数控机床起源与发展.教学资料

1、 数控（NC）阶段（19521970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影响还不大，但不能 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（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。 随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即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。 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。这也是数控系统的第四

2、代。 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 （MICROPROCESSOR），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 （故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），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， 即第五代数控系统。到了1990年，PC机（个人计算机，国

3、内习惯称微机）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，也就是进入了数控系统的第六代。 。 分类： 按运动轨迹分：1、点位控制数控系统;2、直线控制数控系统;3、轮廓控制数 控系统。 按伺服系统分：1、开环控制数控系统;2、半闭环控制数控系统;3、全闭环控 制数控系统。 按功能水平分：1、经济型数控系统;2、普及型数控系统;3高档型数控系统。 常用的一些数控系统：发那科（FAUNC）数控系统、西门子 （SINUMERIK）数控系统、三菱（MITSUBISHI）数控系统、广州数控 （GSK）数控系统、华中数控系统。 NC与CNC: NC

4、(Numerical Control)指用离散的数字信息控制机械等装置的运行， 只能由操作者自己编程. CNC是计算机数字控制机床(Computer number control)的简称，是一 种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码 或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。 什么是数控机床？什么是数控机床？ 数控机床是数字控 制机床（Computer numerical control machine tools）的简 称，是一种装有程序控 制系统部的自动化机床。 该控制系统能够逻辑地 处理具有控制编码或其 他符号指令规定的程序， 并将其译

5、码，从而使机 床动作数控折弯机并加 工零件。 6 1952年麻省理工学院在一台立式铣床上， 装上了一套采用电子管元件的数控装置，成 功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控 机床被大家称为世界上第一台数控机床。也 即是第一代数控机床。 1952年第一台数控机床 到了1960年以后，点位控制的数控机 床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系 统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此， 数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资 料表明，到1966年实际使用的约6000台数控机 床中，85%是点位控制的机床。 1960 点位控制数控机床 这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个 坐标轴带动刀具与工件相

6、对运动，从一个坐标 位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第 三个坐标轴进行钻镗切削加工。在整个移动过 程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任 何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。 点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系， 这类机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、 数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。 点位控制系统只控制刀具对工件的定位，有某一定点向 下定位运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。 直线切削控制系统是控制刀具沿坐标轴方向运动，并对 工件进行切削加工。在加工过程中，不但要控制切削进 给的速度，还要控制运动按规定点路径到达终点，所以 直线切削控制系统又称点位/直线切削控制

7、系统 立式数控钻床 数控镗床 多工位数 控冲床 三坐标测 量机 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床 : 轮廓控制数控机床能够对两个或 两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成 的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。 它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控 制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求 的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是 典型的轮廓控制数控机床。 数控火焰切割机、电火花加工 机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。 轮廓控制 系统的结构要比点位直线控系统更为复杂，在加工过程中 需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制

8、。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓 控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系 统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 卧式数控车床 数控铣床 数控磨床 数控电火花线 切割机床 数控机床的发展中，值得一提的是加工中心。这是一种采 用了晶体管元件和印刷电路板数控装置的具有自动换刀装 置的数控机床，也是第二代数控机床的代表。它能实现工 件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在 1959年3月，由美国卡耐特雷克公司 （Keaney&TreckerCorp.）开发出来的。这种机床在刀 库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的 指令自动选择刀具，并通过机

9、械手将刀具装在主轴上，对 工件进行加工。它可缩短机床上零件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一种非常重 要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣 类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨 削中心等。 加工中心加工中心 车削中心 磨削中心 卧式数控机床 立式数控机床 刀库 1965年，在出现了第三代的集成电路数控装置后两年。即1967年，英 国莫林斯公司首次提出的FMS基本概念。同年，美国的怀特森斯特兰公司建 成Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托 盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种

10、柔 性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产 线相似，所以也叫柔性自动生产线。到1976年，日本发那科公司展出了由加 工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重 要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由12台数控机床与物料传送装置组 成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至 自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。 柔性制造系统FMS 随着时间的推移，FMS在技术上和数量上 都有较大发展，实用阶段，以由35台设 备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大 的系统投入使用。 到1982年，日

11、本发那科 公司建成自动化电机加工车间，由60个柔 性制造单元（包括50个工业机器人）和一 个立体仓库组成，另有两台自动引导台车 传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电 机装配车间，它们都能连续24小时运转。 柔性制造系统是在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或 数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控 计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产 的自动化制造系统。柔性制造系统有以下三种类型： 1、柔性制造单元 ：由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元 。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制 造单元适合加工形状复杂，加工工

12、序简单，加工工时较长，批量小的零 件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。 2、柔性制造系统 ：是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装 置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的 情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工 序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低 。 3、柔性自动生产线 ：是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起 来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不 同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产 用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多

13、 品种生产用的柔性制造系统。 1 设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后， 产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。 2 在制品减少80%左右。 3 生产能力相对稳定。自动加工系统由一或多台机 床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系 统也有自行绕过故障机床的能力。 4 产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成， 加工精度嵩，加工形式稳定。 5 运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维 护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下 正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能 处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程 中不可预料的问题。 柔性制造系统的特点：

14、 6 产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具 有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满 足市场需要。 7 经济效果显著。采用FMS的主要技术经济效果是： 能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工， 实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及 相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的 利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力， 在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化 生产”；提高产品质量的一致性 柔性制造系统 柔性制造单元 20世纪90年代后期，出现了 PC+CNC智能数控系统，即以PC 机为控制系统的硬件部分，在PC 机上安装NC软件系统，此种方式 系统

15、维护方便，易于实现网络化制 造。 现在，数控技术也叫计算机数控 技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），目前它是采 用计算机实现数字程序控制的技术。 这种技术用计算机按事先存贮的控制 程序来执行对设备的控制功能。由于 采用计算机替代原先用硬件逻辑电路 组成的数控装置，使输入数据的存贮、 处理、运算、逻辑判断等各种控制机 能的实现，均可以通过计算机软件来 完成。数控技术是制造业信息化的重 要组成部分。 数控机床的特点： 1：加工零件改变时，一般只需要更改数控程序， 可节省生产准备时间； 2：可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3：群基机床加工精

16、度高，具有稳定的加工质量； 4：对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技 术要求更高； 5：群基机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6：群基机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的 加工用量，生产率高。 中国于1958年研制出 第一台数控机床。发 展过程大致可分为两 大阶段。在1958 1979年间为第一阶段， 从1979年至今为第二 阶段。 我国第一台数控机床 我国的发展： 第一阶段中对数控机 床特点、发展条件缺 乏认识，在人员素质 差、基础薄弱、配套 件不过关的情况下， 一哄而上又一哄而下， 曾三起三落、终因表 现欠佳，无法用於生 产而停顿。主要存在 的问题是盲目性大， 缺乏实事求是的科学 精神。 在第二阶段我国从日、德、 美、西班牙先後引进数控系 统技术，从日、美、德、意、 英、法、瑞士、匈、奥、韩 国、台湾省共11国(地区)引 进数控机床先进技术和合作、 合资生产，解决了可靠性、 稳定性问题，数控机床开始 正式生产