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数控机床的发展历史

日期:2016年9月10日 19:01
数控机床最早诞生于美国。1948年,美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时,提出了数控机床的设想,后受美国空军委托与麻省理工学院合作,于1952年试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床,其数控系统采用电子管。1960年开始,德国、日本、中国等都陆续地开发、生产及使用数控机床,中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。1974年微处理器直接用于数控机床,进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。
由于微电子和计算机技术的不断发展,数控机床的数控系统一直在不断更新,到目前为止已经历过以下几代变化:
第一代数控(1952~1959年):采用电子管构成的硬件数控系统;
第二代数控(1959~1965年):采用晶体管电路为主的硬件数控系统;
第三代数控(1965年开始):采用小、中规模集成电路的硬件数控系统;
第四代数控(1970年开始):采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统;
第五代数控(1974年开始):采用微型计算机控制的数控系统;
第六代数控(1990年开始):采用工控PC机的通用CNC系统。
前三代为第一阶段,数控系统主要是由硬件联结构成,称为硬件数控;后三代称为计算机数控,其功能主要由软件完成。
近20年来,随着科学技术的发展,先进制造技术的兴起和不断成熟,对数控技术提出了更高的要求。目前数控技术主要朝以下方向发展:
1)向高速度、高精度方向发展
速度和精度是数控机床的两个重要指标,直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。
在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3~5μm提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.001μm)。加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件,提高了CNC系统的控制精度,应用了高分辨率位置检测装置,而且也在于使用了各种误差补偿技术,如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等。
在加工速度方面,高速加工源于20世纪90年代初,以电主轴和直线电机的应用为特征,使主轴转速大大提高,进给速度达60m/min以上,进给加速度和减速度达到1~2g以上,主轴转速达100000r/min以上。高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短,还要求数控系统具有足够的超前路径加(减)速优化预处理能力(前瞻处理),有些系统可提前处理5000个程序段。为保证加工速度,高档数控系统可在每秒内进行2000~10000次进给速度的改变。
2)向柔性化、功能集成化方向发展
数控机床在提高单机柔性化的同时,朝单元柔性化和系统化方向发展,如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备;出现了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)、柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)、柔性加工线(Flexible Manufacturing Line,FML)。
在现代数控机床上,自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。随着数控机床向柔性化方向的发展,功能集成化更多地体现在:工件自动装卸,工件自动定位,刀具自动对刀,工件自动测量与补偿,集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。
3)向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展,数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中,由于采用“进化计算”(Evolutionary Computation)、“模糊系统”(Fuzzy System)和“神经网络”(Neural Network)等控制机理,性能大大提高,具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。
(1)引进自适应控制技术  由于在实际加工过程中,影响加工精度因素较多,如工件余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。这些因素事先难以预知,以致在实际加工中,很难用最佳参数进行切削。引进自适应控制技术的目的是使加工系统能根据切削条件的变化自动调节切削用量等参数,使加工过程保持最佳工作状态,从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度,同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
(2)故障自诊断、自修复功能  在系统整个工作状态中,利用数控系统内装程序随时对数控系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、自检查。一旦出现故障,立即采用停机等措施,并进行故障报警,提示发生故障的部位和原因等,并利用“冗余”技术,自动使故障模块脱机,接通备用模块。
(3)刀具寿命自动检测和自动换刀功能  利用红外、声发射、激光等检测手段,对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损和破损等,及时进行报警、自动补偿或更换刀具,确保产品质量。
(4)模式识别技术  应用图像识别和声控技术,使机床自己辨识图样,按照自然语言命令进行加工。
(5)智能化交流伺服驱动技术  目前已研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统,包括智能化主轴交流驱动装置和进给伺服驱动装置,使驱动系统获得最佳运行。
4)向高可靠性方向发展
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标,它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性,目前主要采取以下措施:
(1)采用更高集成度的电路芯片,采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路,以减少元器件的数量,提高可靠性。
(2)通过硬件功能软件化,以适应各种控制功能的要求,同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化,提高硬件的生产批量和质量。
(3)增强故障自诊断、自恢复和保护功能,对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加工超程、刀损、干扰、断电等各种意外时,自动进行相应的保护。
5)向网络化方向发展
数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式,如敏捷制造(Agile Manufacturing,AM)、虚拟企业(Virtual Enterprise,VE)、全球制造(Global Manufacturing,GM)的基础单元。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力,除了具有RS232C接口外,还带有远程缓冲功能的DNC接口,可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网通信的功能以及网络接口,促进了系统集成化和信息综合化,使远程在线编程、远程仿真、远程操作、远程监控及远程故障诊断成为可能。
 
自主管理
6)向标准化方向发展
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50多年间的信息交换都是基于ISO6983标准,即采用G、M代码对加工过程进行描述,显然,这种面向过程的描述方法已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化。
7)向驱动并联化方向发展
并联机床(又称虚拟轴机床)是20世纪最具革命性的机床运动结构的突破,引起了普遍关注。并联机床(参见图1-7)由基座、平台、多根可伸缩杆件组成,每根杆件的两端通过球面支承分别将运动平台与基座相连,并由伺服电机和滚珠丝杠按数控指令实现伸缩运动,使运动平台带动主轴部件或工作台部件作任意轨迹的运动。并联机床结构简单但数学复杂,整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算,因此并联机床是一种知识密集型机构。并联机床与传统串联式机床相比具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点,在许多领域都得到了成功的应用。
由并联、串联同时组成的混联式数控机床,不但具有并联机床的优点,而且在使用上更具实用价值,是一类很有前途的数控机床。

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