數(shù)控機(jī)床發(fā)展

張美玲 劉欣悅 陳鈴

數(shù)控機(jī)床最早誕生于美國。1948年，美國帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的機(jī)床時(shí)，提出了數(shù)控機(jī)床的設(shè)想。1952，年美國帕森斯公司和麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（Seve Mechanisms Laboratory of the Massachusetts's Institute of Technology）合作研制成功了，世界上第1臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床用它來加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺(tái)采用專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算與控制的直線插補(bǔ)輪廓控制數(shù)控銑床，專用計(jì)算機(jī)采用電子管元件，邏輯運(yùn)算與控制采用硬件聯(lián)接的電路。1955年，這類數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用，這就是第1代數(shù)控系統(tǒng)，從1960年開始德國、日本、中國等都陸續(xù)的開發(fā)生產(chǎn)以及使用數(shù)控機(jī)床，中國于1968年由北京第一機(jī)床廠研制出第1臺(tái)數(shù)控機(jī)床。1974年將微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和飛速發(fā)展。

由于微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)一直在不斷更新，直到目前為止經(jīng)歷過以下幾代變化：

第1代數(shù)控（1952—1959年）：采用電子管構(gòu)成的硬件數(shù)控系統(tǒng)

第2代數(shù)控（1959～1965年）：采用晶體管電路為主的硬件控制系統(tǒng)第3臺(tái)數(shù)控，

第3代數(shù)控（1965年開始）：采用小中規(guī)模集成電路的硬件數(shù)控系統(tǒng)。

第4代數(shù)控（1970年開始）：采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

第5代數(shù)控（1974年開始）：采用微型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)。

第6代數(shù)控（1990年開始）：采用工控PC的通用CNC系統(tǒng)。

前三代為第一階段數(shù)控系統(tǒng)主要是由硬件連接構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控，后三代稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控其功能主要由軟件完成。

近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求，目前數(shù)控技術(shù)主要向以下方向發(fā)展。

一、向高速度，高精度方向發(fā)展

高速度和高精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和在市場上的競爭能力。

在加工精度方面近10年來普通及數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10微米提高到5微米，精密加工中心則從3～5微米提高到1～1.5微米，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)括號(hào)0.01微米。加工精度的提高不僅在于采用了滾珠絲杠副、靜壓導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、磁浮導(dǎo)軌等部件，提高了c NC系統(tǒng)的控制精度應(yīng)用了高分辨率位置檢測裝置，而且也在于使用了各種誤差補(bǔ)償技術(shù)，如絲杠螺距誤差補(bǔ)償、刀具誤差補(bǔ)償、熱變形誤差補(bǔ)償、空間誤差綜合補(bǔ)償?shù)取?/p>

在加工速度方面，高速加工源于20世紀(jì)90年代初，以電主軸和直線電機(jī)的應(yīng)用為特征，使主軸轉(zhuǎn)速大大提高，進(jìn)給速度達(dá)60米每分以上，進(jìn)給速度和減速度達(dá)到1～2g以上，主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)10萬轉(zhuǎn)每分以上高速進(jìn)給要求數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算速度快，采樣周期短，還要求數(shù)控系統(tǒng)具有足夠的超前路徑加（減）速優(yōu)化預(yù)處理能力（前瞻處理），有些系統(tǒng)可提前處理5000個(gè)程序段，為保證加工速度，高檔數(shù)控系統(tǒng)可在每秒內(nèi)進(jìn)行2000～10000次進(jìn)給速度的改變。

二、向柔性化、功能集成化方向發(fā)展

數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)人性化的同時(shí)，朝單元柔性化和系統(tǒng)化方向發(fā)展如出現(xiàn)了數(shù)控多軸加工中心，換刀換廂式加工中心等具有柔性的高效加工設(shè)備;出現(xiàn)了由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成底層加工設(shè)備的柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、柔性加工線（FML）。

三、向智能化方向發(fā)展

隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展在新一代的數(shù)控系統(tǒng)中，由于采用“進(jìn)化計(jì)算”、“模糊系統(tǒng)”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等控制機(jī)理，性大大提高，具有加工過程的自適應(yīng)控制、負(fù)載自動(dòng)識(shí)別、工藝參數(shù)自生成、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、智能診斷、智能監(jiān)控等功能。

四、向高可靠性方向發(fā)展

數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性。為提高可靠性，目前主要采取以下措施。

（1）采用更高集成度的電路芯片，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元件的數(shù)量提高可靠性。

（2）通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求同時(shí)，通過硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及系列化，提高硬件的生產(chǎn)批量和質(zhì)量。

五、向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足柔性生產(chǎn)、柔性制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。目前先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，除了具有RS232C接口外還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床間的數(shù)據(jù)通信和直接對多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，有的已配備與工業(yè)局域網(wǎng)通信的功能及網(wǎng)絡(luò)接口，促進(jìn)了系統(tǒng)集成化和信息綜合化使遠(yuǎn)程的在線編程遠(yuǎn)程仿真遠(yuǎn)程操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程故障診斷成為可能。

六、向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展

數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢，數(shù)控技術(shù)誕生后的50多年間的信息交流交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G、M代碼對加工過程進(jìn)行描述，顯然，這種面向過程的描述方法已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需求。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP-NC），其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。

七、向驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化方向發(fā)展

[]并聯(lián)機(jī)床又稱為虛擬軸機(jī)床，是20世紀(jì)最具革命性的機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的突破，引起了普遍關(guān)注，并聯(lián)機(jī)床由基座、平臺(tái)、多根可伸縮桿組成，每根桿件的兩端通過球面支撐分別將運(yùn)動(dòng)平面與基座相連，并由伺服電機(jī)和滾珠絲杠按數(shù)控指令實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)主軸部件或工作臺(tái)部件作任意軌跡的運(yùn)動(dòng)，并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單的數(shù)字運(yùn)算復(fù)雜，整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽扯到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算 。因此并聯(lián)機(jī)床是一種知識(shí)密集型機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)床相比具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。

由并聯(lián)串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，而且在使用上更使用價(jià)值是一類很有前途的數(shù)控機(jī)床。

[1] 李養(yǎng)良，劉良文數(shù)控加工技術(shù) 2016