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數(shù)控機(jī)床的歷史 現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 前言 在工程訓(xùn)練中心的兩周實(shí)習(xí) 經(jīng)過對(duì)各項(xiàng)工種的體驗(yàn) 我深深體 會(huì)到了科技的力量 在鉗工和車工實(shí)習(xí)時(shí) 勞累三天 就只做出來(lái) 那么幾件不是很合格的產(chǎn)品 可是在數(shù)控車間 一兩個(gè)小時(shí)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(duì)數(shù)控機(jī)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(jī)床的前世今生 增加我 對(duì)數(shù)控機(jī)床的了解 一 數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床 Computer numerical control machine tools 的簡(jiǎn)稱 是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)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(hào)指令規(guī)定的程 序 并將其譯碼 從而使機(jī)床動(dòng)作 過去的數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了一個(gè)由 單一向多元轉(zhuǎn)換的一個(gè)過程 數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展是整個(gè)世界經(jīng)濟(jì) 科技發(fā)展的重要體現(xiàn) 數(shù)控機(jī)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(gè)方面都有直接或間接的關(guān)系 未來(lái)數(shù)控機(jī)床 將會(huì)有一個(gè)前所未有的發(fā)展 世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)床的歷史 2 1 第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生 1948 年 美國(guó)帕森斯公司接受美國(guó)空軍委托 研制飛機(jī)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(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想 1949 年 該公司在美國(guó)麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下 開始數(shù)控機(jī) 床研究 并于 1952 年試制成功第一臺(tái)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(jià)格進(jìn)一步下降 促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種 和產(chǎn)量的發(fā)展 60 年代末 先后出現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái) 機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱 DNC 又稱群控系統(tǒng) 采用小型計(jì)算機(jī) 控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱 CNC 使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī) 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(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 簡(jiǎn)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(kuò)大了一倍 而體積則縮小為 原來(lái)的 1 20 價(jià)格降低了 3 4 可靠性也得到極大的提高 80 年代 初 隨著計(jì)算機(jī)軟 硬件技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自 動(dòng)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(jī) 床上 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高 具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損 和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能 三 數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀 3 1 高速化 隨著汽車 國(guó)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(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來(lái)越高 1 主軸轉(zhuǎn)速 機(jī)床采用電主軸 內(nèi)裝式主軸電機(jī) 主軸最高轉(zhuǎn) 速達(dá) 200000r min 2 進(jìn)給率 在分辨率為 0 01 m 時(shí) 最大進(jìn)給率達(dá)到 240m min 且可獲得復(fù)雜型面的精確加工 3 運(yùn)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(yùn)算速度的極大提高 使得當(dāng)分辨率為 0 1 m 0 01 m 時(shí)仍能獲得高達(dá) 24 240m min 的 進(jìn)給速度 4 換刀速度 目前國(guó)外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在 1s 左右 高的已達(dá) 0 5s 德國(guó) Chiron 公司將刀庫(kù)設(shè)計(jì)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(shí)間僅 0 9s 3 2 高精度化 數(shù)控機(jī)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(jī)床 的運(yùn)動(dòng)精度 熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來(lái)越獲得重視 1 提高 CNC 系統(tǒng)控制精度 采用高速插補(bǔ)技術(shù) 以微小程序段實(shí) 現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給 使 CNC 控制單位精細(xì)化 并采用高分辨率位置檢測(cè)裝 置 提高位置檢測(cè)精度 日本已開發(fā)裝有 106 脈沖 轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢 測(cè)器的交流伺服電機(jī) 其位置檢測(cè)精度可達(dá)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(bǔ)償技術(shù) 采用反向間隙補(bǔ)償 絲桿螺距誤差補(bǔ)償和 刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù) 對(duì)設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ) 償 研究結(jié)果表明 綜合誤差補(bǔ)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(yùn)動(dòng)軌跡精度 并通過 仿真預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度 以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度 使其性能長(zhǎng)期穩(wěn)定 能夠在不同運(yùn)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(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)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(diǎn)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(jī)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(jī)床 如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等 采用復(fù)合機(jī) 床進(jìn)行加工 減少了工件裝卸 更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)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(chǎng)反應(yīng)能力 相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散 的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì) 加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化 多軸化發(fā)展 德國(guó) 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(jī)械加工要求的不斷提高 大量的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受到各大企業(yè)的歡迎 在 2005 年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì) CIMT2005 上 國(guó)內(nèi)外制造商展 出了形式各異的多軸加工機(jī)床 包括雙主軸 雙刀架 9 軸控制等 以及可實(shí)現(xiàn) 4 5 軸聯(lián)動(dòng)的五軸高速門式加工中心 五軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)化的發(fā)展需求 數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高 具體體現(xiàn)在 以下幾個(gè)方面 1 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù) 通過監(jiān)測(cè)加工過程中的切削力 主 軸和進(jìn)給電機(jī)的功率 電流 電壓等信息 利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算 法進(jìn)行識(shí)別 以辯識(shí)出刀具的受力 磨損 破損狀態(tài)及機(jī)床加工的 穩(wěn)定性狀態(tài) 并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù) 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給 速度 和加工指令 使設(shè)備處于最佳運(yùn)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(yùn)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(yàn) 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(dá)到提高編程效率和加工工藝水平 縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí) 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(shí)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(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真 用以確定錯(cuò)誤 引起的原因 找出解決問題的辦法 積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn) 5 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置 能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載 并自動(dòng)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(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服 裝置 這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 并自動(dòng)對(duì) 控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整 使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行 6 智能 4M 數(shù)控系統(tǒng) 在制造過程中 加工 檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn) 快速制造 快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑 將測(cè)量 Measurement 建模 Modelling 加工 Manufacturing 機(jī)器操作 Manipulator 四者 即 4M 融合在一個(gè)系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn) 信息共享 促進(jìn)測(cè)量 建模 加工 裝夾 操作的一體化 3 5 體系開放化 1 向未來(lái)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(jì)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(fèi)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(zhǎng)生命周期 2 向用戶特殊要求開放 更新產(chǎn)品 擴(kuò)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(guó)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(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 標(biāo)準(zhǔn)化的編程語(yǔ)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(dòng)消耗 3 6 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)部件質(zhì)量大 系統(tǒng)剛 度低 刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給 作業(yè)自由度偏低 設(shè)備加工靈活 性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷 在機(jī)床主軸 一般為動(dòng)平臺(tái) 與機(jī)座 一般為靜平臺(tái) 之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 通過控制桿系 中桿的長(zhǎng)度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng) 可實(shí)現(xiàn)多坐 標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工 裝配和測(cè)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(jī)器人的模塊化程度高 重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn) 并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備 已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè) 重要研究方向 受到了國(guó)際機(jī)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(lái)在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)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(guó)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(jī)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(jī)床包括微切削加工 車 銑 磨 機(jī)床 微電加工機(jī)床 微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量 正在逐漸增大 3 8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)來(lái)說 使數(shù)控機(jī)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(gè)部門間暢通無(wú)阻是非常重要 的 既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享 又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視 控 制 培訓(xùn) 教學(xué) 管理 還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù) 數(shù)控機(jī)床 故障的遠(yuǎn)程診斷 維護(hù)等 例如 日本 Mazak 公司推出新一代的加 工中心配備了一個(gè)稱為信息塔 e Tower 的外部設(shè)備 包括計(jì)算機(jī) 手機(jī) 機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等 能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音 圖形 視像和文本的 通信故障報(bào)警顯示 在線幫助排除故障等功能 是獨(dú)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(jī)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(dòng)機(jī)與主軸部件的集成 具有體 積小 轉(zhuǎn)速高 可無(wú)級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn) 在各種新型數(shù)控機(jī)床中 已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用 直線電動(dòng)機(jī) 近年來(lái) 直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日 益廣泛 雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng) 但由于負(fù)載變化擾動(dòng) 熱變形補(bǔ)償 隔磁和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn) 化 機(jī)床的動(dòng)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(dòng)機(jī)已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床 加工中 心 磨床 并聯(lián)機(jī)床以及動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床等 德 國(guó) EX CELL O 公司的 XHC 臥式加工中心三向驅(qū)動(dòng)均采用兩個(gè)直線電 動(dòng)機(jī) 電滾珠絲桿 電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成 可以大大簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu) 具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少 結(jié)構(gòu)緊湊等一系 列優(yōu)點(diǎn) 總結(jié) 縱觀數(shù)控機(jī)床的發(fā)展之路 我們可以清晰的認(rèn)識(shí)到數(shù)控的發(fā)展 他不僅代表著整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展 也代表著整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步 中國(guó) 是一個(gè)制造業(yè)大國(guó) 主要依靠資源 勞動(dòng)力 價(jià)格等方面的優(yōu)勢(shì) 而在產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和自主創(chuàng)新方面與國(guó)外的差距還是很大 中國(guó)是 數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀 應(yīng)抓住就會(huì)努力發(fā)展 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè) 的核心基礎(chǔ) 是國(guó)家工業(yè)和國(guó)防工業(yè)現(xiàn)代化的重要手段 我們要加 快發(fā)展 力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)由中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變 參考文獻(xiàn) 1 中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì) 行業(yè)發(fā)展部 CIMT2001 巡禮 J 世界 制造技術(shù)與裝備市場(chǎng) 2001 3 18 20 2 梁訓(xùn)王宣 周延佑 機(jī)床技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向 J 世界制造技術(shù)與 裝備市場(chǎng) 2001 3 21 28 3 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程 2001 年第 30 卷第 1 期 4 王平 機(jī)電新產(chǎn)品導(dǎo)報(bào) 2005 年第 12 期