數(shù)控機(jī)床起源和發(fā)展課件

1、12345數(shù)控機(jī)床的起源與發(fā)展組長(zhǎng) 林艷組員 楊馳 張?zhí)┸?岳相敏 王敏 楊曉川 楚川瑩什么是數(shù)控技術(shù)？ 數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字控制的方法對(duì)某一工作過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)（即用數(shù)字的系統(tǒng)控制工作的機(jī)床）。它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)。 我們是制造人，我們的工作就是制造，是金屬切削制造。因此，我們的數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字控制的方法對(duì)某一零件的加工過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。 1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工

2、具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。人類社會(huì)也從此進(jìn)入了數(shù)字控制時(shí)代。數(shù)控系統(tǒng)： 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，英文名稱為（Numerical Control System），根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。 自1952年計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上到現(xiàn)在近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)

3、歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控（NC）階段（19521970年） 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIREDNC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代-電子管；1959年的第二代-晶體管；1965年的第三代-小規(guī)模集成電路。 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年現(xiàn)在） 到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。這也

4、是數(shù)控系統(tǒng)的第四代。到1971年，美國(guó)INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件-運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱CPU）。到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，即第五代數(shù)控系統(tǒng)。到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國(guó)

5、內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段，也就是進(jìn)入了數(shù)控系統(tǒng)的第六代。分類：按運(yùn)動(dòng)軌跡分：1、點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng);2、直線控制數(shù)控系統(tǒng);3、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)。按伺服系統(tǒng)分：1、開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng);2、半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng);3、全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)。按功能水平分：1、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng);2、普及型數(shù)控系統(tǒng);3高檔型數(shù)控系統(tǒng)。常用的一些數(shù)控系統(tǒng)：發(fā)那科（FAUNC）數(shù)控系統(tǒng)、西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)、三菱（MITSUBISHI）數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控（GSK）數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)。NC與CNC: NC (Numerical Con

6、trol)指用離散的數(shù)字信息控制機(jī)械等裝置的運(yùn)行，只能由操作者自己編程. CNC是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(Computer number control)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)作并加工零件。什么是數(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)部的自動(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)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)并加工零件。61952年麻省理工學(xué)院在

7、一臺(tái)立式銑床上，裝上了一套采用電子管元件的數(shù)控裝置，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。也即是第一代數(shù)控機(jī)床。1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 到了1960年以后，點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床得到了迅速的發(fā)展。因?yàn)辄c(diǎn)位控制的數(shù)控系統(tǒng)比起輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。因此，數(shù)控銑床、沖床、坐標(biāo)鏜床大量發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，到1966年實(shí)際使用的約6000臺(tái)數(shù)控機(jī)床中，85%是點(diǎn)位控制的機(jī)床。1960點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床僅能控制在加工平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)軸帶動(dòng)刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)坐標(biāo)位置快速移動(dòng)到下一個(gè)坐標(biāo)位置，然后控制第三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行鉆鏜切削加工。在整個(gè)移動(dòng)過程

8、中不進(jìn)行切削加工，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒有任何要求，但要求坐標(biāo)位置有較高的定位精度。點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床用于加工平面內(nèi)的孔系，這類機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、印刷電路板鉆孔機(jī)、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只控制刀具對(duì)工件的定位，有某一定點(diǎn)向下定位運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行切削，對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。直線切削控制系統(tǒng)是控制刀具沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)，并對(duì)工件進(jìn)行切削加工。在加工過程中，不但要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運(yùn)動(dòng)按規(guī)定點(diǎn)路徑到達(dá)終點(diǎn)，所以直線切削控制系統(tǒng)又稱點(diǎn)位/直線切削控制系統(tǒng) 立式數(shù)控鉆床數(shù)控鏜床多工位數(shù)控沖床三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制數(shù)控機(jī)床 : 輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以

9、上運(yùn)動(dòng)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，使合成的平面或空間的運(yùn)動(dòng)軌跡能滿足零件輪廓的要求。 它不僅能控制機(jī)床移動(dòng)部件的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)，而且能控制整個(gè)加工輪廓每一點(diǎn)的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。 常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控火焰切割機(jī)、電火花加工機(jī)床以及數(shù)控繪圖機(jī)等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。 輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位直線控系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會(huì)帶來成本的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。 臥式

10、數(shù)控車床數(shù)控銑床數(shù)控磨床數(shù)控電火花線切割機(jī)床數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中，值得一提的是加工中心。這是一種采用了晶體管元件和印刷電路板數(shù)控裝置的具有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，也是第二代數(shù)控機(jī)床的代表。它能實(shí)現(xiàn)工件一次裝卡而進(jìn)行多工序的加工。這種產(chǎn)品最初是在1959年3月，由美國(guó)卡耐特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）開發(fā)出來的。這種機(jī)床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動(dòng)選擇刀具，并通過機(jī)械手將刀具裝在主軸上，對(duì)工件進(jìn)行加工。它可縮短機(jī)床上零件的裝卸時(shí)間和更換刀具的時(shí)間。加工中心現(xiàn)在已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用于箱體零件加工的鏜銑類加工中

11、心，還有用于回轉(zhuǎn)整體零件加工的車削中心、磨削中心等。 加工中心車削中心磨削中心臥式數(shù)控機(jī)床立式數(shù)控機(jī)床刀庫 1965年，在出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置后兩年。即1967年，英國(guó)莫林斯公司首次提出的FMS基本概念。同年，美國(guó)的懷特森斯特蘭公司建成Omniline I系統(tǒng)，它由八臺(tái)加工中心和兩臺(tái)多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動(dòng)化設(shè)備適于少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動(dòng)生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動(dòng)生產(chǎn)線。到1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(簡(jiǎn)稱FMC)，為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)

12、備形式。柔性制造單元(FMC)一般由12臺(tái)數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨(dú)立的工件儲(chǔ)存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動(dòng)裝卸工件，甚至自動(dòng)檢測(cè)工件，可實(shí)現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于多品種小批量生產(chǎn)應(yīng)用。 1967柔性制造系統(tǒng)FMS隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)MS在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，實(shí)用階段，以由35臺(tái)設(shè)備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。 到1982年，日本發(fā)那科公司建成自動(dòng)化電機(jī)加工車間，由60個(gè)柔性制造單元（包括50個(gè)工業(yè)機(jī)器人）和一個(gè)立體倉庫組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車傳送毛坯和工件，此外還有一個(gè)無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。 柔性制造系統(tǒng)是在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上

13、，以多臺(tái)(種)數(shù)控機(jī)床或數(shù)組柔性制造單元為核心，通過自動(dòng)化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，統(tǒng)一由主控計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)有以下三種類型：1、柔性制造單元 ：由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動(dòng)更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡(jiǎn)單，加工工時(shí)較長(zhǎng)，批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。 2、柔性制造系統(tǒng) ：是以數(shù)控機(jī)床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，能在不停機(jī)的情況下，滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工

14、形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。 3、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線 ：是把多臺(tái)可以調(diào)整的機(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動(dòng)運(yùn)送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動(dòng)生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。 1 設(shè)備利用率高。一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床在分散單機(jī)作業(yè)時(shí)的產(chǎn)量提高數(shù)倍。 2 在制品減少80%左右。 3 生產(chǎn)能力相對(duì)穩(wěn)定。自動(dòng)加工系統(tǒng)由一或多臺(tái)機(jī)床組成，發(fā)生故障時(shí)，有降級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機(jī)床

15、的能力。 4 產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形式穩(wěn)定。 5 運(yùn)行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗(yàn)、裝卡和維護(hù)工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運(yùn)行過程中不可預(yù)料的問題。柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)：6 產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運(yùn)輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場(chǎng)需要。7 經(jīng)濟(jì)效果顯著。采用FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時(shí)安排所需零件的加工，實(shí)現(xiàn)及時(shí)生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應(yīng)的流動(dòng)資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高

16、設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動(dòng)力，在少人看管條件下可實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性柔性制造系統(tǒng)柔性制造單元 20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機(jī)為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。 現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（Computerized Numerical Control 簡(jiǎn)稱：CNC），目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對(duì)設(shè)備的控制功能。由于采用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處

17、理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可以通過計(jì)算機(jī)軟件來完成。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)信息化的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)：1：加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；2：可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；3：群基機(jī)床加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；4：對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高；5：群基機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；6：群基機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高。中國(guó)于1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在19581979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。我國(guó)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床我國(guó)的發(fā)展：第一階段中對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用於生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段我國(guó)從日、德、美、西班牙先後引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國(guó)、臺(tái)灣省共11國(guó)(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床