论数控机床的发展

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  摘 要:主要以数控机床为对象,阐述从数控机床的起步到现今发展过程中国内外的发展状况。并且谈论未来整个数控机床行业发展趋势。
  关键词:数控机床;国内外;发展;趋势
  中图分类号:TB
  文献标识码:A
  文章编号:1672-3198(2010)08-0317-01
  
  近半个世纪以来,数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
  1 数控(NC)阶段(1952年-1970年)
  早期计算机的运算速度低,对当时的科学计算和数据处理作用还不大,不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控,简称为数控(NC)。随着电子元器件的发展,这个阶段历经了三代:
  (1)1952年的第一代——电子管阶段
  (2)1959年的第二代——晶体管阶段
  (3)1965年的第三代——小规模集成电路阶段
  2 计算机数控(CNC)阶段(1970年-现在)
  到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件,从此进入了计算机数控(CNC)阶段。到1971年,美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上,称之为微处理器,又可称为中央处理单元(简称CPU)。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强,控制一台机床能力有富裕,不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高,但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为计算机数控。到了1990年,PC机的性能已发展到很高的阶段,可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。计算机数控階段也经历了三代:
  (1)1970年的第四代——小型计算机阶段
  (2)1974年的第五代——微处理器阶段
  (3)1990年的第六代——基于PC阶段
  随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,国外各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,CAD/CAM与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。
  长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节,整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量,因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了CNC向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程,因此,对数控技术实行变革势在必行。
  当今数控机床呈现从以下几个发展趋势:
  (1)高速高精高效化。
  速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统和带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。
  (2)柔性化。
  柔性化包含数控系统本身的柔性和群控系统的柔性。数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;而群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。
  (3)工艺复合性和多轴化。
  数控技术的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工;数控技术的多轴化是以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。
  (4)实时智能化。
  科学技术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了实时智能化控制这一新的领域。
  
  参考文献
  [1]徐国威.国内外数控机床的发展及应用概况[J].维普资讯.
  [2]陈蕾.数控机床的发展趋势[J].机械设计与制造,2005.
  [3]赵辉.数控机床的发展历史及其技术的发展趋势[J].内蒙古科技与经济,2007.
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