数控机床的产生及发展概况

1.1.1　数控机床的产生及发展概况

1.数控机床的产生背景

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。

许多生产企业（例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线，实行多刀、多工位、多面同时加工，以达到高自动化和高效率。尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件小批生产的零件（批量在10～100件）约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整是非常困难的。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业如要提供高质量的产品，就必须频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不断变化的需要。因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批量生产中也日益暴露其缺点。已经使用的各类仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。

为了解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字控制（Numerical Control，简称NC或数控）机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。

2.数控机床的产生发展过程

（1）国外情况

在飞机机翼加工中，以往的加工方法是使用仿形加工机床，即在图纸设计和大量试验完成以后，还必须制作昂贵的靠模和样件在仿形机床上进行加工。靠模和样件的制作也很困难，为了保存这些原始数据，还要占用大量库房，制造周期长，更新品种很不容易。第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新这种样板加工设备。

1948年，美国帕森斯公司（Parsons）在研制加工飞机发动机叶片轮廓检查用样板时，提出了数控机床的初始设想。1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接的电路。1955年，该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。

从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了六代。

第一代数控系统采用电子管元件，体积大，可靠性低，价格高，因此主要用于军工生产，没有得到推广。

第二代数控系统是1958年出现的由晶体管和印刷电路板组成的数控系统，可靠性有所提高，体积大为缩小，仍未得到广大用户的认可。

第三代是1965年面世的商品化的集成电路数控系统，它不仅大大缩小了数控系统的体积，其可靠性也得到了实质性的提高，成为一般用户能够接受的数控系统。

这三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC。

1970年，小型计算机在数控系统中得到了应用，称之为第四代数控系统。1975年，微处理器的应用使之成为第五代数控系统。

20世纪90年代以来，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统朝着以通用微机（个人计算机——PC）为基础、体系结构开放和智能化的方向发展。1994年基于PC的NC控制器在美国首先出现于市场，此后得到迅速发展。由于基于PC的开放式数控系统可充分利用通用微机丰富的硬软件资源和适用于通用微机的各种先进技术，已成为数控技术发展的潮流和趋势。这种基于PC的数控系统称之为第六代数控系统。

因为计算机应用于数控系统，所以第四、五、六代数控系统为计算机数字控制系统，简称CNC系统。由于计算机的应用，很多控制功能可以利用软件来实现，因而数控系统的性能大大提高，而价格却有较大幅度的下降。同时，可靠性和自动化程度有了大幅度的提高，数控机床也得到了飞速的发展。

（2）国内情况

我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为三个阶段。

第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。20世纪60年代末70年代初，已经有了一些晶体管式的数控系统研制成功，并用于生产，如数控线切割机床、数控铣床等。但是数控机床的品种及数量都很少，数控系统的稳定性及可靠性都不过关，没能在生产中广泛应用。这是我国数控机床发展的初级阶段。

第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。20世纪80年代初开始，我国先后从日本、美国等国家引进一些数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。“七五”期间，我国启动了国家重点科技开发项目“数控机床引进的消化吸收”，对我国数控技术的发展起到了很好的作用。如FANUC3系统、6系统等的国产化率已达到80%以上，并因此建设了一批小规模数控系统生产基地。我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。

第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，随着我国进一步向世界开放，国内数控市场出现了非常复杂的竞争状态。一方面，我国的数控技术在进一步地提高和完善，但其速度显然跟不上国外数控系统及整机纷纷涌入的速度。由于原始开发能力的缺乏以及综合性能等诸方面因素，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。

我国数控系统的开发与生产，通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，取得了很大的进展，在与数控主机匹配方面可以说已基本上改变了“拖后腿”的局面，性能和质量显著提高、功能价格比有优势，我国具有自主版权的数控系统产业开始形成，在市场上具有一定竞争力，逐步提高了市场占有率。目前，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50%，配国产数控系统（普及型）也达到了10%。

纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。

①奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。

②初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。

③建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。

从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。

①在技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。

②在产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。

③可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。