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。谁能掌握最前沿、最先进的科学技术，谁就能掌握发展的主动权，取得重大突破和成就。

以数控技术为核心的先进制造技术是体现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，世界和中国机床的发展，并简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。

通过查找相关资料，加深了对机械专业尤其是数控机床的了解，明确了当今社会机电一体化的发展趋势和今后进一步学习的方向。

关键词发展历史，机床动力发展趋势

一.术语描述

数控，即数控(NC)。

数控技术，即NC技术，是指用数字信息(数字量和数字字符)发出指令，实现自动控制的技术。

它是近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础支撑，数控技术与装备是制造业现代化的重要基础。

这个基础牢固与否，直接影响到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，世界上每个工业化国家都采取了很大的措施来发展自己的数控技术和产业。

数控机床是指采用数字控制技术自动控制机床加工过程的机床。

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，能够逻辑地处理用代码或其他编码指令指定的程序。”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，用数控装置或计算机部分或全部代替人工控制各种动作(如启动、加工顺序、改变切削用量、主轴变速、选择刀具、启动和停止冷却液等)。)的普通机床加工零件时。它是一种高效率、高精度、高柔性、高自动化的光机电一体化数控装置。

二、数控系统的发展阶段

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

与农业和工业社会人类创造的那些只增强体力劳动的工具相比，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，计算机技术应用于机床，第一台数控机床在美国诞生。

从那以后，传统机床发生了质的变化。

近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代发展。

1，数控阶段(1952 ~ 1970)

早期的计算机运算速度较低，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。

人们不得不使用数字逻辑电路来“建造”一台专用于机床的计算机作为数控系统，这被称为硬连线数控(HARD-WIRED NC)，简称NC。

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

2、计算机数控(CNC)阶段(1970 ~现在)

到了1970年，通用小型机已经出现并量产。

于是被移植为数控系统的核心部件，进入了计算机数控(CNC)阶段(省略了计算机前面的“通用”二字)。

到1971年，美国英特尔公司利用大规模集成电路技术，在世界上首次将一台计算机的两个核心部件——运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器，也叫中央处理器(CPU)。

通过1974，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大，有丰富的能力控制一台机床(所以当时是用来控制多台机床的，称为群控)，所以还是用微处理器比较经济合理。

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，但可以用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，所以还是叫计算机数控。

到1990，PC(个人计算机，国内俗称微型计算机)的性能已经发展到了一个很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。

自此，数控系统进入了基于PC的阶段。

总之，计算机数控阶段也经历了三代。

即第四代1970-小型计算机；第五代1974-微处理器和第六代1990-基于PC。

还需要指出的是，虽然在国外早就改名为计算机数控(CNC)，但在国内还是习惯叫数控(NC)。

所以我们每天说的“数控”，其实就是指“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。

20世纪40年代初，美国北密歇根的一家小型飞机工业承包商ParsonsCorporation首次实现了数字技术在机械加工中的应用。

他们在制造飞机的框架和直升机的旋转机翼时，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，使加工精度达到0.0381 mm (0.001.5 in)，达到了当时的最高水平。

1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上安装了一套实验数控系统，成功实现了三轴运动的同时控制。

这台数控机床被称为世界上第一台数控机床。

这台机床是实验机床。到6月1954 11，在帕特森专利的基础上，美国Bendix-Cooperation公司正式生产出第一台工业数控机床。

之后，从1960开始，德国、日本等其他工业国家相继开发、生产和使用数控机床。

数控铣床最早用于数控机床，是因为数控机床可以解决普通机床难以做到的，需要轮廓加工的曲线或曲面零件。

但由于当时的数控系统使用电子管，体积庞大，功耗高，所以除了军事部门外，在其他行业没有广泛应用。

1960以后，点控制的数控机床发展很快。

因为点控制的数控系统比轮廓控制要简单得多。

所以数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展。据统计，1966实际使用的约6000台数控机床中，85%是点控机床。

在数控机床的发展中，值得一提的是加工中心。

这是一台带自动换刀装置的数控机床，一次装工件就能实现多工序加工。

本产品最初由Carnegie &；于1959年3月生产。terek & amp；TreckerCorp)。

本机床在刀库中配有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具。根据打孔带的指令自动选择刀具，通过机械手将刀具安装在主轴上，加工工件。

可以缩短零件在机床上的装卸时间和更换刀具的时间。

加工中心现在已经成为数控机床中非常重要的一个品种，不仅包括加工箱体类零件的立式和卧式镗铣加工中心，还包括加工回转整体类零件的车削中心和磨削中心。

1967年，英国首次将多台数控机床连接成一个柔性加工系统，即所谓的柔性制造系统(Flexible Manufacturing System & amp；mdash——FMS)之后，美国、欧洲、日本等也相继开发应用。

1974之后，随着微电子技术的飞速发展，微处理器被直接用于数控机床，强化了数控软件的功能，发展成为计算机数控机床(简称数控机床)，进一步推动了数控机床的普及和发展。

20世纪80年代，出现了1 ~ 4以加工中心或车削中心为主体，并配有工件自动装卸、监控和检测装置的柔性制造单元(FMC)。

这种机组具有投资少、见效快的优点，可以少人长时间独立运行，也可以集成到FMS或更先进的集成制造系统中。

目前，FMS也在从钣金的切割向冷加工、焊接、装配拓展，从中小批量加工向大批量加工发展。

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。

由于他们的社会条件不同，各有各的特点。

美国:机床发展注重基础科学研究。

美国的特点是* * *非常重视机床行业。美国国防部等部门因为其军事需要，不断提出机床的发展方向和科研任务，并提供充足的经费，广纳贤才，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世界上第一台数控机床的研制，1958加工中心的创建，70年代初FMS的开发，1987开放式数控系统的创建。

由于美国最早结合汽车和轴承的生产要求，开发了大量的自动化生产线进行批量生产自动化，电子和计算机技术世界领先，其数控机床主机设计、制造和数控系统基础雄厚，且一贯重视科研创新，因此其高性能数控机床技术一直处于世界领先地位。

如今，美国不仅生产用于航空航天的高性能数控机床，还为中小企业生产廉价实用的数控机床。

如哈斯、法达尔等。

美国发展数控机床的教训是，更重视基础科研，忽视应用技术。上世纪80年代，* * *一度放松引导，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。

从90年代开始，纠正过去的偏向，数控机床转向实用技术，产量逐渐增加。

德国:机床发展注重实用性

德国* * *一直重视机床行业的重要战略地位，特别注重实用性和有效性，坚持以人为本，传帮带，不断提高人员素质。

在发展大量生产自动化的基础上，于1956开发出第一台数控机床，并一直坚持实事求是的精神，稳步前进。

德国特别注重科学实验，理论与实践相结合，基础研究与应用技术研究并重。

企业与高校科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特点进行深入研究，在质量上精益求精。

德国数控机床质量性能好，先进实用，货真价实，出口世界各地，尤其是大型、重型、精密数控机床。

德国特别注重数控机床主机和附件的先进性和实用性。其机、电、液、气、光、工具、测量、数控系统及各种功能部件的质量和性能均居世界前列。

比如西门子的数控系统，海德汉的精密光栅，世界闻名，在竞争中被采用。

日本:机床发展先模仿再创造。

日本* * *非常重视机床工业的发展，通过规划和法规(如机械振动法、机电法、机信法等)提出了日本数控机床工业的发展方向。)，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零部件方面向德国学习，在质量管理和数控机床技术方面向美国学习，完善和发展两国的成果，取得了良好的效果，甚至超越了shine on you。

类似于美国和德国，日本充分发展了大量的生产自动化，然后又充分发展中小型数控机床进行柔性生产自动化。

自1958年研制出第一台数控机床以来，1978 (7342台)的产量已超过美国(5688台)，产量和出口量一直位居世界第一(2001年生产46604台，出口27409台，占59%)。

战略上，大而广产量的中档数控机床大量出口，占领全球广阔市场。

80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。

战略上，一是通过向美国学习，全面质量管理成为全体员工保证产品质量的自觉活动，进而加速电子和计算机技术的发展进入世界前列，为机电一体化数控机床的发展铺平道路。

日本在发展数控机床的过程中，狠抓重点，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需要的各种低、中、高档数控系统，技术领先，产量世界第一。

公司现有员工3674人，科研人员600多人，月生产能力7000台。其销量占世界市场的50%，占中国市场的70%，对加速日本乃至世界数控机床的发展起到了很大的作用。

中国发展的现状

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

第一阶段从1958到1979，第二阶段从1979。

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、底子薄、配件差的情况下，冲上冲下，最后因业绩不佳而止步，无法用于生产。

主要问题是盲目性和缺乏实事求是的科学精神。

第二阶段，先后从日本、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、韩国以及11个国家(地区)的台湾省引进数控机床的先进技术、合作和合资生产，解决了可靠性和稳定性问题，数控机床正式起步。

通过六五期间数控技术的引进和七五期间“科技攻关”的消化吸收，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成就。

特别是近年来，我国数控产业发展迅速。从1998到2004年，国内数控机床产量和消费量年均增长率分别为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，中国已连续三年成为全球最大的机床消费国和最大的机床进口国。2004年中国机床消费高达94.6亿美元。国内数控机床生产企业在中高端数控机床研发方面与国外的差距更加明显。这类设备70%以上和大部分功能部件都是进口的。

可见，国产数控机床，尤其是中高档数控机床，仍然缺乏市场竞争力。主要原因是国产数控机床研发深度不够，制造水平仍然落后，服务意识和能力欠缺，数控及系统的生产应用没有得到很好的推广，数控人才缺乏。

我们应该看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新和培训服务，缩短与发达国家的差距。

在20多年的时间里，数控机床的设计和制造技术有了很大的提高，主要表现在三个方面:培养了一批设计、制造、使用和维修的人才；通过合作生产先进数控机床，大大提高了设计、制造和使用水平，缩小了与世界先进技术的差距；利用国外先进的元器件和数控系统，可以设计制造高速、高性能的五轴或五轴联动加工的数控机床，满足国内市场的需求，但在关键技术的测试、消化、掌握和创新方面较差。

到目前为止，很多重要的功能部件、自动化刀具、数控系统都是靠国外技术支撑，无法自主开发，基本处于从仿制到自主开发的阶段，与日本数控机床水平相差甚远。

主要问题包括:缺乏像日本机电法、机函法那样的指导；各领域的专家和技术工人严重短缺；缺乏深入系统的科研工作；部件与数控系统不兼容；企业和专业之间缺乏合作，基本都是单打独斗。虽然厂里人多，但无法形成合力。

自2003年以来，中国已成为世界上最大的机床消费国和世界上最大的数控机床进口国。

目前，加工设备的数控化率正在提高。1999年我国机械加工设备数控化率为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市民使用国产数控机床，厂家也在努力追赶。

中国买机床最多的是军工企业。一个采购计划，80%都是进口的，国产机床满足不了需求。

这一趋势在未来五年内不会改变。

但就目前国内需求而言，我国数控机床目前能满足中低档产品的订单。

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了革命性的变化，使制造业成为工业化的标志，而且在一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展中发挥着越来越重要的作用。)随着数控技术的不断发展和应用领域的不断扩大，因为这些行业所需设备的数字化已经成为现代发展的大趋势。

从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与装备的新趋势

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现代制造五大技术之一，CIRP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30万辆汽车的生产周期是40秒，多品种加工是汽车装备必须解决的关键问题之一。在航空航天领域，加工的零件多为薄壁薄筋，刚度差，材料为铝或铝合金。只有在高切削速度和小切削力的条件下，才能加工出这些筋和壁。

最近采用“挖空”大型整体铝合金毛坯的方法制造机翼、机身等大型部件，而不是通过众多的铆钉、螺钉等连接方式组装多个部件，使部件的强度、刚度和可靠性得到提高。

这些都对加工设备提出了高速、高精度、高柔性的要求。

根据EMO2001的展示，高速加工中心的进给速度可以达到80m/min甚至更高，空转速度可以达到100m/min左右。

目前，世界上许多汽车厂，包括中国的上海通用汽车公司，都用高速加工中心组成的生产线部分替代了组合机床。

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

加工一个薄壁飞机零件只需要30分钟，而在普通高速铣床上加工同样的零件需要3个小时，在普通铣床上需要8个小时。德国DMG公司生产的双轴车床主轴转速和加速度分别达到12*！000转/毫米和1克。

在加工精度方面，近10年，普通数控机床加工精度从10μm提高到5μm，精密加工中心从3 ~ 5μ m提高到1 ~ 1.5μ m，超精密加工精度开始进入纳米级(0.01μm)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值达到了6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到了30000h以上，表现出了非常高的可靠性。

2.联动加工和复合加工机床快速发展。

利用五轴联动加工三维曲面零件，刀具可以切削出最佳的几何形状，不仅光洁度高，而且效率大大提高。

一般来说，1五轴联动机床的效率可以和2台三轴联动机床的效率相当，尤其是立方氮化硼这种超硬材料铣刀用于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大的效益。

但过去由于五轴数控系统和主机结构复杂，编程技术难度大，其价格比三轴数控机床高出数倍，制约了五轴数控机床的发展。

目前，由于电主轴的出现，用于5轴联动加工的复合轴头结构大大简化，其制造难度和成本大大降低，数控系统的价格差距缩小。

从而推动了复合轴头式五轴联动机床和复合加工机床(包括五面加工机床)的发展。

在EMO2001展会上，NIKO的5面加工机床采用了复合主轴头，可以实现4个垂直面和任意角度的加工，从而可以在同一台机床上实现5面加工和5轴加工，还可以实现斜面和倒锥孔的加工。

德国DMG公司展出的DMUVoution系列加工中心可在一次装夹下进行五面加工和五轴联动加工，并可由CNC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一个智能系统，它包括数控系统中的各个方面:为了追求加工效率和加工质量的智能化，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易于连接的智能化，如前馈控制、电机参数自适应运行、负载自动识别、自动选型、自校正等。简化编程，简化操作的智能化，比如智能自动编程，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。

为了解决封闭的传统数控系统和工业化生产数控应用软件存在的问题。

目前，许多国家

开放系统研究。

数控系统的开放性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操作平台上面向机床制造商和最终用户。通过改变、增加或削减结构对象(数控功能)，可以形成系列化，用户的特殊应用和技术诀窍可以方便地集成到控制系统中，从而快速实现不同品种、不同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知名机床博览会上的一个新亮点。

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型制造模式的基本单元。

国内外一些知名数控机床和数控系统制造公司近两年推出了相关的新概念和样机，如Mazak Yamazaki在EMO2001展出的“CyberProduction Center”(简称CPC)；日本大间机床公司展出“IT广场”(信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子公司展示的开放式制造环境(OME)反映了数控机床加工走向网络化的趋势。

4、重视新技术标准和规范的建立。

(1)数控系统设计与开发规范

如上所述，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、欧共体和日本相继实施了战略发展计划，并研究制定了开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA和OSEC)。世界上最大的三个经济体在短时间内制定了几乎相同的科学计划和规范，这预示着数控技术新的变革时期的到来。

2000年，我国也开始研究制定我国ONC数控系统的标准框架。

(2)关于数控标准

数控标准是制造业信息化发展的趋势。

在数控技术诞生后的50年里，信息交换是以ISO6983标准为基础的，即用g代码和M代码来描述如何加工，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。

因此，国际上正在研究制定新的数控系统标准ISO 14649 (Step-NC ),旨在提供一种不依赖于特定系统、能够描述产品全生命周期统一数据模型的中性机制，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域的产品信息标准化。

STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，将对数控技术乃至整个制造业的发展产生深远的影响。

首先，STEP-NC提出了全新的制造理念。在传统的制造观念中，数控加工程序都集中在单台计算机上。

在新标准下，数控程序可以在网上发布，这是数控技术开放和网络化发展的方向。

其次，STEP-NC系统可以大大减少加工图纸(约75%)、编程时间(约35%)和加工时间(约50%)。

目前欧美国家对STEP-NC的研究非常重视，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1 ~ 2001.12.31)。

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

STEP Tools是一家美国公司，是制造数据交换软件的全球开发商。他开发了数控机床信息交换的超级模型，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装有西门子、FIDIA和欧洲OSACA-NC数控系统的样机上得到验证。