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        數控機床的發展歷史

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        數控機床的發展歷史

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        行業資訊
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        發佈時間:
        2016/09/10 12:30
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        【摘要】:
        數控機床最早誕生於美國。1948年,美國帕森斯公司在研製加工直升機葉片輪廓檢查用樣板的機床時,提出了數控機床的設想,後受美國空軍委託與麻省理工學院合作,於1952年試製了世界上第一臺三座標數控立式銑床,其數控系統採用電子管。1960年開始,德國、日本、中國等都陸續地開發、生產及使用數控機床,中國於1968年由北京第一機床廠研製出第一臺數控機床。1974年微處理器直接用於數控機床,進一步促進了數控機床的普及應用和飛速發展。
        由於微電子和電腦技術的不斷發展,數控機床的數控系統一直在不斷更新,到目前為止已經曆過以下幾代變化:
        第一代數控(1952~1959年):採用電子管構成的硬體數控系統;
        第二代數控(1959~1965年):採用電晶體電路為主的硬體數控系統;
        第三代數控(1965年開始):採用小、中規模積體電路的硬體數控系統;
        第四代數控(1970年開始):採用大規模積體電路的小型通用電子電腦數控系統;
        第五代數控(1974年開始):採用微型電腦控制的數控系統;
        第六代數控(1990年開始):採用工控PC機的通用CNC系統。
        前三代為第一階段,數控系統主要是由硬體聯結構成,稱為硬體數控;後三代稱為電腦數控,其功能主要由軟體完成。
        近20年來,隨著科學技術的發展,先進製造技術的興起和不斷成熟,對數控技術提出了更高的要求。目前數控技術主要朝以下方向發展:
        1)向高速度、高精度方向發展
        速度和精度是數控機床的兩個重要指標,直接關係到產品的品質和檔次、產品的生產週期和在市場上的競爭能力。
        在加工精度方面,近10年來,普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3~5μm提高到1~1.5μm,並且超精密加工精度已開始進入納米級(0.001μm)。加工精度的提高不僅在於採用了滾珠絲杠副、靜壓導軌、直線滾動導軌、磁浮導軌等部件,提高了CNC系統的控制精度,應用了高解析度位置檢測裝置,而且也在於使用了各種誤差補償技術,如絲杠螺距誤差補償、刀具誤差補償、熱變形誤差補償、空間誤差綜合補償等。
        在加工速度方面,高速加工源於20世紀90年代初,以電主軸和直線電機的應用為特徵,使主軸轉速大大提高,進給速度達60m/min以上,進給加速度和減速度達到1~2g以上,主軸轉速達100000r/min以上。高速進給要求數控系統的運算速度快、採樣週期短,還要求數控系統具有足夠的超前路徑加(減)速優化預處理能力(前瞻處理),有些系統可提前處理5000個程式段。為保證加工速度,高檔數控系統可在每秒內進行2000~10000次進給速度的改變。
        2)向柔性化、功能集成化方向發展
        數控機床在提高單機柔性化的同時,朝單元柔性化和系統化方向發展,如出現了數控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心等具有柔性的高效加工設備;出現了由多臺數控機床組成底層加工設備的柔性製造單元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)、柔性製造系統(Flexible Manufacturing System,FMS)、柔性加工線(Flexible Manufacturing Line,FML)。
        在現代數控機床上,自動換刀裝置、自動工作臺交換裝置等已成為基本裝置。隨著數控機床向柔性化方向的發展,功能集成化更多地體現在:工件自動裝卸,工件自動定位,刀具自動對刀,工件自動測量與補償,集鑽、車、鏜、銑、磨為一體的“萬能加工”和集裝卸、加工、測量為一體的“完整加工”等。
        3)向智能化方向發展
        隨著人工智慧在電腦領域不斷滲透和發展,數控系統向智能化方向發展。在新一代的數控系統中,由於採用“進化計算”(Evolutionary Computation)、“模糊系統”(Fuzzy System)和“神經網路”(Neural Network)等控制機理,性能大大提高,具有加工過程的自適應控制、負載自動識別、工藝參數自生成、運動參數動態補償、智能診斷、智能監控等功能。
        (1)引進自適應控制技術  由於在實際加工過程中,影響加工精度因素較多,如工件餘量不均勻、材料硬度不均勻、刀具磨損、工件變形、機床熱變形等。這些因素事先難以預知,以致在實際加工中,很難用最佳參數進行切削。引進自適應控制技術的目的是使加工系統能根據切削條件的變化自動調節切削用量等參數,使加工過程保持最佳工作狀態,從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度,同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產效率。
        (2)故障自診斷、自修複功能  在系統整個工作狀態中,利用數控系統內裝程式隨時對數控系統本身以及與其相連的各種設備進行自診斷、自檢查。一旦出現故障,立即採用停機等措施,並進行故障報警,提示發生故障的部位和原因等,並利用“冗餘”技術,自動使故障模組脫機,接通備用模組。
        (3)刀具壽命自動檢測和自動換刀功能  利用紅外、聲發射、鐳射等檢測手段,對刀具和工件進行檢測。發現工件超差、刀具磨損和破損等,及時進行報警、自動補償或更換刀具,確保產品品質。
        (4)模式識別技術  應用圖像識別和聲控技術,使機床自己辨識圖樣,按照自然語言命令進行加工。
        (5)智能化交流伺服驅動技術  目前已研究能自動識別負載並自動調整參數的智能化伺服系統,包括智能化主軸交流驅動裝置和進給伺服驅動裝置,使驅動系統獲得最佳運行。
        4)向高可靠性方向發展
        數控機床的可靠性一直是用戶最關心的主要指標,它主要取決於數控系統各伺服驅動單元的可靠性。為提高可靠性,目前主要採取以下措施:
        (1)採用更高集成度的電路晶片,採用大規?;虺笠幠5膶S眉盎旌鲜椒e體電路,以減少元器件的數量,提高可靠性。
        (2)通過硬體功能軟體化,以適應各種控制功能的要求,同時通過硬體結構的模組化、標準化、通用化及系列化,提高硬體的生產批量和品質。
        (3)增強故障自診斷、自恢復和保護功能,對系統內硬體、軟體和各種外部設備進行故障診斷、報警。當發生加工超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時,自動進行相應的保護。
        5)向網路化方向發展
        數控機床的網路化將極大地滿足柔性生產線、柔性製造系統、製造企業對資訊集成的需求,也是實現新的製造模式,如敏捷製造(Agile Manufacturing,AM)、虛擬企業(Virtual Enterprise,VE)、全球製造(Global Manufacturing,GM)的基礎單元。目前先進的數控系統為用戶提供了強大的聯網能力,除了具有RS232C介面外,還帶有遠程緩衝功能的DNC介面,可以實現多臺數控機床間的數據通信和直接對多臺數控機床進行控制。有的已配備與工業局域網通信的功能以及網路介面,促進了系統集成化和資訊綜合化,使遠程線上編程、遠程仿真、遠程操作、遠程監控及遠程故障診斷成為可能。
         
        自主管理
        6)向標準化方向發展
        數控標準是製造業資訊化發展的一種趨勢。數控技術誕生後的50多年間的資訊交換都是基於ISO6983標準,即採用G、M代碼對加工過程進行描述,顯然,這種面向過程的描述方法已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴於具體系統的中性機制,能夠描述產品整個生命週期內的統一數據模型,從而實現整個製造過程,乃至各個工業領域產品資訊的標準化。
        7)向驅動並聯化方向發展
        並聯機床(又稱虛擬軸機床)是20世紀最具革命性的機床運動結構的突破,引起了普遍關注。並聯機床(參見圖1-7)由基座、平臺、多根可伸縮桿件組成,每根桿件的兩端通過球面支承分別將運動平臺與基座相連,並由伺服電機和滾珠絲杠按數控指令實現伸縮運動,使運動平臺帶動主軸部件或工作臺部件作任意軌跡的運動。並聯機床結構簡單但數學複雜,整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算,因此並聯機床是一種知識密集型機構。並聯機床與傳統串聯式機床相比具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機械結構簡單、製造成本低、標準化程度高等優點,在許多領域都得到了成功的應用。
        由並聯、串聯同時組成的混聯式數控機床,不但具有並聯機床的優點,而且在使用上更具實用價值,是一類很有前途的數控機床。

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