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數(shù)控機床的歷史 現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 前言 在工程訓(xùn)練中心的兩周實習(xí) 經(jīng)過對各項工種的體驗 我深深體 會到了科技的力量 在鉗工和車工實習(xí)時 勞累三天 就只做出來 那么幾件不是很合格的產(chǎn)品 可是在數(shù)控車間 一兩個小時內(nèi) 通 過編程可以輕松的做出很多高精度的產(chǎn)品 這使我對數(shù)控機床產(chǎn)生 了濃厚興趣 所以開始上網(wǎng)瀏覽關(guān)于數(shù)控機床的前世今生 增加我 對數(shù)控機床的了解 一 數(shù)控機床 數(shù)控機床是數(shù)字控制機床 Computer numerical control machine tools 的簡稱 是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床 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 從而使機床動作 過去的數(shù)控機床經(jīng)歷了一個由 單一向多元轉(zhuǎn)換的一個過程 數(shù)控機床的快速發(fā)展是整個世界經(jīng)濟 科技發(fā)展的重要體現(xiàn) 數(shù)控機床在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著不可替代的位 置 與我們生活的各個方面都有直接或間接的關(guān)系 未來數(shù)控機床 將會有一個前所未有的發(fā)展 世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視 數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展 二 數(shù)控機床的歷史 2 1 第一臺數(shù)控機床的誕生 1948 年 美國帕森斯公司接受美國空軍委托 研制飛機螺旋槳 葉片輪廓樣板的加工設(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) 于是提出計算機控制機床的設(shè)想 1949 年 該公司在美國麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)研究室的協(xié)助下 開始數(shù)控機 床研究 并于 1952 年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成 的三坐標(biāo)數(shù)控銑床 不久即開始正式生產(chǎn) 2 2 早期的發(fā)展歷史 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 價格進一步下降 促進了數(shù)控機床品種 和產(chǎn)量的發(fā)展 60 年代末 先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺 機床的直接數(shù)控系統(tǒng) 簡稱 DNC 又稱群控系統(tǒng) 采用小型計算機 控制的計算機數(shù)控系統(tǒng) 簡稱 CNC 使數(shù)控裝置進入了以小型計算機 化為特征的第四代 1974 年 研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存 貯器的微型計算機數(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)控裝置的功能擴大了一倍 而體積則縮小為 原來的 1 20 價格降低了 3 4 可靠性也得到極大的提高 80 年代 初 隨著計算機軟 硬件技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了能進行人機對話式自 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 床上 數(shù)控機床的自動化程度進一步提高 具有自動監(jiān)控刀具破損 和自動檢測工件等功能 三 數(shù)控機床的現(xiàn)狀 3 1 高速化 隨著汽車 國防 航空 航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等 新材料的應(yīng)用 對數(shù)控機床加工的高速化要求越來越高 1 主軸轉(zhuǎn)速 機床采用電主軸 內(nèi)裝式主軸電機 主軸最高轉(zhuǎn) 速達 200000r min 2 進給率 在分辨率為 0 01 m 時 最大進給率達到 240m min 且可獲得復(fù)雜型面的精確加工 3 運算速度 微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速 高精度方 向發(fā)展提供了保障 開發(fā)出 CPU 已發(fā)展到 32 位以及 64 位的數(shù)控系 統(tǒng) 頻率提高到幾百兆赫 上千兆赫 由于運算速度的極大提高 使得當(dāng)分辨率為 0 1 m 0 01 m 時仍能獲得高達 24 240m min 的 進給速度 4 換刀速度 目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在 1s 左右 高的已達 0 5s 德國 Chiron 公司將刀庫設(shè)計成籃子樣式 以主軸為軸心 刀具在圓周布置 其刀到刀的換刀時間僅 0 9s 3 2 高精度化 數(shù)控機床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度 機床 的運動精度 熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視 1 提高 CNC 系統(tǒng)控制精度 采用高速插補技術(shù) 以微小程序段實 現(xiàn)連續(xù)進給 使 CNC 控制單位精細(xì)化 并采用高分辨率位置檢測裝 置 提高位置檢測精度 日本已開發(fā)裝有 106 脈沖 轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢 測器的交流伺服電機 其位置檢測精度可達到 0 01 m 脈沖 位 置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法 2 采用誤差補償技術(shù) 采用反向間隙補償 絲桿螺距誤差補償和 刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù) 對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補 償 研究結(jié)果表明 綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少 60 80 3 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度 并通過 仿真預(yù)測機床的加工精度 以保證機床的定位精度和重復(fù)定位精度 使其性能長期穩(wěn)定 能夠在不同運行條件下完成多種加工任務(wù) 并 保證零件的加工質(zhì)量 3 3 功能復(fù)合化 復(fù)合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成 品的多種要素加工 根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合 型兩類 工藝復(fù)合型機床如鏜銑鉆復(fù)合 加工中心 車銑復(fù)合 車削中心 銑鏜鉆車復(fù)合 復(fù)合加工中心等 工序復(fù)合型機床 如多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合機床和雙主軸車削中心等 采用復(fù)合機 床進行加工 減少了工件裝卸 更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中 間過程中產(chǎn)生的誤差 提高了零件加工精度 縮短了產(chǎn)品制造周期 提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應(yīng)能力 相對于傳統(tǒng)的工序分散 的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢 加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機床向模塊化 多軸化發(fā)展 德國 Index 公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu) 該加工中心能 夠完成車削 銑削 鉆削 滾齒 磨削 激光熱處理等多種工序 可完成復(fù)雜零件的全部加工 隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高 大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎 在 2005 年中國國際機床展覽會 CIMT2005 上 國內(nèi)外制造商展 出了形式各異的多軸加工機床 包括雙主軸 雙刀架 9 軸控制等 以及可實現(xiàn) 4 5 軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心 五軸聯(lián)動高速銑 削中心等 3 4 控制智能化 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化 制造自 動化的發(fā)展需求 數(shù)控機床的智能化程度在不斷提高 具體體現(xiàn)在 以下幾個方面 1 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù) 通過監(jiān)測加工過程中的切削力 主 軸和進給電機的功率 電流 電壓等信息 利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算 法進行識別 以辯識出刀具的受力 磨損 破損狀態(tài)及機床加工的 穩(wěn)定性狀態(tài) 并根據(jù)這些狀態(tài)實時調(diào)整加工參數(shù) 主軸轉(zhuǎn)速 進給 速度 和加工指令 使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài) 以提高加工精度 降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運行的安全性 2 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇 將工藝專家或技師的經(jīng)驗 零件 加工的一般與特殊規(guī)律 用現(xiàn)代智能方法 構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基 于模型的 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器 利用它獲得優(yōu)化的加 工參數(shù) 從而達到提高編程效率和加工工藝水平 縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時 間的目的 3 智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù) 根據(jù)已有的故障信息 應(yīng)用現(xiàn) 代智能方法實現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位 4 智能故障回放和故障仿真技術(shù) 能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息 對數(shù)控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真 用以確定錯誤 引起的原因 找出解決問題的辦法 積累生產(chǎn)經(jīng)驗 5 智能化交流伺服驅(qū)動裝置 能自動識別負(fù)載 并自動調(diào)整參數(shù) 的智能化伺服系統(tǒng) 包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進給伺服 裝置 這種驅(qū)動裝置能自動識別電機及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量 并自動對 控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整 使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行 6 智能 4M 數(shù)控系統(tǒng) 在制造過程中 加工 檢測一體化是實現(xiàn) 快速制造 快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑 將測量 Measurement 建模 Modelling 加工 Manufacturing 機器操作 Manipulator 四者 即 4M 融合在一個系統(tǒng)中 實現(xiàn) 信息共享 促進測量 建模 加工 裝夾 操作的一體化 3 5 體系開放化 1 向未來技術(shù)開放 由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 只 需少量的重新設(shè)計和調(diào)整 新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有 系統(tǒng)所采納 吸收和兼容 這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低 而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期 2 向用戶特殊要求開放 更新產(chǎn)品 擴充功能 提供硬軟件產(chǎn)品 的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求 3 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立 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 以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機 制 能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型 從而實現(xiàn)整個 制造過程乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言 既方便用戶使用 又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗 3 6 驅(qū)動并聯(lián)化 并聯(lián)運動機床克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)移動部件質(zhì)量大 系統(tǒng)剛 度低 刀具只能沿固定導(dǎo)軌進給 作業(yè)自由度偏低 設(shè)備加工靈活 性和機動性不夠等固有缺陷 在機床主軸 一般為動平臺 與機座 一般為靜平臺 之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機構(gòu)驅(qū)動 通過控制桿系 中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應(yīng)自由度的運動 可實現(xiàn)多坐 標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工 裝配和測量多種功能 更能滿足復(fù)雜特種零件的 加工 具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高 重量輕和速度快等優(yōu)點 并聯(lián)機床作為一種新型的加工設(shè)備 已成為當(dāng)前機床技術(shù)的一個 重要研究方向 受到了國際機床行業(yè)的高度重視 被認(rèn)為是 自發(fā) 明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步 和 21 世紀(jì)新一代 數(shù)控加工設(shè)備 3 7 極端化 大型化和微型化 國防 航空 航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需 要大型且性能良好的數(shù)控機床的支撐 而超精密加工技術(shù)和微納米 技術(shù)是 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù) 需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工 精度的新型制造工藝和裝備 所以微型機床包括微切削加工 車 銑 磨 機床 微電加工機床 微激光加工機床和微型壓力機等的需求量 正在逐漸增大 3 8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說 使數(shù)控機床具有雙向 高速的聯(lián) 網(wǎng)通訊功能 以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要 的 既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享 又能實現(xiàn)數(shù)控機床的遠(yuǎn)程監(jiān)視 控 制 培訓(xùn) 教學(xué) 管理 還可實現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù) 數(shù)控機床 故障的遠(yuǎn)程診斷 維護等 例如 日本 Mazak 公司推出新一代的加 工中心配備了一個稱為信息塔 e Tower 的外部設(shè)備 包括計算機 手機 機外和機內(nèi)攝像頭等 能夠?qū)崿F(xiàn)語音 圖形 視像和文本的 通信故障報警顯示 在線幫助排除故障等功能 是獨立的 自主管 理的制造單元 3 9 新型功能部件 為了提高數(shù)控機床各方面的性能 具有高精度和高可靠性的新型 功能部件的應(yīng)用成為必然 具有代表性的新型功能部件包括 高頻電主軸 高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成 具有體 積小 轉(zhuǎn)速高 可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點 在各種新型數(shù)控機床中 已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用 直線電動機 近年來 直線電動機的應(yīng)用日 益廣泛 雖然其價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng) 但由于負(fù)載變化擾動 熱變形補償 隔磁和防護等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用 機械傳動結(jié)構(gòu)得到簡 化 機床的動態(tài)性能有了提高 如 西門子公司生產(chǎn)的 1FN1 系列三 相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床 加工中 心 磨床 并聯(lián)機床以及動態(tài)性能和運動精度要求高的機床等 德 國 EX CELL O 公司的 XHC 臥式加工中心三向驅(qū)動均采用兩個直線電 動機 電滾珠絲桿 電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成 可以大大簡化數(shù)控機床的結(jié)構(gòu) 具有傳動環(huán)節(jié)少 結(jié)構(gòu)緊湊等一系 列優(yōu)點 總結(jié) 縱觀數(shù)控機床的發(fā)展之路 我們可以清晰的認(rèn)識到數(shù)控的發(fā)展 他不僅代表著整個制造業(yè)的發(fā)展 也代表著整個社會的進步 中國 是一個制造業(yè)大國 主要依靠資源 勞動力 價格等方面的優(yōu)勢 而在產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和自主創(chuàng)新方面與國外的差距還是很大 中國是 數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀 應(yīng)抓住就會努力發(fā)展 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè) 的核心基礎(chǔ) 是國家工業(yè)和國防工業(yè)現(xiàn)代化的重要手段 我們要加 快發(fā)展 力爭早日實現(xiàn)由中國制造向中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變 參考文獻 1 中國機床工具工業(yè)協(xié)會 行業(yè)發(fā)展部 CIMT2001 巡禮 J 世界 制造技術(shù)與裝備市場 2001 3 18 20 2 梁訓(xùn)王宣 周延佑 機床技術(shù)發(fā)展的新動向 J 世界制造技術(shù)與 裝備市場 2001 3 21 28 3 機械設(shè)計與制造工程 2001 年第 30 卷第 1 期 4 王平 機電新產(chǎn)品導(dǎo)報 2005 年第 12 期