淺談數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展趨勢

周吉生 楊輝

摘 要 制造業(yè)是一個國家國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，它一方面創(chuàng)造價值，生產(chǎn)物質(zhì)財富，另一方面為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供裝備，其現(xiàn)代化程度決定了國家其它行業(yè)的發(fā)展步伐。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控是制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，全面了解數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程和趨勢，對提高數(shù)控發(fā)展再認(rèn)識有重要的現(xiàn)實意義。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的性價比和數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的普及率將大幅提高。

關(guān)鍵詞 數(shù)控 產(chǎn)生 發(fā)展趨勢

一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展

數(shù)字控制機(jī)床，是近代發(fā)展起來的一種自動控制機(jī)床，通過數(shù)字信息自動控制機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)控機(jī)床的加工程序和運(yùn)動變量（如坐標(biāo)方向、位移量、軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速等）通過數(shù)控裝置自動控制，同時具有自動換刀、自動測量、自動潤滑和自動冷卻等功能。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展完全依賴于數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。自1952年美國研制出第一臺數(shù)控銑床起，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。

（一）數(shù)控（NC）階段（1952—1970年）

早期計算機(jī)的運(yùn)算速度低，這雖然對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響并不大。但卻不能適應(yīng)機(jī)床適時控制的要求。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)，這被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(jīng)歷了三代，即：第一代數(shù)控1952—1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用NC裝置；第二代數(shù)控1959一1964年采用晶體管電路的NC裝置；第三代數(shù)控1965—1970年采用小、中規(guī)模集成電路的NC裝置。

（二）計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970至今）

到1970年，通用小型計算機(jī)已批量生產(chǎn)，其運(yùn)算速度比20世紀(jì)五六十年代有了大幅度的提高，這比專門“搭”成的專用計算機(jī)成本低、可靠性高，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。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這個階段也經(jīng)歷了三代，即：第四代數(shù)控：1970—1974年采用大規(guī)模集成電路的小型通用計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；第五代數(shù)控：1974—1990年應(yīng)用微處理器的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；第六代數(shù)控：1990年以后，PC（個人計算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能巳發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(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（PC—BASED）的時代。

二、 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢

（一）提高數(shù)控系統(tǒng)的智能化和可靠性

在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)，能使數(shù)控機(jī)床根據(jù)切削條件的變化隨時自動調(diào)節(jié)各相關(guān)工作參數(shù)、切削用量等，使加工過程始終保持最佳工作狀態(tài)。自適應(yīng)控制技術(shù)，即在加工過程中數(shù)控系統(tǒng)可以根據(jù)工件、刀具、機(jī)床等一系列實際參數(shù)的變化，自動修改機(jī)床切削進(jìn)給量，使機(jī)床能“適應(yīng)”加工過程中的各種隨機(jī)變量任一瞬時變化，并使之始終保持最佳加工狀態(tài)。目前，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的智能化正朝著運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)，實現(xiàn)自動檢測及更換刀具，故障自診斷、自修復(fù)，自動定心，人-機(jī)對話自動編程以及圖像識別和聲控技術(shù)的方向發(fā)展。而具有人工智能功能的故障診斷系統(tǒng)軟件的開發(fā)及使用，可以增強(qiáng)機(jī)床自診斷、自恢復(fù)的保護(hù)功能，從而大幅降低了系統(tǒng)的故障率。

（二）提高速度和精度

提高速度及精度是提高生產(chǎn)率的主要手段?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正朝著提高加工速度及加工精度的方向發(fā)展。例如，采用高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，已經(jīng)可以使一個程序段的處理時間縮短到0.5ms；達(dá)到最小位移單位時，最大進(jìn)給速度大于100m/min；采用陶瓷球的滾珠軸承等措施，可使主軸轉(zhuǎn)速大大提高；高分辨率的位置編碼器和各種誤差補(bǔ)償技術(shù)的使用，也使加工精度不斷提高。

（三）數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化

目前在先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的機(jī)床主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造上，正向著模塊化數(shù)控機(jī)床的方向發(fā)展。將典型的零部件制造標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，把組合機(jī)床的積木式設(shè)計應(yīng)用到機(jī)床整體設(shè)計中，將某種機(jī)床的組成部件設(shè)計成若干個模塊部件，通過組合可以形成多種形式和不同用途的機(jī)床。應(yīng)用這種技術(shù)的制造商可以使自己的產(chǎn)品具有精度高、功能多及互換性好等優(yōu)點。我國的一些機(jī)床廠在這方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和成果。

（四）數(shù)控技術(shù)多功能化和綜合自動化

目前數(shù)控技術(shù)正隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)和系統(tǒng)丁程技術(shù)等的發(fā)展，使機(jī)械丁業(yè)從傳統(tǒng)的概念和方法中解脫出來。數(shù)控設(shè)備正向著多功能化、綜合自動化的方向不斷發(fā)展。

采用計算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)，使計算機(jī)參與從零件材料到加工和裝配、檢測直至成品出庫的整個過程。從在一臺設(shè)備上增加控制坐標(biāo)軸的個數(shù)以提高自動化程度到在—臺設(shè)備上實現(xiàn)多工序自動控制，再到加工中心（MC），在一臺機(jī)床上實現(xiàn)車、銑、鉆、錘、攻螺紋等多種功能，制造自動化技術(shù)正朝著柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和智能制造系統(tǒng)的方向發(fā)展。

柔性制造系統(tǒng)這一概念的初創(chuàng)者在一條數(shù)控自動化加工線上率先使用了“FMS”一詞，該線的特點是能完成多品種、中小批量的加工任務(wù)。柔性制造系統(tǒng)由數(shù)控加工系統(tǒng)、物流控制系統(tǒng)等組成，擁有物流控制系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)的特點。柔性制造系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，生產(chǎn)率更高，加工范圍可隨時調(diào)整。柔性制造系統(tǒng)包括各制造單元（數(shù)控機(jī)床、加工中心和測量機(jī)等）、工夾具、無人送料車、自動化倉庫以及一套計算機(jī)控制系統(tǒng)、物流控制和信息網(wǎng)絡(luò)等。

最新發(fā)展的是以數(shù)控機(jī)床為基本單元的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，即CIMS系統(tǒng).它綜合利用廠CAD/CAP/CAM/DNC/FMS及工廠自動化系統(tǒng)，用計算機(jī)通過信息集成實現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造，是建立在多項先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上的高技術(shù)制造系統(tǒng)。CIMS通常由管理信息系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計工程信息系統(tǒng)、制造自動化系統(tǒng)、質(zhì)量保證系統(tǒng)以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。

現(xiàn)在通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)字化制造已經(jīng)進(jìn)入了信息高速公路；敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計與制造、虛擬制造等技術(shù)也正在全面快速發(fā)展。

（作者單位：河南省周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院）