第一章 概论

[主要内容]

1、简略讲述数控机床的产生；

2、简略讲述数控技术的发展趋势；

[教学目标]

1、了解数控机床的产生；

2、了解数控技术的发展趋势；

1.1 数控机床的产生

1.1.1 产生背景

从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段：

自动机床

组合机床

专用自动生产线 这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：

初始投资大

准备周期长

1.1.2 数控技术产生和发展的内在动力

市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。

1.1.3 数控技术产生和发展的技术基础

电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动柔性差化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。

1.1.4 发展的历史

采用数字控制（NC Numerical control）技术进行机械加工的思想，最早是于20世纪40年代初提出来的。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一台数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时用的电子元件是电子管。

1958年，开始采用晶体管元件和印刷线路板。美国出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（MC Machining Center）。从1960年开始，其它一些工业国家，如原联邦德国、日本也陆续开发生产出了数控机床。

1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小、功耗降低及可靠性提高。但仍然是硬件逻辑数控系统。

1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统（FMS Flexible Manufacture System）。

1970年，美国芝加哥国际机床展览会首次展出用小型计算机控制的数控机床界上第一台汁算机数字控制（CNC Computer Numerical control）的数控机床。

1974年微处理器用于数控装置，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。

在20世纪80年代后期，出现了以加工中心为主体，再配上工件自动检测与装卸装置的柔性制造单元(FMC Flexible Manufacture Center)。FMC和FMS技术是实现计算机集成制造系统(CIMS Computer Integrated Manufacture System)的重要基础。

数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。其数控系统的发展表现为以下的几个阶段。

数控机床是典型的机电一体化产品，它所覆盖的领域如下图所示。

1.1.5 各国数控机床发展历史   

(请参阅：《数控机床的现状与发展》）

美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。

1.美国的数控发展史

美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。

2.德国的数控发展史

德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。

3.日本的数控发展史

日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。

4.我国的现状   

请参阅：《我国数控机床发展目标已基本确定》
        《我国“十一五”数控机床发展重点》
        《数控技术和装备发展趋势及对策》

我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。

1.2 数控机床加工功能

数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量的多少，是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。

数控加工可以给我们带来多样的产品，我们从几类典型的数机床的来看其加工的功能。

1.2.1数控车床的加工功能

数控车床比较适合于车削具有以下要求和特点的回转体零件。

1.2.2数控铣床的加工功能

1.叶轮

2.箱体

3.异形件

1.2.3数控加工中心的加工功能

1.端面铣削

2.攻丝

3.镗孔

4.钻孔

5.内外螺纹加工

6.特殊程序加工

7.铣内孔槽

8.铣曲面

9.铣曲线

1.3 数控技术发展趋势

从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；数控技术是国家的战略技术；基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。

1.3.1 运行高速化、加工高精化

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

运行高速化表现在以下几个方面：

1）进给率高速化

2）主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

3）换刀速度

4）工作台（托盘）交换速度

从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。

加工高精化表现在以下几个方面：

1）提高CNC系统控制精度

采用高速插补技术

采用高分辨率位置检测装置

位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法

2）采用误差补偿技术

采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;

设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。

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(0.01μm)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

1.3.2 功能复合化

复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。

1）镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；

2）车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；

3）铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；

4）铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；

5）可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心 ；

1.3.3 控制智能化 具体体现在以下几个方面：

1）加工过程自适应控制技术

通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。

Mitsubishi Electric 公司的用于数控电火花成型机床的“Miracle Fuzzy” 基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数；

日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替人进行加工过程监控。

2）加工参数的智能优化与选择

将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。

日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。

国内清华在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实用化开发。

3）智能故障诊断与自修复技术

智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法（AI、ES、AN等），实现故障快速准确定位的技术。

智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。

智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。智能化自修复技术还在研究之中。

4）智能化交流伺服驱动装置

5）智能 4M数控系统

1.3.4 体系开放化

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

1）定义（IEEE）：

具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。

2）开放式数控系统特点：

系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardizatio) 与多样化( Diversificatio) 和互换性(Interchangeability) 的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“ 积木式” 的集成。构造应该是可移植的和透明的；

3）开放体系结构CNC的优点

向未来技术开放：遵循公认的标准协议，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；

标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；

向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；

可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。

4）开放式数控装置的概念结构

5）国内外开放式数控系统的研究进展

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generatio Work-Statio/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automatio Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等，如华中I型——基于IPC的CNC开放体系结构和航天I型CNC系统——基于PC的多机CNC开放体系结构。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

1.3.5 驱动并联化

1.并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。

并联机床的实物图

2.下图所示为并联机床的结构图，

由此观察并联机床所具有的特点总结如下：

1)并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合产物；

2)由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构；

3)具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。

1.3.6 交互网络化

支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。其主要表现有以下几个方面：

网络资源共享；

数控机床的远程（网络）监视、控制；

数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）；

数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、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、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“Cyber Productio Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

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