1.数控机床的产生

在机械产品中,单件和小批量产品占到70%～80%。由于这类产品的生产批量小、品种多,一般都采用通用机床加工。而通用机床的自动化程度不高,生产效率低,加工质量难以保证。随着科学技术和社会生产力的迅速发展,人们对机械产品的质量和生产率提出越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的重要措施之一,因而,出现了各种专用自动化机床和专用自动生产线,将“单件生产”方式转为“大批量生产”方式,从而大大提高了生产率,降低生产成本。但这种生产方式需要巨大的初期投资和很长的生产准备周期,产品改型不易,因而损失了产品的多样性和创造性。但社会在不断进步,市场对机械产品的多样化要求日益强烈,产品更新越来越快,多品种、小批量生产比重明显增加,同时随着汽车工业和轻工业消费品的高速增长,机械产品的结构日趋复杂,其精度日趋提高,性能不断改善,激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短,传统的加工设备和制造方式已难以适应这种多样化、柔性化、高效和高质量复杂零件的加工要求。特别是一些由曲线、曲面组成的复杂零件,若采用通用机床加工,只能借助画线和样板用手工操作的方法来加工,或利用靠模和仿型机床来加工,其加工精度和生产效率都会有很大的降低。

数控机床就是为了解决单件、小批量,特别是高精度、复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1948年,美国帕森斯(Parsons)公司为了精确地制作直升机机翼、桨叶和飞机框架,提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想,他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理,并考虑到刀具直径对加工路径的影响,使得加工精度达到±0.0015英寸(0.0381mm)。1952年,帕森斯公司和麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所合作,成功研制出世界上第一台数控机床——三坐标立式铣床,它可控制铣刀进行连续空间曲面的加工,拉开了数控加工技术的序幕。

2.数控机床的发展

自第一台数控机床问世以来,数控技术得到了迅速发展、加工精度和生产效率不断提高。按照数控系统的发展,数控机床已先后经历了两个阶段、六个时代的发展:电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器及基于PC的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段称为普通数控系统(NC系统),主要由电路的硬件和连线组成,其特点是具有很多硬件电路和连接结点,电路复杂,可靠性不好。后三代为第二阶段称作计算机数控系统(CNC 系统),主要由计算机硬件和软件组成,其最突出的特点是利用存储器里的软件控制系统工作,这种系统容易扩展功能,柔性好,可靠性高。现在,开放式数控系统(Open Numerical Control System,简称ONC系统)正得到快速发展和应用。

在计算机数控系统(CNC系统)时代,随着微电子技术和计算机技术的不断发展,数控技术也随之不断更新,发展非常迅速,几乎每5年更新换代一次,其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。(www.daowen.com)

在数控系统不断更新的同时,数控机床的品种得以不断增加。自世界上第一台三坐标数控铣床于1952年问世,科学家先后研制成功了数控转塔冲床、数控转塔钻床,1958年美国K&T 公司研制出带自动换刀装置的数控机床,称为加工中心(MC)。特别是直接数字控制系统(DNC)、柔性制造系统(FMC)、计算机集成制造系统(CIMS)等相继出现,使数控机床成为现代制造技术的基础,同时使人们对传统的机床传动及结构的认识发生了根本的转变。同时数控技术在其他机械行业中也得到了迅速发展,数控激光加工机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床、数控压力机、数控剪板机、数控折弯机、数控弯管机、自动绘图机、数控测量机、数控编织机、数控剪裁机、数控雕刻机等数控设备已得到了广泛应用。

我国从1958年开始数控机床的研制工作,20世纪60年代,针对壁锥、非圆齿轮等复杂形状的工件研制出壁锥铣床、数控非圆齿轮插齿机等设备。20世纪70年代针对航空工业等加工复杂零件的急需,从1973年开始组织数控机床攻关会战,到1975年已试制生产了40多个品种300多台数控机床,数控加工中心在北京、上海研制成功。1979年之前,由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制,我国数控机床的品种和数量都很少,而且绝大部分为数控线切割机床,其数控机床的稳定性和可靠性也比较差。

20世纪80年代,我国先后从日本、美国等国家引进部分数控装置和伺服驱动系统,通过引进和消化吸收,开始批量生产数控系统,逐步建立国产化体系,出现了北京珠峰公司的中华I型、华中数控公司的华中I型和沈阳高档数控国家工程中心的蓝天I型等数控系统。数控机床的品种也有了新的发展,除了线切割机床外,其他金属切削机床也都有了极大的发展。多年来,国家对数控机床产业一直高度重视,给予了多方面的支持和投入。“九五”期间是我国数控机床发展重要的发展时期,到“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50%,配国产数控系统(普及型)也达10%。20世纪90年代,一些较高档次的五轴联动数控机床相继开发出来,并向高档数控机床发展。

此外,我国在柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等方面也取得了重要突破。1984年北京机床研究所研制成功了FMC－1和FMC－2柔性加工单元,之后又开始了柔性制造系统的开发工作,并与日本FANUC公司合作,在北京机床研究所内建立了第一条柔性制造系统(JCS－FMC－1型),用于加工直流伺服电动机的轴类、法兰盘类、刷架体类和壳体类的14种零件。1987年6月开始,清华大学等单位用了五年半的时间,建成了我国第一套计算机集成制造系统(CIMS－ERC),它于1993年3月正式通过国家鉴定和验收。它不仅填补了国内在CIMS方面的空白,而且进入了世界先进行列,达到了美国等发达国家CIMS研究的水平。这一切说明,我国的机床数控技术已进入了一个新的发展时期。

目前,数控机床的发展日新月异。中国作为一个制造大国,主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势,而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行还有一定的差距。应该抓住机会不断发展,努力发展自己的先进技术,加大技术创新与人才培训力度,提高企业综合服务能力,努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变,实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。