第1章　概論

1.1　數控機床的產生與發展

數控技術簡稱數控（Numerical Control，NC），即采用數字控制機器的技術。而數控機床（Numerical Control Machine Tools），就是采用數字控制技術的機械加工機床，具體地說，就是利用計算機，通過數字化信息（數控指令）來自動完成機床各個坐標軸的協調運動，準確地控制機床運動部件的速度和位移量，按加工的動作順序要求自動控制機床各個部件的動作。

1.1.1　數控機床的產生

第二次世界大戰期間，美國軍方為了解決計算大量軍用數據的難題，成立了由賓夕法尼亞大學莫奇利和埃克特領導的研究小組，開始研制世界上第一臺電子計算機。經過三年的緊張工作，第一臺電子計算機終于在1946年2 月14日問世，這臺電子計算機采用電子管元件，重30t，占地面積167m2，功率150kW。

電子計算機的出現極大地推動了自動控制、信息處理等技術的發展，也催生了采用數字控制技術用于機械加工的思想。

1948年，美國北密歇根州的一個小型飛機工業承包商帕森斯公司（Parsons Corporation）接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以勝任，他們便利用電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數據處理，并據此提出了計算機控制機床加工的設想。

1949年，帕森斯公司與美國麻省理工學院伺服機構研究室聯合開始數控機床研究。1952年，美國麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性數控系統，成功地實現了同時控制3軸的運動，世界上第一臺數控機床就此誕生，如圖1-1所示。

1954年11月，在帕森斯公司專利的基礎上，第一臺工業用的數控機床由美國的本迪克斯公司（Bendix-Corporation）生產出來。

數控機床的出現是制造技術發展過程中的一個重大突破，標志著制造領域中數控加工時代的開始。數控加工是現代制造技術的基礎，這一發明對于制造行業而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。

1.1.2　數控機床的發展

數控機床的發展過程主要是數控系統和機床結構功能的發展過程。

（1）數控系統的發展

數控系統的發展主要體現在電子元器件技術的發展上。從1952年第一臺數控機床誕生至今，縱觀數控機床半個多世紀的發展，其數控系統共經歷了兩個階段六代的發展。

第一代數控機床的數控系統采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只有航空工業等少數有特殊需要的部門用來加工復雜型面零件。

1959年，電子行業研制出晶體管元器件，因而數控系統中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入了第二代，使數控系統體積縮小，成本有所下降。1960年以后，較為簡單和經濟的點位控制數控鉆床和直線控制數控銑床得到較快發展，使數控機床在機械制造業各部門逐步獲得推廣。

1965年，出現了第三代的小規模集成電路數控系統，不僅體積小，而且功率消耗少，使數控系統的可靠性得到進一步提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發展，從而使數控系統的發展進入到第三代。

以上三代的NC系統，由于其數控功能均由硬件實現，因此又稱為硬件數控。它的特點是具有很多硬件電路和連接節點，電路復雜，可靠性不好，這是數控系統發展的第一階段。

20世紀60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統（Direct Numerical Control，DNC），又稱群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統（Computer Numerical Control，CNC），使數控系統進入了以小型計算機化為特征的第四代。

1970年前后，美國英特爾公司開發了超大規模集成電路的微處理器。1974年，美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數控系統和數控機床。在20多年中，微處理器數控系統的數控機床得到飛速發展和廣泛應用，這就是第五代數控（Microcomputer Numberical Control，MNC）。后來，人們將MNC也統稱為CNC。第五代與第三代相比，數控系統的功能擴大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。

20世紀90年代以來，隨著微電子技術、計算機技術的發展，以個人計算機（Personal Computer，PC）技術為基礎的CNC逐步發展成為世界的主流，它是自有數控技術以來最有深遠意義的一次飛躍。以PC為基礎的CNC通常是指運動控制板或整個CNC單元（包括集成的PLC）插入到PC標準插槽中，使用標準的硬件平臺和操作系統，這就是第六代數控機床。

后三代是數控系統發展的第二階段，其數控系統主要由計算機硬件和軟件組成，也稱為計算機數控（CNC）。其最大特點是利用存儲在存儲器里的軟件控制系統工作，這種系統容易擴大功能，柔性好，可靠性高。

（2）數控機床結構功能的發展

從1952年出現第一臺數控機床開始，伴隨著數控系統的發展，人們對數控機床結構和功能的探索發展就沒有停止過。

1959年3月，由美國克耐·杜列克公司（KeaneY & Trecker Corp）發明了帶有自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心（Machine Center，MC）。

1967年，英國首先把幾臺數控機床連接成具有柔性的加工系統，這就是最初的柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS）。它是由若干臺數控設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成，并能根據制造任務和產品品種的變化而迅速進行調整的自動化制造系統，也是為了解決多品種、中小批量生產中效率低、周期長、成本高、質量差等問題而出現的高技術制造系統。大批量生產時，一般采用較大規模的“柔性加工系統”，即柔性生產線。

1980年以后，國際上出現了1臺或2～3臺加工中心或車削中心為主體，再配合工件自動裝卸和監控檢驗裝置，構成柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，FMC），把若干FMC和FMS連接起來，配上無人自動物料運送車，加上輔助機器人裝卸工件和自動檢驗裝置，并由總的中央計算機統一管理，就構成了計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。

傳統機床的布局屬于串聯機構，其特點是工作范圍大、靈活性好、精度低、剛性差。為提高剛性，不得不增加床身和導軌的結構尺寸，由此導致運動范圍和靈活性降低。為解決這一矛盾，20世紀90年代提出了并聯機床（Parallel Machine Tools，PMT）的概念，又稱并聯結構機床（Parallel Structured Machine Tools，PSMT）、虛擬軸機床（Virtual Axis Machine Tools，VAMT），國際上一般稱為并行運動學機（Parallel Kinematic Machine，PKM），也曾被稱為六條腿機床、六足蟲（Hexapods）。

并聯機床是基于空間并聯機構Stewart平臺原理開發的，是一種新概念機床，它是并聯機器人機構與機床結合的產物。它克服了傳統機床串聯機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現多坐標聯動的加工、裝配和測量等多種功能，更能滿足異形復雜零件的加工。其自1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。圖1-2為傳統機床與并聯機床的結構對比。

進入21世紀，數控機床迎來了一個蓬勃發展的新時期，隨著制造業對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控機床的應用范圍還在不斷擴大和發展，以更適應社會發展和生產加工的需要，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網絡化、多軸化、綠色化等成為數控機床的發展趨勢。

（3）我國數控機床發展概況

我國數控機床的發展起步于20世紀50年代，通過“六五”期間引進數控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數控技術和數控產業取得了相當大的成績。

20世紀50年代末到60年代初，我國NC機床處于研制、開發時期，圖1-3所示為我國1958年試制成功的第一臺電子管數控機床。當時，我國的一些高等院校、科研單位都投入了人力、物力從事數控機床的研制工作。

1959年，隨著晶體管的發明，開始研制晶體管數控裝置。70年代初，研制數控銑床、非圓數控齒輪插齒機，在生產中產生了明顯的經濟效益。而后數控技術在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電火花、線切割等領域的應用全面展開，數控加工中心也相繼在上海、北京研制成功。

70年代初期，國產數控機床由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數控裝置的穩定性、可靠性問題未得到解決。另外，其售價也貴，因此未能廣泛推廣。

80年代以后，隨著實行改革開放，打開國門，我國先后從日本、美國等國家引進了部分數控裝置及伺服系統的技術，并消化吸收，開始批量生產。

這些數控裝置穩定性好、可靠性高，數控機床很快在國內為客戶所接受，推動了我國數控機床的穩定發展，使我國的數控機床在質量性能及水平上有了一個質的飛躍。

1985年，我國數控機床品種也有了新的發展，除各類數控線切割機床外，其他類型的各種數控金屬切削機床都有極大發展，新品種總計45種。1989年年底，我國數控機床的品種已經超過了300種，其中數控車床占40%，加工中心占27%。

目前我國在數控機床發展中依然處于低檔迅速膨脹、中檔進展緩慢、高檔依賴進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因主要在于國產數控機床的研究開發深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數控裝置生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。

2009年，我國在高檔數控機床上又有了新的突破。北京第一機床廠研制的XKA28105300數控橋式動梁龍門銑床，機床總寬22m，高度15m，總長39m，總重約900t。龍門最大通過寬度達10.5m，可完成復雜曲面的5坐標聯動加工和車銑復合加工，是目前國內龍門通過寬度最大的超重型數控龍門移動式動梁5軸聯動車銑復合機床，也是目前世界最大規格的龍門機床之一。