数控机床的历史 数控机床的历史

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数控机床的历史

[摘要]

“科学技术是第一生产力”已经成为当今社会发展的最高真理。谁能掌握最先进的科学技术，谁就能主动发展，取得巨大的突破和成就。

以数控技术为核心的先进制造技术是反映一个国家综合国力的重要标志之一。

摘要:本文主要介绍了数控机床的定义、发展阶段和历史，以及世界和中国机床的发展，并简要描述了数控机床未来的发展方向，说明了数控机床在当今社会发展中的重要性。

通过搜索相关资料，加深了对机械专业尤其是数控机床的认识，同时明确了当今社会机电一体化的发展趋势和未来进一步学习的方向。

[关键词]机床强国发展趋势历史

一、名词描述

数控就是数控。

数控技术，即数控技术，是指利用数字信息发布指令，实现自动控制的技术。

它是现代发展起来的自动控制技术。

目前，数控技术已经成为现代制造技术的基本支撑，数控技术和数控设备是制造业现代化的重要基础。

这个基础是否牢固，直接影响一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。

因此，世界上所有发达国家都采取了重大措施来发展自己的数控技术和产业。

数控机床是指利用数控技术自动控制机床加工过程的一种机床。

国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床的定义是:“数控机床是装有程序控制系统的机床，可以用使用代码或其他编码指令对程序进行逻辑处理。”它集现代机械制造技术、自动控制技术和计算机信息技术于一体，采用数控装置或计算机来部分或全部取代一般机床在加工零件时的各种动作的人工控制。它是一种高效率、高精度、高灵活性、高自动化的光机电一体化数控设备。

二、数控系统发展阶段

世界上第一台电子计算机诞生于1946年，这表明人类创造了能够增强和部分替代脑力劳动的工具。

相对于人类在农业和工业社会创造的工具，只提升了体力劳动，它有了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。

6年后的1952年，计算机技术应用到机床上，第一台数控机床诞生在美国。

从此，传统机床发生了质的变化。

在过去的半个世纪里，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

1、数控阶段

早期计算机计算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响不大，但不能满足机床实时控制的要求。

人们不得不利用数字逻辑电路为机床搭建一台专用计算机作为数控系统，这就是所谓的硬件连接数控。

随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，也就是1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。

2.计算机数控平台

到1970年，通用小型计算机已经出现并批量生产。

于是被移植为数控系统的核心部件，进而进入计算机数控阶段。

到1971年，美国英特尔公司在世界上首次将计算机的两个核心部件——算术单元和控制器——集成在一个芯片上，这个芯片被称为微处理器和中央处理器。

到1974年，微处理器被应用于数字控制系统。

这是因为小型计算机的功能太强，控制一台机床的能力又比较丰富，所以还是经济合理地使用微处理器比较好。

而且当时小型机的可靠性并不理想。

早期的微处理器虽然速度和功能不够高，但是可以通过多处理器结构来解决。

因为微处理器是通用计算机的核心部件，所以现在还叫计算机数控。

到1990年，PC的性能已经发展到了一个非常高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。

从此，数控系统进入了基于PC的阶段。

总之，计算机数控阶段经历了三代。

也就是1970年的第四代——小型电脑；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——都是基于PC的。

还需要指出的是，虽然国外已经把名字改成了计算机数控，但中国还是习惯称之为数控。

所以我们每天所说的“数控”，本质上是指“计算机数控”。

三、数控机床的发展历史

20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理和电子计算机的出现，给自动化技术带来了新概念，用数字信号控制机床的运动和加工过程，促进了机床自动化的发展。

使用数字技术进行加工最早是在20世纪40年代初由美国北密歇根的一家小型飞机工业承包商帕森斯公司实现的。

他们在制造飞机的机身和直升机的旋翼时，采用全数字计算机处理机翼加工轨迹的数据，并考虑刀具直径对加工轨迹的影响，使得加工精度达到0.0381mm，达到当时的最高水平。

1952年，麻省理工学院在立式铣床上安装了一套实验数控系统，成功实现了三轴同时控制。

这台数控机床被称为世界上第一台数控机床。

这台机床是一台实验机床。1954年11月，在帕特森专利的基础上，美国本迪克斯公司正式生产出第一台工业数控机床。

自1960年以来，德国、日本等其他工业国家相继开发、生产和使用数控机床。

数控铣床是第一台出现并在数控机床上使用的机床，因为数控机床可以解决普通机床难以加工的曲线或曲面零件，需要进行轮廓加工。

但由于当时的数控系统使用电子管，体积庞大，功耗高，除了军事部门外，其他行业并没有广泛使用。

1960年后，数控机床以点控制得到了迅速发展。

因为点控制的数控系统比轮廓控制的数控系统简单得多。

所以数控铣床，冲床，坐标镗床都有了很大的发展。据统计，1966年实际使用的6000台数控机床中，85%是点控机床。

在数控机床的发展中，加工中心值得一提。

这是一种带有自动换刀装置的数控机床，可实现一次装夹和多工序加工。

该产品于1959年3月由美国卡尼和泰克公司首次开发。

在该机床中，丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具安装在刀库内，根据打孔带的指令自动选择刀具，刀具通过机械手安装在主轴上加工工件。

它可以缩短零件在机床上的装卸时间和更换工具的时间。

加工中心现在已经成为一种非常重要的数控机床品种，不仅包括用于箱体零件加工的立式和卧式镗铣加工中心，还包括用于旋转整体零件加工的车削中心和磨削中心。

1967年，英国首先将几台数控机床连接成一个柔性加工系统，称为柔性制造系统。之后美国、欧洲、日本也相继开发应用。

1974年后，随着微电子技术的飞速发展，微处理器直接用于数控机床，强化了数控软件的功能，发展成为计算机控制的机床，进一步推动了数控机床的普及、应用和蓬勃发展。

80年代有1 ~ 4个以加工中心或车削中心为主体，配有工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。

这种单元投资少，见效快，不仅可以独立运行，长期无人值守，还可以集成到FMS或更高级别的集成制造系统中。

目前，FMS也从切割扩展到板材的冷加工、焊接和装配，从中小批量加工发展到大批量加工。

因此，机床数控技术被认为是现代机械自动化的基础技术。

四、世界强国与中国数控机床的发展

美国、德国和日本是数控机床研究、设计、制造和使用技术和经验最先进的国家。

因为他们的社会条件不同，所以有各自的特点。

美国:机床开发基于基础科学研究

美国的特点是政府重视机床工业。美国国防部等部门因军事需要不断提出机床的发展方向和科研任务，并提供充足的经费，从世界各地招聘人才，特别注重效率和创新，重视基础科研。

因此机床技术不断创新，如1952年开发的世界第一台数控机床，1958年创建的加工中心，20世纪70年代初开发的FMS，1987年首创的开放式数控系统。

由于美国结合汽车和轴承的生产需求，充分开发了大量生产自动化所需的自动化生产线，电子和计算机技术处于世界领先地位，其数控机床的主机设计、制造和数控系统扎实，科研和创新一直受到重视，因此其高性能数控机床技术一直处于世界领先地位。

今天，美国不仅生产航空航天用的高性能数控机床，还为中小企业生产廉价实用的数控机床。

如哈斯、法达尔公司等。

美国发展数控机床的教训是，更注重基础科学研究，忽视应用技术。80年代政府一度放松指导，导致数控机床产量增长缓慢。1982年被落后的日本赶超，大量进口。

90年代以来，纠正了过去的偏差，数控机床转向实用技术，产量逐渐增加。

德国:机床开发注重实用性

德国政府一直高度重视机床工业的重要战略地位，特别注重现实性和实效性，坚持以人为本，师生传承，不断提高人员素质。

在开发大量生产自动化的基础上，1956年第一台数控机床开发出来后，始终坚持实事求是的精神，稳步前进。

德国特别重视科学实验，理论联系实际，基础研究和应用技术研究并重。

企业与高校科研部门紧密合作，对数控机床的用户产品、加工工艺、机床布局结构、共性和特点进行深入研究，力求品质卓越。

德国数控机床质量性能好，先进实用正品，出口世界各地，特别是大型、重型、精密数控机床。

德国非常重视数控机床及其附件的先进性和实用性，其机械、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统和各种功能部件的质量和性能均在世界上名列前茅。

例如，西门子的数控系统和海德汉的精密光栅都是世界著名的，并被竞争性地采用。

日本:机床发展先模仿，后创造

日本政府高度重视机床行业的发展，通过规划和法律提出日本数控机床行业的发展方向，并提供充足的研发资金，鼓励科研机构和企业大力发展数控机床。

日本在重视人才和机床配套零件方面向德国学习，在质量管理和数控机床技术方面向美国学习，改进和发展了两国的成果，取得了不错的成绩，甚至比蓝照耀你更好。

日本也类似于美国和德国，全面开发大量生产自动化，然后全面开发中小批量柔性生产自动化数控机床。

自1958年研制出第一台数控机床以来，1978年产量超过美国，产量和出口量一直居世界第一。

战略上是先模仿再创造。产量大、范围广的中档数控机床大量出口，在世界上占有广阔的市场。

80年代开始进一步加强科研，发展成高性能数控机床。

战略方面，首先通过学习美国的全面质量管理，使员工成为有意识的保证产品质量的一切活动，进而加速电子和计算机技术的发展进入世界前列，从而为机电一体化数控机床的发展扫清道路。

在日本发展数控机床的过程中，我们关注重点，突出数控系统的发展。

日本FANUC公司战略正确，模仿与创造相结合，有针对性地开发市场所需的各种低、中、高档数控系统，技术领先，产量居世界第一。

公司拥有员工3674人，科研人员600余人，月生产能力7000台，销售额占世界市场50%，国内约70%，极大地推动了日本乃至世界数控机床的发展。

中国的发展现状

我国数控技术的发展始于20世纪50年代，1958年我国研制出第一台数控机床。发展过程大致可以分为两个阶段。

1958年到1979年是第一阶段，1979年到现在是第二阶段。

在第一阶段，对数控机床的特点和发展条件缺乏了解。在人员素质差，基础薄弱，配套零件差的情况下，他们又冲进了另一个高峰，最后因为业绩不好而止步不前。

主要问题是盲目性和缺乏实事求是的科学精神。

第二阶段从日本、德国、美国、西班牙引进数控系统技术，从日本、美国、德国、意大利、英国、法国、瑞士、匈牙利、奥地利、韩国、台湾省等11个国家引进数控机床先进技术，解决了可靠性和稳定性问题。数控机床开始正式生产和使用，并逐渐向前发展。

通过“六五”期间数控技术的引进和“七五”期间“科技攻关”的吸收，我国数控技术和数控产业取得了长足的进步。

特别是近年来，我国数控行业发展迅速。1998年至2004年，国内数控机床生产和消费年均增长率分别为39.3%和34.9%。

尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲。自2002年以来，中国连续三年成为全球最大的机床消费国和机床进口国。2004年，中国机床主机消费达到94.6亿美元。国内数控机床制造商在中高档、大型数控机床的研发上与国外的差距更加明显。超过70%的此类设备和大多数功能部件依赖进口。

可见，国内数控机床，尤其是中高档数控机床，仍然缺乏市场竞争力。主要原因在于国内数控机床研发深度不足、制造水平落后、服务意识和能力不足、数控化、系统生产和应用推广不力、数控人才缺乏。

要认清形势，充分认识国内数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新和培训服务力度，缩短与发达国家的差距。

近20年来，数控机床的设计制造技术有了很大的提高，主要体现在三个方面:培养了一批设计、制造、使用和维修人才；通过先进数控机床的协同生产，设计、制造和使用水平大大提高，与世界先进技术的差距缩小；通过使用国外先进的元器件和数控系统，可以设计制造出满足国内市场需求的高速、高性能、五轴或五轴数控机床，但关键技术的测试、消化、掌握和创新能力较差。

到目前为止，许多重要的功能部件、自动工具和数控系统都依赖国外的技术支持，无法独立开发。基本上都处于从模仿到自主开发的阶段，与日本数控机床水平相差甚远。

主要问题包括:(1)缺乏日本机电法、机信法等指导方针；各领域专家和技术工人严重短缺；缺乏深入系统的科学研究；部件与数控系统不匹配；企业和专业之间缺乏合作，基本都是单打独斗。虽然工厂人多，但不能形成合力。

自2003年以来，中国已成为全球最大的机床消费国和全球最大的数控机床进口国。

目前，加工设备的数控率正在提高。1999年，我国加工设备的数控率为5-8%，目前预计在15-20%之间。

目前国家已经制定了一些政策鼓励人们使用国产数控机床，厂商也在努力追赶。

中国购买机床最多的是军工企业。在一个购买计划中，80%是进口的。国产机床不能满足需要。

这种趋势在未来五年内不会改变。

但就目前国内需求而言，我国数控机床目前可以满足中低端产品的订单。

五、数控的未来发展趋势

数控技术的应用不仅给传统制造业带来革命性的变化，也使制造业成为工业化的标志。随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它在国民经济和民生的一些重要行业的发展中发挥着越来越重要的作用，因为这些行业所需设备的数字化已经成为现代发展的一大趋势。

从目前世界数控技术及其装备的发展趋势来看，其主要研究热点如下。

1.高速高精度加工技术和设备的新趋势

效率和质量是先进制造技术的主要组成部分。

高速高精度加工技术可以大大提高效率，提高产品质量和档次，缩短生产周期，提高市场竞争力。

因此，日本先进技术研究协会将其列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在汽车工业领域，每年30万辆的生产节奏是40秒，多品种加工是汽车装备必须解决的关键问题之一；在航空空和航天工业中，它们加工的零件多为薄壁和刚性差的薄筋，材料为铝或铝合金。只有切削速度高，切削力小，才能加工出这些筋和壁。

最近，大型整体铝合金毛坯的“切割空”方法被用于制造机翼、机身等大型零件，而不是通过大量的铆钉、螺钉等连接方法来组装许多零件，从而提高了部件的强度、刚度和可靠性。

这些都对加工设备提出了高速度、高精度和高灵活性的要求。

据EMO2001展，高速加工中心进给速度可达80m/min甚至更高，运行速度空可达100m/min左右。

目前，包括中国上海通用汽车公司在内的世界上许多汽车工厂都采用了由高速加工中心组成的生产线来部分替代模块化机床。

美国辛辛那提公司生产的HyperMach机床最大进给速度为60m/min，快速进给速度为100m/min，加速度为2g，主轴转速达到60000r/min。

加工一个薄壁飞机零件只需要30分钟，而同一零件在一般高速铣床上需要3小时，在一般铣床上需要8小时。德国DMG双主轴车床的主轴转速和加速度是12*！000r/mm和1g。

在加工精度方面，近10年来，普通数控机床的加工精度从10μm提高到5μm，精密加工中心的加工精度从3 ~ 5微米提高到1 ~ 1.5微米，超精密加工精度开始进入纳米级。

可靠性方面，国外数控设备的MTBF值达到6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出极高的可靠性。

2.轴联动加工和复合加工机床的快速发展

利用五轴联动加工三维曲面零件，可以使用最佳几何形状的刀具进行切削，不仅光洁度高，而且效率大大提高。

一般认为，一台五轴联动机床的效率可以与两台三轴联动机床的效率相当，特别是用立方氮化硼等超硬材料制成的铣刀高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工比三轴联动加工能带来更高的效益。

但过去由于5轴数控系统和主机结构复杂，其价格比3轴数控机床高几倍，编程技术难度制约了5轴数控机床的发展。

目前，由于电主轴的出现，用于五轴联动加工的复合轴头结构大大简化，制造难度和成本大大降低，数控系统的价格差距缩小。

因此，促进了复合轴头式五轴联动机床和复合加工机床的发展。

在EMO2001展览会上，日本机械股份有限公司的五面加工机床采用复合轴头，可实现4个垂直面和任意角度的加工，使五面加工和五轴加工在同一机床上实现，还可实现斜面和倒锥孔的加工。

德国DMG公司展出的DMUVoution系列加工中心可用于一次装夹下的五面加工和五轴联动加工，并可由数控系统或CAD/CAM直接或间接控制。

3.智能化、开放性和网络化已成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控设备将是某种智能系统，智能内容包括数控系统的各个方面:在加工效率和质量上追求智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数的自动生成；为了提高驱动性能和使用智能连接，如前馈控制、电机参数自适应运行、负载自动识别、自动选择模型、自整定等。；简化编程和操作智能化，如智能自动编程和智能人机界面；还有智能诊断、智能监控、方便系统诊断和维护等。

为了解决传统数控系统的封闭和数控应用软件的工业化生产中存在的问题。

目前许多国家

开放系统研究。

开放式数控系统已经成为数控系统的未来。

所谓开放式数控系统，是指数控系统的开发可以在统一的运行平台上面向机床制造商和最终用户，通过改变、增加或切割结构对象，形成系列化，并可以很容易地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，从而快速实现不同品种和档次的开放式数控系统，形成个性鲜明的名牌产品。

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、数控系统函数库和数控系统功能软件开发工具是当前研究的核心。

网络化数控设备是近两年国际著名机床博览会的新亮点。

数控设备的网络化将极大地满足生产线、制造系统和制造企业的信息集成需求，也是实现敏捷制造、虚拟企业和全球制造等新制造模式的基本单元。

近两年来，国内外一些著名的数控机床和数控系统制造公司引进了相关的新概念和样机。比如，在EMO2001展览会上，山崎马达扎克机床公司展出了“IT广场”，反映了数控机床加工走向网络化的趋势。

4.重视建立新的技术标准和规范

数控系统设计开发规范

如前所述，开放式数控系统具有更好的通用性、灵活性、适应性和可扩展性。美国、欧共体、日本等国家实施了战略发展计划，进行了开放式体系结构数控系统规范的研究和制定。世界三大经济体在短时间内做出了几乎相同的科学规划和规范，预示着数控技术新的转型期的到来。

2000年，我国开始研究制定我国ONC数控系统的规范性框架。

关于数控标准

数控标准是制造业信息化发展的趋势。

数控技术诞生后50年的信息交流是以ISO6983标准为基础的，即用G和M码来描述如何加工，其本质特征是面向加工过程。显然，它已经不能满足现代数控技术快速发展的需要。

为此，国际上正在研究和制定新的数控系统标准ISO14649、编程时间和加工时间。

目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲也推出了STEP-NC的IMS计划。

来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构参加了这个项目。

美国STEP工具公司是全球制造数据交换软件的开发商。他开发了一个用于数控机床加工信息交换的超级模型，其目标是用统一的规范描述所有的加工过程。

目前，这种新的数据交换格式已经在配备西门子、FIDIA和欧洲OSACA-NC数控系统的样机上得到验证。