CAM CAPP連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、攝影機(jī)等）；第四，對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。四、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢.高速高精度機(jī)床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、 降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。上世紀(jì)90年代以來，高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速

12、 15000 100000r/min ）、高速且 高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動部件（快移速度 60120m/min,切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m/min）、高 性能伺服系統(tǒng)以及工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破。.智能化數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)智能化適應(yīng)控制技術(shù)(隨加工過程切削條件的變化，自動地調(diào)整切削用量，實(shí)現(xiàn)加工過程最佳化)(2)自動編程技術(shù)(3)具有故障自動診斷功能(4)智能化交流伺服驅(qū)動裝置智能化交流伺服驅(qū)動裝置包括智能主軸交流伺服驅(qū)動裝置和智能進(jìn)給交流伺服驅(qū)動裝 置。能自動識別電動機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū) 動系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行效果。(5)加工參數(shù)智

13、能優(yōu)化與選擇以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立專家系統(tǒng)，通過它提供優(yōu)化的切削參數(shù)，使加工 系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，達(dá)到提高編程效率和加工工藝技術(shù)水平。3.體系結(jié)構(gòu)開放化、柔性化傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是專門、具有不同的編程語言、非標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口、多種實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口等特征，造成了數(shù)控系統(tǒng)使用和維護(hù)的不便，也限制了數(shù)控技術(shù)的 進(jìn)一步發(fā)展。為了解決這些問題，人們提出了 “開放式數(shù)控系統(tǒng)”的概念。概念最早見于1987年美國NGC (Next Generation Controller) 計(jì)劃，NGC控制技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)基于相互 操作和分級式的軟件模塊的“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范( SO

14、SAS ”找到解決問題的辦 法。開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是開放式、高性能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)稱。其核 心是開放式，既系統(tǒng)各模塊與運(yùn)行平臺無關(guān)、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性及通信接口的 統(tǒng)一性。現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)要求：(1)采用通用性開放式閉環(huán)控制模式(2)采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，利用開放式的數(shù)控技 術(shù)軟、硬件平臺，可視需求通過重構(gòu)、編輯調(diào)整系統(tǒng)的組成，便于“剪裁”，擴(kuò)展和生 級；功能可專用也可通用，可組成不同擋次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)；功能 價(jià)格比可調(diào)，可集成用戶的技術(shù)。.交互可視化為使設(shè)備易操作和維修，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)

15、用戶界面圖形化，可通過窗口和菜單進(jìn)行操作，以便藍(lán)圖編程和快速編程、三 維彩色立體動態(tài)顯示、圖形模擬、圖象動態(tài)跟蹤和仿真及不同方向的視圖和局部顯示比例 縮放功能的實(shí)現(xiàn)。(2)計(jì)算可視化，使信息交流不再局限于用文字和語言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖象、動畫等可視信息，使系統(tǒng)滿足參數(shù)自動設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài) 處理和顯示，以及加工過程的可視化仿真和自動編程設(shè)計(jì)等要求。(3)數(shù)控編程自動化， CAD/CAkE形交互自動編程和 CAD/CAPP/CAMM成的全自動編 程是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。.通信網(wǎng)絡(luò)化為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中央集中控制的群控加工，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該有強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能， 通過聯(lián)網(wǎng)，可

16、以在任何一臺機(jī)床上對其他機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的 畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上，可進(jìn)行遠(yuǎn)程化控制和無人操作，實(shí)現(xiàn)信息共享、 兼容多種通信協(xié)議，既能滿足單機(jī)需要，又能滿足柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī) 集成制造系統(tǒng)對基層設(shè)備的要求，同時(shí)便于形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元的需求。.復(fù)合化復(fù)合化：在一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈；車銃復(fù)合一車削中心（ATC動力刀頭）；鏈銃鉆復(fù)合一加工中心（AT。、五面加工中心（ATG主軸立臥轉(zhuǎn)換）；銃鎮(zhèn)鉆車復(fù)合一復(fù)合加工中心；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床一組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機(jī)床；測量/制造復(fù)合，在加工后對工件進(jìn)行在

17、線測量。（1）車削為主德國INDEX公司的TRAUBTNX65功能數(shù)控車削中心，具有雙主軸、4個(gè)刀塔，第二主軸可作Y軸移動；德國DMG司的TWIN65雙主軸車削中心，上下各有一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀架，可實(shí)現(xiàn)6面加工，第二主軸可作橫向移動等。（2）加工中心的復(fù)合化日本MAZA儂司的新機(jī)床為Integrex e-1550V 型復(fù)合車銃加工中心，它將5軸聯(lián)動加工中心的功能和 CNCB控車削中心的功能融合到了一起。在市場中，Mazak公司的Integrex系列機(jī)床被看作是多功能機(jī)床的同義詞。7.數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新（1）直線電機(jī)取代滾珠絲杠傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動鏈結(jié)構(gòu)需要絲杠軸承座，聯(lián)軸器等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動鏈中精度損失多（軸承游隙、絲杠螺距誤差、反響間隙等），而采用直線電機(jī)可以克服傳動鏈中丟失 的精度，另外從電氣角度看，參數(shù)設(shè)置更直接、簡便、精確。(2)電主軸取代主軸箱電主軸實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)和機(jī)床主軸之間的“零傳動”，這是數(shù)控機(jī)床傳動的重大變革。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床皮帶或齒輪傳動的主軸系統(tǒng)在高速下打滑、振動和噪音大、慣量大 等弊端，可良好地實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的高速化，有效改善主軸高速綜合性能。(3)現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的變革內(nèi)冷式滾珠絲杠高速數(shù)控機(jī)床用新 HMC(列滾珠絲杠。HMC(列是NSK公司于1997年