数控机床的产生与发展过程(doc 9页)

数控机床的产生与发展过程(doc 9页)

第一章数控机床概述

数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它已开始在各个领域普及，并且它所带来的巨大效益已引起了世界各国科技与工业届的普遍重视。

20世纪40年代以来，汽车、飞机和导弹制造工业发展迅速，原来的加工设备已无法承担加工航空工业需要的复杂型面零件。数控技术是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的。1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床加工样板曲线的设想。后来与美国空军签订合同，帕森斯（Parsons）公司与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作进行研制成功。1952年试制成功第一台三坐标立式数控铣床。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究，于1955年进入实验阶段，这对加工复杂曲面和促进美国飞机制造业的发展起了重要作用。

1958年我国开始研制数控机床，1975年研制出第一台加工中心。目前，在数控技术领域，我国同先进国家之间还存在不小的差距，但这种差距正在缩小。数控技术的应用也从机床控制拓展到其他控制设备，如数控电火花线切割机床、数控测量机和工业机器人等。

1.1数控机床的产生与发展

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一。单件、小批生产占机械加工的80%左右，一种适合于产品更新换代快、品种多、质量和生产率高、成本低的自动化生产设备的应用已迫在眉睫。而数控机床则能适应这种要求，满足目前生产需求。

1.1.1数控机床的产生与发展过程

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基础。1952年，计算机技术应用到机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床经历了两大阶段和六代的发展。

1.数控（NC）阶段（1952年-1970年）

早期计算机的运算速度底,这对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床的实施控制要求.人们不得不采用数字逻辑电路制成一台机床专

在数控机床高速化上，国外直线电机驱动技术，应用于进给驱动系统已实现实用化、普及化；机床的主轴转速和切削进给速度普遍提高。主轴转速一般都在10000 r/min以上，快移速度也因普遍采用直线电机而提高到100m/min以上。瑞士的MIKRON公司生产的HSM立式加工中心，它在主轴转速在30000r/min、进给速度40m/min、加速度17m/s2的情况下，实现平稳运行；日本安田公司生产的YBM950V型立式加工中心，其主轴在20000～30000 r/min高速运转时，仍十分平稳，铣削平面的粗糙度可达0.4μm。

2.复合

数控机床复合以功能复合为基础，以提高工序集中度为目标，尽量减少重复装卡次数，可大幅度提高生产效率和工作精度。近几年，数控机床复合又在向更高层次发展，国际上已经出现了加工中心与车削中心复合机床，加工中心与激光加工复合机床，集车、磨、铣、钻、铰、镗、滚齿等工序于一体的车磨复合机床，集平面磨、内圆磨、外圆磨为一体的磨削中心，集各种机床及测量机于一体的虚拟轴机床，五轴联动激光切割机等。

日本MAZAK公司的MACTURN 250/350系列车铣中心，可进行外径车削、倾斜面加工、滚齿加工、凸轮和偏心加工；德国BWF公司开发的STRATOS系列车磨中心，可以对齿轮和类似工件以及内孔、端面、锥面进行硬车和磨削。我国复合加工机床从1999年刚刚起步，发展速度较快，主要是车铣复合加工机。

3.精密

精密加工须由高精度机床保证。高速高精度加工机床，不仅要有高切削速度，而且要有高进给速度和加速度，同时应当具有微米级的加工精度。在高精度机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动方式虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重愈来愈大，很有可能在不久的将来成为此种机床进给驱动的主流。

当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLNL实验室研制成功的DTM-3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的，达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cranfield、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。北京机床研究所研制成功了JCS-027型超精密车床、JCS-031型超精密铣床、JCS-035型数控超精密车床等。

4.智能

智能机床是指能对制造过程主动做出最优运动决策的机床，它能采集整个制造过程中的参数，通过诊断分析、应用监控、补偿等措施及时进行调整，并能判断机床中轴承、导轨等关键件的磨损和刀具的寿命情况，作出维修和更换的合理时间建议。因此，智能机床将为实现全盘自动化创造条件，减少机床管理的工作量，并能获得最大功效和稳定的加工精度。

在上世纪80年代，虽然美国曾提出智能化雏形的适应控制机床，但由于受到自动化检测、控制和动态补偿等技术的制约，除了在控制因素较简单的电加工机床和注塑机上得到应用外，总体上进展较为缓慢。但是进入本世纪后，由于信息技术和控制技术的发展，出现了新一代智能型数控系统，它具有强大的信息分析处理能力和优化控制的功能。其次微机电系统型传感器技术的应用，

以及机床结构的振动、热误差等机理的深入研究，可实施在多信息融合下的优化重构，实现经济地优质高产的集约制造。

计算机技术及其软件控制技术在数控机床技术含量中所占比重越来越大，计算机系统及应用软件的复杂化同时带来机床系统及其硬件结构的简化。通过赋予机床网络化功能，使机床的远程通讯、远程控制、远程故障排除和维护、远程服务成为可能。

日本MAZAK公司的日本工厂是世界上为数不多的智能管理的代表。整个工厂实行计算机网络智能化管理。2006年的美国IMTS和日本JIMTOF国际机床展览会上，日本MAZAK公司展出智能机床具有自动抑制振动、优化控制热位移、防止碰撞的智能安全防护以及语音提示等四大智能。日本OKUMA公司也推出了称之为Thinc的智能化数字控制系统，它可以在不需人的干预下做出“聪明”决策，并通过自学习功能使其功能不断优化增长。美国GEFANUC公司展示的效率机床4.0可收集完整的基本数据作出判断分析，使机床的平均无故障时间（MTBF）增长。此外，美国辛辛那提公司开发的自动平衡装置以及瑞士MIKRON 公司研发的高级工艺控制系统有助于提高切削性能和效率。这些事例说明智能机床已取得了突破性的进展，预计在今后的若干年内年内它将在不断完善的基础上逐步推广应用，成为高档数控机床的一个主要技术发展方向。

5.环保

随着人们环境保护意识的加强，对环保的要求越来越高。不仅要求机床在制造过程中不产生对环境的污染，也要求机床在使用过程中不产生二次污染。在这种形势下，装备制造领域对机床提出了无冷却、无润滑、无气味的环保要求，机床的排屑、除尘等装置也发生了深刻的变化。绿色加工工艺愈来愈受到机械制造业的重视，目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10％～15％的加工实行了干切削或准干切削。美国HARDING的QUEST系列车床、德国HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技术；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷却技术；日本富士公司的数控车床采用了冷风冷却技术。我国干切削技术的研究也已起步。成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等）及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。北京机床研究所最近开发成功的KT系列加工中心已能实现高速干切削。

1.1.3我国数控机床的发展状况

机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。主要体现在以下几个方面：

1.中高档数控机床的开发取得了较大进展，在五轴联动、复合加工、数字化设计以及高速加工等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控加工机床，精密及超精密数控机床以及一大批专门化、高性能机床，并形成了一批中高档数控机床产业化基地。

2.关键功能部件的技术水平、制造质量逐年稳步提高，功能逐步完善，部分性能指标接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。开发出了高速主轴单元、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、高速导轨防护装置、直