数控技术的起源与发展

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1、数控技术的起源与发展一、数控技术的概念1. 数控技术Numerical Control ，简称NC,采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控 制的技术。2. 数控系统（NC Control System ）数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称为数控控制系统。它由程序输入、输出设备、计算机数控制装置、可编程控制器和驱动装置等组成。3. 数控机床（NC Machine Tools ）数控机床是一种装有程序控制系统的高效自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。二、数控技术的起源1947年，美国帕森斯（Parsons

2、）公司为了精确地制作直升机机翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想，他们利用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径的影响，使得加工精度达到土0.0015英寸（0.0381mm）,这在当时的水平来看是相当高的。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所（Servo Mecha nism Laboratory of the Massachusetts In stitute of tech no logy）合作,于1952年研制成功世界上第一台数控机床三坐标立式铳床。三、数控技

3、术的发展历程1. 两个阶段（1）数控（NC阶段（19521970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-WIRED NC，简称为数控（NQ。（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

4、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。2. 六代发展( 1 )第一代数控技术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，使得加工精度达到土0.0381mm达到了当时的最高水平。1948 年，美国帕森斯公司接受美

5、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

6、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)第二代数控技术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 19

7、59 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。（3）第三代数控技术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（Flexible Manufacturing System FMS之后，美、欧、

8、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）第四代数控技术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

9、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）第五代数控技术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。80 年代初，随着计算机软、硬件技术

10、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 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 14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（Flexible Manufacturing Cell 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）第六代数控技术到了

11、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代数控系统主要是基于个人 PC（国外称为 PC-BASED机。其优点主要有：第一，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；第二，基于PC平台，技术进步快，升级换代容易； 第三，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）； 第四，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。四、数控技术的发展趋势1. 高速高精度 机床向高速化方向发展，

12、可充分发挥现代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、 降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。上世纪 90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速 15000100000r/min ）、高速且 高加/减速度的进给运动部件（快移速度 60120m/min，切削进给速度高达 60m/min）、高 性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。2. 智能化数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：（1）智能化适应控制技术（随加工过程切削条件的变化，自动地调整切削用量，实 现加工过程最佳化）（2）自动编程技术（3）具有故障自动诊断功能（4）智能化交流伺服驱动装置智能化交流伺服驱动装置包括智能主轴交流伺服驱动

13、装置和智能进给交流伺服驱动装 置。能自动识别电动机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱 动系统获得最佳运行效果。（5）加工参数智能优化与选择以加工工艺参数数据库为支撑，建立专家系统，通过它提供优化的切削参数，使加工 系统始终处于最优和最经济的工作状态，达到提高编程效率和加工工艺技术水平。3. 体系结构开放化、柔性化传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、多种实时操作系 统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的 进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了 “开放式数控系统”的概念。概念最早见于1987年美国NGC （N

14、ext Gen eration Co ntroller） 计划，NGC控制技术通过实现基于相互 操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS ”找到解决问题的办法。开放式体系结构数控系统是开放式、高性能、智能化、网络化数控系统的统称。其核 心是开放式，既系统各模块与运行平台无关、系统中各模块之间的互操作性及通信接口的 统一性。现代开放式数控系统的体系结构技术要求：（ 1 ）采用通用性开放式闭环控制模式（2）采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式体系结构，利用开放式的数控技术软、硬件平台，可视需求通过重构、编辑调整系统的组成，便于“剪裁”，扩展和生 级；功能可专用也可通用，

15、可组成不同挡次、不同类型、不同集成程度的数控系统；功能 价格比可调，可集成用户的技术。4. 交互可视化为使设备易操作和维修，数控系统应具备以下三个特点：（ 1 ）用户界面图形化，可通过窗口和菜单进行操作，以便蓝图编程和快速编程、三 维彩色立体动态显示、图形模拟、图象动态跟踪和仿真及不同方向的视图和局部显示比例 缩放功能的实现。（ 2）计算可视化， 使信息交流不再局限于用文字和语言表达， 而可以直接使用图 形、图象、动画等可视信息，使系统满足参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态 处理和显示，以及加工过程的可视化仿真和自动编程设计等要求。（3） 数控编程自动化， CAD/CAkE形交互自动编

16、程和 CAD/CAPP/CA集成的全自动编 程是数控技术发展的新趋势。5. 通信网络化为了实现机床联网，实现中央集中控制的群控加工，数控系统应该有强的网络功能， 通过联网，可以在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的 画面可同时显示在每一台机床的屏幕上，可进行远程化控制和无人操作，实现信息共享、 兼容多种通信协议，既能满足单机需要，又能满足柔性制造单元、柔性制造系统、计算机 集成制造系统对基层设备的要求，同时便于形成“全球制造”的基础单元的需求。6. 复合化复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链；车铳复合一车削中心（ATG动力刀头）；镗铳钻复合一加工中心

17、（ATC）、五面加工中心（ATC主轴立卧转换）；铳镗钻车复合一复合加工中心；可更换主轴箱的数控机床一组合加工中心；集车削和激光加工于一体的机床；测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量。（1 ）车削为主德国INDEX公司的TRAUBTNX6多功能数控车削中心，具有双主轴、4个刀塔，第二主轴可作Y轴移动；德国DMG司的TWIN65双主轴车削中心，上下各有一个转塔刀架，可实现6面加工，第二主轴可作横向移动等。（2）加工中心的复合化日本MAZAK公司的新机床为Integrex e-1550V型复合车铳加工中心，它将5轴联动加工中心的功能和 CNC数控车削中心的功能融合到了一起。在市场中，Mazak

18、公司的In tegrex系列机床被看作是多功能机床的同义词。7. 数控机床机械结构创新（1 ）直线电机取代滚珠丝杠传统的滚珠丝杠传动链结构需要丝杠轴承座，联轴器等，结构复杂，传动链中精度损 失多（轴承游隙、丝杠螺距误差、反响间隙等），而采用直线电机可以克服传动链中丢失 的精度，另外从电气角度看，参数设置更直接、简便、精确。(2) 电主轴取代主轴箱电主轴实现了变频电机和机床主轴之间的“零传动”，这是数控机床传动的重大变革。它克服了传统机床皮带或齿轮传动的主轴系统在高速下打滑、振动和噪音大、惯量大 等弊端，可良好地实现主轴转速的高速化，有效改善主轴高速综合性能。(3) 现有机械结构的变革 内冷式滚

19、珠丝杠高速数控机床用新 HMC系列滚珠丝杠。HMC系列是NSK公司于1997年推出的，由于采 用了“空心强冷”技术，带来了滚珠丝杠的革命。现在，NSK公司又对HMC系列进行了改进，滚珠采用了新的循环方式，在原有高速的基础上，实现了静音、振动小的环保性。 内置铳削电动机转塔传统的铳削机构涉及传动链、齿轮等机械部件，结构、制造工艺复杂，装置会产生大 量的热和振动。而带内置铳削电动机转塔结构，最大程度上减少了热量和振动的产生，避 免了传统损耗，提高了加工精度和切削性能。 箱中箱、台中台结构 衍架结构采用框架式的箱形结构，将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中，达到提高刚度，减轻移动部件质量的目的，以适应60m/m in以上快速移动和进给的要求。