数控技术的发展及历史

数控机床的发展及历史数控机床的产生及发展数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。优点：数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。第一个阶段1、数控（NC）阶段（1952～1970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。•2.计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）•由于计算机技术的发展，在20世纪70年代采用计算机控制的计算机数控系统(简称CNC)产生,使数控装置进入了以计算机化为特征的第二阶段。•计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。•还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。第二个阶段1.第一代数控机床•采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ParsonsCorporation）实现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到±0.0381mm达到了当时的最高水平。•1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。•1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。当时的数控装置采用的是电子管，体积庞大，功耗高，因此除了在军事部门使用外，在其他行业没有得到推广使用。2.第二代数控机床•1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；到了1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资料表明，到1966年实际使用的约6000台数控机床中，85%是点位控制的机床。•在此期间，数控机床的发展中产生了加工中心。加工中心是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年3月，由美国卡耐•;特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。3.第三代数控机床•1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。•1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是所谓的柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem——FMS）之后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。柔性的加工系统出现后使数控机床的加工能力和运用范围更加广泛。•第一代数控机床、第二代数控机床、第三代数控机床的数控系统是硬件数控（NC），是数控机床发展的第一阶段。由于计算机技术的发展，在20世纪70年代采用计算机控制的计算机数控系统(简称CNC)产生,使数控装置进入了以计算机化为特征的第二阶段。计算机数控系统是用一台计算机代替先前硬件（逻辑电路）数控所完成的功能，所以，他是一种以计算机运行控制程序，执行对机床运动的数字控制功能。4.第四代数控机床•1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。但此时的数控装置内装的是小型计算机，中规模集成电路，当时的小型机可靠性不是很理想。5.第五代数控机床•1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。到微处理器被应用于数控系统是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。不过早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。•80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。随着数控机床的发展，现在以出现五轴联动的数控机床，可以加工更加复杂的工件，并且加工精度也越来越高。•并且在80年代，国际上出现了1～4台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell——FMC）。这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到FMS或更高级的集成制造系统中使用，使数控机床的运用更加广泛。6.第六代数控机床•到了1990年，PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可以满足作为数控系统核心部件的要求，故第6代数控系统组要是基于个人基于PC（国外称为PC-BASED机。其优点主要有：（1）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5万小时以上；（2）基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；（3）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（4）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。•从第四代数控系统到第六代数控系统，系统元件及电路构成的主要变化有以下几方面：1.1970年，内装小型计算机，中规模集成电路；2.1974年，内装微处理器的NC字符显示，故障自诊断；3.1979年，超大规模集成电路，大容量储存器，可编程接口，遥控接口；4.1981年，人机对话，动态图形显示，实时软件精度补偿，适应机床无人化运转要求。5.1987年，32位CPU，可控15轴，设定0.0001mm进给速度24m/min，带前馈控制的交流数字伺服、自能化系统。6.利用RISC技术64位系统7.微机开放式CNC系统我国的现状数控机床的现状•目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家(20.6万人)，成形机床制造厂191家(约6.5万人)，共计549家(27.1万人)。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台，内数控金切机床17,521台，约占9%。•总的来说：数控机床产量不断增长，2001年为1991年的3.6倍；进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。产量满足不了社会发展的需求。•从金额上看，2001年数控机床进口17,679台，计14.1亿美元，出口2,509台，计0.44亿美元，进口额为出口额之32倍。进口大、出口小。中国发展数控机床存在的主要问题•中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1958~1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。中国加速数控机床产业发展之路•中国今后要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。建议切实做好以下几点：•中国厂多人众，极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验，政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上，深入用户，精通工艺，低中高档并举，学习日本，首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。在步骤措施上，必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础，建立信誉，扩大国产数控机床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场；•必须狠抓根本，坚持“以人为本”，加速提高人员素质、培养各种专家人才，从根本上改变目前低效、落后的状态。人是一切事业成败的根本，层层都要重视“培才、选才、用才”，建立学习型企业，树立企业文化，加速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专家、顾问等，尽力提高数控。今天主要数控机床数控机床的分类按工业用