數(shù)控機(jī)床起源與發(fā)展

關(guān)于數(shù)控機(jī)床起源與發(fā)展第1頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三什么是數(shù)控技術(shù)？

數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)（即用數(shù)字的系統(tǒng)控制工作的機(jī)床）。它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。

我們是制造人，我們的工作就是制造，是金屬切削制造。因此，我們的數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字控制的方法對某一零件的加工過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。

1946年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。人類社會也從此進(jìn)入了數(shù)字控制時代。第2頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三數(shù)控系統(tǒng)：

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為（NumericalControlSystem），根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機(jī)械設(shè)備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。

自1952年計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上到現(xiàn)在近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。第3頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）

早期計算機(jī)的運算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIREDNC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）到1970年，通用小型計算機(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)入了計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。這也是數(shù)控系統(tǒng)的第四代。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機(jī)的兩個最核心的部件--運算器和控制器，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年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機(jī)的核心部件，故仍稱為計算機(jī)數(shù)控，即第五代數(shù)控系統(tǒng)。到了1990年，PC機(jī)（個人計算機(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。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段，也就是進(jìn)入了數(shù)控系統(tǒng)的第六代。。第4頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三分類：按運動軌跡分：1、點位控制數(shù)控系統(tǒng);2、直線控制數(shù)控系統(tǒng);3、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)。按伺服系統(tǒng)分：1、開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng);2、半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng);3、全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)。按功能水平分：1、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng);2、普及型數(shù)控系統(tǒng);3高檔型數(shù)控系統(tǒng)。常用的一些數(shù)控系統(tǒng)：發(fā)那科（FAUNC）數(shù)控系統(tǒng)、西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)、三菱（MITSUBISHI）數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控（GSK）數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)。NC與CNC:NC(NumericalControl)指用離散的數(shù)字信息控制機(jī)械等裝置的運行，只能由操作者自己編程.CNC是計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(Computernumbercontrol)的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(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。第5頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三什么是數(shù)控機(jī)床？數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computernumericalcontrolmachinetools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)部的自動化機(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)床動作數(shù)控折彎機(jī)并加工零件。第6頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三71952年麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上，裝上了一套采用電子管元件的數(shù)控裝置，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。也即是第一代數(shù)控機(jī)床。1952年第一臺數(shù)控機(jī)床第7頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三到了1960年以后，點位控制的數(shù)控機(jī)床得到了迅速的發(fā)展。因為點位控制的數(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)控銑床、沖床、坐標(biāo)鏜床大量發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計資料表明，到1966年實際使用的約6000臺數(shù)控機(jī)床中，85%是點位控制的機(jī)床。1960第8頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三點位控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床僅能控制在加工平面內(nèi)的兩個坐標(biāo)軸帶動刀具與工件相對運動，從一個坐標(biāo)位置快速移動到下一個坐標(biāo)位置，然后控制第三個坐標(biāo)軸進(jìn)行鉆鏜切削加工。在整個移動過程中不進(jìn)行切削加工，因此對運動軌跡沒有任何要求，但要求坐標(biāo)位置有較高的定位精度。點位控制的數(shù)控機(jī)床用于加工平面內(nèi)的孔系，這類機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、印刷電路板鉆孔機(jī)、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、三坐標(biāo)測量機(jī)等。第9頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三點位控制系統(tǒng)只控制刀具對工件的定位，有某一定點向下定位運動時不進(jìn)行切削，對運動路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。直線切削控制系統(tǒng)是控制刀具沿坐標(biāo)軸方向運動，并對工件進(jìn)行切削加工。在加工過程中，不但要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運動按規(guī)定點路徑到達(dá)終點，所以直線切削控制系統(tǒng)又稱點位/直線切削控制系統(tǒng)第10頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三立式數(shù)控鉆床數(shù)控鏜床多工位數(shù)控沖床三坐標(biāo)測量機(jī)第11頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床

:輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)蓚€或兩個以上運動的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，使合成的平面或空間的運動軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機(jī)床移動部件的起點與終點坐標(biāo)，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。數(shù)控火焰切割機(jī)、電火花加工機(jī)床以及數(shù)控繪圖機(jī)等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點位直線控系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷進(jìn)行插補運算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制?，F(xiàn)在計算機(jī)數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會帶來成本的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計算機(jī)數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。第12頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三臥式數(shù)控車床數(shù)控銑床數(shù)控磨床數(shù)控電火花線切割機(jī)床第13頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中，值得一提的是加工中心。這是一種采用了晶體管元件和印刷電路板數(shù)控裝置的具有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，也是第二代數(shù)控機(jī)床的代表。它能實現(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&TreckerCorp.）開發(fā)出來的。這種機(jī)床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，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)床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。加工中心現(xiàn)在已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用于箱體零件加工的鏜銑類加工中心，還有用于回轉(zhuǎn)整體零件加工的車削中心、磨削中心等。加工中心第14頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三車削中心磨削中心第15頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三臥式數(shù)控機(jī)床立式數(shù)控機(jī)床刀庫第16頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三1965年，在出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置后兩年。即1967年，英國莫林斯公司首次提出的FMS基本概念。同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成OmnilineI系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動化設(shè)備適于少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動生產(chǎn)線。到1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(簡稱FMC)，為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)備形式。柔性制造單元(FMC)一般由12臺數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于多品種小批量生產(chǎn)應(yīng)用。1967柔性制造系統(tǒng)FMS隨著時間的推移，F(xiàn)MS在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，實用階段，以由3－5臺設(shè)備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。到1982年，日本發(fā)那科公司建成自動化電機(jī)加工車間，由60個柔性制造單元（包括50個工業(yè)機(jī)器人）和一個立體倉庫組成，另有兩臺自動引導(dǎo)臺車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時運轉(zhuǎn)。第17頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

柔性制造系統(tǒng)是在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，以多臺(種)數(shù)控機(jī)床或數(shù)組柔性制造單元為核心，通過自動化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，統(tǒng)一由主控計算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動化制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)有以下三種類型：1、柔性制造單元：由一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡單，加工工時較長，批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。2、柔性制造系統(tǒng)：是以數(shù)控機(jī)床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計算機(jī)實現(xiàn)自動控制，能在不停機(jī)的情況下，滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。3、柔性自動生產(chǎn)線：是把多臺可以調(diào)整的機(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。第18頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

1設(shè)備利用率高。一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床在分散單機(jī)作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍。2

在制品減少80%左右。3

生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一或多臺機(jī)床組成，發(fā)生故障時，有降級運轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機(jī)床的能力。4

產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形式穩(wěn)定。5

運行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗、裝卡和維護(hù)工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預(yù)料的問題。柔性制造系統(tǒng)的特點：第19頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三6

產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場需要。7

經(jīng)濟(jì)效果顯著。采用FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應(yīng)的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現(xiàn)晝夜24小時的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性第20頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三柔性制造系統(tǒng)柔性制造單元第21頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機(jī)為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造?，F(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計算機(jī)數(shù)控技術(shù)（ComputerizedNumericalControl簡稱：CNC），目前它是采用計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。由于采用計算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實現(xiàn)，均可以通過計算機(jī)軟件來完成。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)信息化的重要組成部分。第22頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三數(shù)控機(jī)床的特點：

1：加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；

2：可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；

3：群基機(jī)床加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；

4：對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高；

5：群基機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度；

6：群基機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高。第23頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三中國于1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床。發(fā)展過程