数控机床的发展史

数控机床的发展史
数控机床的发展史

数控机床的发展史
车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床.在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工.车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件,是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床.
　　古代的车床是靠手拉或脚踏,通过绳索使工件旋转,并手持刀具而进行切削的.1797年,英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代车床,并于1800年采用交换齿轮,可改变进给速度和被加工螺纹的螺距.1817年,另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速.
　　为了提高机械化自动化程度,1845年,美国的菲奇发明转塔车床；1848年,美国又出现回轮车床；1873年,美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床,不久他又制成三轴自动车床；20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的车床.
　　第一次世界大战后,由于军火、汽车和其他机械工业的需要,各种高效自动车床和专门化车床迅速发展.为了提高小批量工件的生产率,40年代末,带液压仿形装置的车床得到推广,与此同时,多刀车床也得到发展.50年代中,发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制车床.数控技术于60年代开始用于车床,70年代后得到迅速发展.
　　车床依用途和功能区分为多种类型.
　　普通车床的加工对象广,主轴转速和进给量的调整范围大,能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹.这种车床主要由工人手工操作,生产效率低,适用于单件、小批生产和修配车间.
　　转塔车床和回转车床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架,能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序,适用于成批生产.
　　自动车床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工,能自动上下料,重复加工一批同样的工件,适用于大批、大量生产.
　　多刀半自动车床有单轴、多轴、卧式和立式之分.单轴卧式的布局形式与普通车床相似,但两组刀架分别装在主轴的前后或上下,用于加工盘、环和轴类工件,其生产率比普通车床提高3～5倍.
　　仿形车床能仿照样板或样件的形状尺寸,自动完成工件的加工循环,适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产,生产率比普通车床高10～15倍.有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型.
　　立式车床的主轴垂直于水平面,工件装夹在水平的回转工作台上,刀架在横粱或立柱上移动.适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件,一般分为单柱和双柱两大类.
　　铲齿车床在车削的同时,刀架周期地作径向往复运动,用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面.通常带有铲磨附件,由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面.
　　专门车床是用于加工某类工件的特定表面的车床,如曲轴车床、凸轮轴车床、车轮车床、车轴车床、轧辊车床和钢锭车床等.
　　联合车床主要用于车削加工,但附加一些特殊部件和附件后,还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工,具有“一机多能”的特点,适用于工程车、船舶或移动修理站上的修配工作.
　　
　　美国、德国、日本三国数控机床
　　
　　美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上,技术最先进、经验最多的国家.因其社会条件不同,各有特点.
　　
　　1. 美国的数控发展史
　　
　　美国政府重视机床工业,美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务 , 并且提供充足的经费,且网罗世界人才,特别讲究 “ 效率 ” 和 “ 创新 ” ,注重基础科研.因而在机床技术上不断创新,如 1952 年研制出世界第一台数控机床、 1958 年创制出加工中心、 70 年代初研制成 FMS 、 1987 年首创开放式数控系统等.由於美国首先结合汽车、轴承生产需求,充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线,而且电子、计算机技术在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实,且一贯重视科研和创新,故其高性能数控机床技术在世界也一直领先.当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床,其存在的教训是,偏重於基础科研,忽视应用技术,且在上世纪 80 代政府一度放松了引导,致使数控机床产量增加缓慢,于 1982 年被后进的日本超过,并大量进口.从 90 年代起,纠正过去偏向,数控机床技术上转向实用,产量又逐渐上升.
　　
　　2. 德国的数控发展史
　　
　　德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植.,於 1956 年研制出第一台数控机床后,德国特别注重科学试验,理论与实际相结合,基础科研与应用技术科研并重.企业与大学科研部门紧密合作,对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究,在质量上精益求精.德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界.尤其是大型、重型、精密数控机床.德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件,在质量、性能上居世界前列.如西门子公司之数控系统,均为世界闻名,竞相采用.
　　
　　3. 日本的数控发展史
　　
　　日本政府对机床工业之发展异常重视,通过规划、法规 ( 如 “ 机振法 ” 、 “ 机电法 ” 、 “ 机信法 ” 等 ) 引导发展.在重视人才及机床元部件配套上学习德国,在质量管理及数控机床技术上学习美国,甚至青出于蓝而胜于蓝.自 1958 年研制出第一台数控机床后, 1978 年产量 (7,342 台 ) 超过美国 (5,688 台 ) ,至今产量、出口量一直居世界首位 (2001 年产量 46,604 台,出口 27,409 台,占 59%) .战略上先仿后创,先生产量大而广的中档数控机床,大量出口,占去世界广大市场.在上世纪 80 年代开始进一步加强科研,向高性能数控机床发展.日本 FANUC 公司战略正确,仿创结合,针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统,在技术上领先,在产量上居世界第一.该公司现有职工 3,674 人,科研人员超过 600 人,月产能力 7,000 套,销售额在世界市场上占 50% ,在国内约占 70% ,对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用.
　　
　　看机床的水平主要看金属切削机床,其他机床技术和复杂性不高,就是近几年很流行的电加工机床,也只是方法的改变,没什么复杂性和科技含量.我国的数控磨床水平不错,每年都有大量出口,因为它简单,基本属于劳动密集型.
　　
　　金属加工主要是去除材料,得到想得到的金属形状.去除材料,主要靠车和铣,车床发展为数控车床,铣床发展为加工中心.高精度多轴机床,可以让复杂零件在精度和形状上一次到位,例如,飞机上的一个复杂零件,以前由很多种工人：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干,其中还有报废的,最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了,而且精度比你设计的还高.零件精度高就意味着寿命长,可靠性好.
　　
　　由普通发展到数控,一个人顶原来的十个,在精度上,更是没法说,适应性上,零件变了,换个程序就行.把人的因素也降为最低,以前在工厂,谁要时会车涡轮、蜗杆,没个10年8年的不行,要是谁掌握了,那牛得很.现在用数控设备,只要你会编程,把参数输进去就可以了,很简单,刚毕业的技校学生都会,而且批量的产品质量也有保证.
　　
　　自美国在50年代末搞出世界一台数控车床后,机床制造业就进入了数控时代,中国在六十年代也搞出了第一代数控机床,但后来中国进入了什么年代,大家都知道.等80年代我们再去看世界的数控机床水平,差距就是20年了,其实奋起直追还有希望,但国营工厂不思进取,到了90年代,我们再去看世界水平,已有30年的差距了.中国改革开放前走的是苏联的路子,什么叫苏联的路子,举个例子来讲：比如,生产一根轴,苏联的方式是建一个专用生产线,用多台专用机床,好处是批量很容易上去,但一旦这根轴的参数发生了变化,这条线就报废了,生产人员也就没事做了.在1960－1980年代,国营工厂一个产品生产几十年不变样.到了1980年代后,当时搞商品经济,这些厂不能迅速适应市场,经营就困难了,到了90年代就大量破产,大量职工下岗.
　　
　　现代的生产也有大批量生产,但主要是单件小批量,不管是那种,只要你的设备是数控的,适应起来就快.专业机床的路子已经到头了,西方走的路和前苏联不一样,当年的“东芝”事件,就是东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床,让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造,上了一个档次,让美国的声纳听不到潜艇声音了,所以美国要惩处东芝公司.由此也可见,前苏联的机床制造业也落后了,他们落后,我们就更不用说了.
　　
　　虽然,美国搞出了世界第一台数控机床,但数控机床的发展,还是要数德国.德国本来在机械方面就是世界第一,数控机床无非就是搞机电一体化,机械方面德国已没问题,剩下的就是电子系统方面,德国的电子系统工业本来就强大,所以在上世纪六、七十年代,德国就执机床界的牛耳了.
　　
　　从上世纪70年代起,日本大量从德国引进技术,消化后大量仿造,经过努力,在90年代起,就超越了德国,成为世界第一大数控机床生产国,直到现在还是.他们在机床制造水平上,有一些也走在了世界前面,如在机床复合（一机多种功能）化方面,是世界第一.数控机床的核心就在数控系统方面,目前在系统方面也排世界第一,主要是它的发拿科公司.第一代的系统用步进电机,我们现在也能造,第二代用交流伺服电机.现在的数控系统的核心就是交流伺服电机和系统内的逻辑控制软件,交流伺服电机我们国家目前还没有谁能制造,这是一个光学、机械、电子的综合体.逻辑控制软件就是控制机床的各轴运动,而这些轴是用伺服电机驱动的,一般的系统能同时控制3轴,高级系统能控制五轴,能控5轴的,五轴以上也没问题.我们国家也由有5轴系统,但“做秀”的成份多,还没实用化.我们的工厂用的五轴和五轴以上机床,100％进口.
　　
　　机床是一个国家制造业水平高低的象征,其核心就是数控系统.我们目前不要说系统,就是国内造的质量稍微好一点的数控机床,所用的高精度滚珠丝杠,轴承都是进口的,主要是买日本的,我们自产的滚珠丝杠、轴承在精度、寿命方面都有问题.目前国内的各大机床厂,数控系统100％外购,各厂家一般都买日本发那科、三菱的系统,占80％以上,也有德国西门子的系统,但比较少.德国西门子系统为什么用的少呢?早期,德国系统不太能适合我们的电网,我们的电网稳定性不够,西门子系统的电子伺服模块容易烧坏.日本就不同了,他们的系统就烧不坏.近来西门子系统改进了不少,价格方面还是略高.德国人很不重视中国,所以他们的系统汉语化最近才有,不像日本,老早就有汉语化版的.
　　
　　就国产高级数控机床而言,其利润的主体是被外国人拿走了,中国只是挣了一个辛苦钱.
　　
　　美国为什么没有能成为数控机床制造大国呢?这个和他们当时制定产业政策的人有关,再加上当时美国的劳动力贵,买比制造划算.机床属于投资大,见效慢,回报率底的产业,而且需要技术积累.不太附和美国情况.但后来美国发现,机床属于战略物资,没有它,飞机、大炮、坦克、军舰的制造都有问题,所以他们重新制定政策,扶植了一些机床厂,规定了一些单位只能买国产设备,就是贵也得买,这就为美国保留了一些数控机床行业.美国机床在世界上没有什么竞争力.
　　
　　欧洲的机床,除德国外,瑞士的也很好,要说超高精密机床,瑞士的相当好,但价格也是天价.一般用户用不起.意大利、英国、法国属于二流,中国很少买他们的机床.西班牙为了让中国进口他们的机床,不惜贷款给中国,但买的人也很少——借钱总是要还的.
　　
　　韩国、台湾的数控机床制造能力比大陆地区略强,不过水平差不多.他们也是在上世纪90年代引进**技术发展的.韩国应该好一点,它有自己制造的、已经商业化了的数控系统,但进口到中国的机床,应我们的要求,也换成了**系统.我们对他们的系统信不过.韩国数控机床主要有两家：大宇和现代.大宇目前在我国设有合资企业.台湾机床和我们大体一样,自己造机械部分,系统采购**的.但他们的机床质量差,寿命短,目前在大陆影响很坏.其实他们比我们国产的要好一点.但我们自己的差,我们还能容忍,台湾的机床是用美金买来的,用的不好,那火就大了.台湾最主要的几家机床厂已打算把工厂迁往大陆,大部分都在上海.这些厂目前在国内的竞争中,也打着“国产”的旗号.
　　
　　近来随着中国的经济发展,也引起了世界一些主要机床厂商的注意,2000年,日本最大的机床制造商“马扎克”在中国银川设立了一家数控机床合资厂,据说制造水平相当高,号称“智能化、网络化”工厂,和世界同步.今年日本另外一家大机床厂大隈公司在北京设立了一家能年产1000台数控机床的控股公司,德国的一家很有名的企业也在上海设立了工厂.
　　
　　目前,国家制定了一些政策,鼓励国民使用国产数控机床,各厂家也在努力追赶.国内买机床最多的是军工企业,一个购买计划里,80％是进口,国产机床满足不了需要.今后五年内,这个趋势不会改变.不过就目前国内的需要来讲,我国的数控机床目前能满足中低档产品的订货.
　　
　　FANUC公司简介
　　
　　FANUC公司创建于1956年,1959年首先推出了电液步进电机,在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统.进入70年代,微电子技术、功率电子技术,尤其是计算技术得到了飞速发展,FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品,一方面从GETTES公司引进直流伺服电机制造技术.1976年FANUC公司研制成功数控系统5,随时后又与SIEMENS公司联合研制了具有先进水平的数控系统7,从这时起,FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家,产品日新月异,年年翻新.
　　
　　1979年研制出数控系统6,它是具备一般功能和部分高级功能的中档CNC系统,6M适合于铣床和加工中心；6T适合于车床.与过去机型比较,使用了大容量磁泡存储器,专用于大规模集成电路,元件总数减少了30%.它还备有用户自己制作的特有变量型子程序的用户宏程序.
　　
　　1980年在系统6的基础上同时向抵挡和高档两个方向发展,研制了系统3和系统9.系统3是在系统6的基础上简化而形成的,体积小,成本低,容易组成机电一体化系统,适用于小型、廉价的机床.系统9是在系统6的基础上强化而形成的具备有高级性能的可变软件型CNC系统.通过变换软件可适应任何不同用途,尤其适合于加工复杂而昂贵的航空部件、要求高度可靠的多轴联动重型数控机床.
　　
　　1984年FANUC公司又推出新型系列产品数控10系统、11系统和12系统.该系列产品在硬件方面做了较大改进,凡是能够集成的都作成大规模集成电路,其中包含了8000个门电路的专用大规模集成电路芯片有3种,其引出脚竟多达179个,另外的专用大规模集成电路芯片有4种,厚膜电路芯片22种；还有32位的高速处理器、4兆比特的磁泡存储器等,元件数比前期同类产品又减少30%.由于该系列采用了光导纤维技术,使过去在数控装置与机床以及控制面板之间的几百根电缆大幅度减少,提高了抗干扰性和可靠性.该系统在DNC方面能够实现主计算机与机床、工作台、机械手、搬运车等之间的各类数据的双向传送.它的PLC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路,能促使强电柜的半导体化.此外PLC的编程不仅可以使用梯形图语言,还可以使用PASCAL语言,便于用户自己开发软件.数控系统10、11、12还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理、彩色图形显示CRT等.
　　
　　1985年FANUC公司又推出了数控系统0,它的目标是体积小、价格代,适用于机电一体化的小型机床,因此它与适用于中、大型的系统10、11、12一起组成了这一时期的全新系列产品.在硬件组成以最少的元件数量发挥最高的效能为宗旨,采用了最新型高速高集成度处理器,共有专用大规模集成电路芯片6种,其中4种为低功耗CMOS专用大规模集成电路,专用厚膜电路3种.三轴控制系统的主控制电路包括输入、输出接口、PMC（Programmable Machine Control）和CRT电路等都在一块大型印制电路板上,与操作面板CRT组成一体.系统0的主要特点有：彩色图形显示、会话菜单式编程、专用宏功能、多种语言（汉、德、法）显示、目录返回功能等.FANUC公司推出数控系统0以来,得到了各国用户的高度评价,成为世界范围内用户最多的数控系统之一.
　　
　　1987年FANUC公司又成功研制出数控系统15,被称之为划时代的人工智能型数控系统,它应用了MMC（Man Machine Control）、CNC、PMC的新概念.系统15采用了高速度、高精度、高效率加工的数字伺服单元,数字主轴单元和纯电子式绝对位置检出器,还增加了MAP(Manufacturing Automatic Protocol)、窗口功能等.
　　
　　FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家,该公司自60年代生产数控系统以来,已经开发出40多种的系列产品.（资料来源：前瞻产业研究院）