數控技術發展和應用太原理工大學董長雙一、前言

數控技術是使用計算機對整個機械機械加工過程進行信息處理與控制，達到生產過程自動化的一門技術。是FMS、CIMS的技術基礎。數控機床是當代機械制造業的裝備主流。數控技術范圍覆蓋很多領域：

(1)機械制造技術；

(2)信息處理、加工、傳輸技術；

(3)自動控制技術；

(4)伺服驅動技術；

(5)傳感器技術；(6)微電子技術；(7)軟件技術等。二、數控技術的產生

20世紀40年末，JohnparsonsandFrankstulenparsonscorporation,（Traversecity,Michigan)提出了數控加工思想。theideaofusingcoordinatepositiondatacontainedonpunchedcardstodefineandmachinethesurfacecontoursofairfoilshapesairfoil±0.0015inch(±0.038mm)

1951年4月，美國空軍和MIT伺服實驗室簽協議，研發數控機床。

1952年3月，第一臺數控機床在MIT問世，成為世界機械工業史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發展。當時控制程序是記錄在紙帶上的字符和數字，故稱數字控制機床。

1955年，第一臺商業數控機床在美國全國機床展覽會上展出。

1959年，KeaneyandTrecherCo.研制了第一臺加工中心（MC),加工中心是具有刀庫和自動換刀裝置的數控機床。

1967年，MollinCo.研制了第一臺柔性制造系統（FMS）(DavidWilliamson)。(System24,(24hr/day,16hrhumanworkerunattended)IBM1360/140,7machinetools)柔性制造系統是由加工系統（若干臺數控機床和加工中心）、物料運送及管理系統和計算機管理系統組成的自動加工線。CincinnatiMillingMachineCo.VerticalHydro-Telmillingmachine

292vacuumtubes計算機集成制造系統(computerintegratedmanufacturingsystem:CIMS)計算機集成制造(CIM)是一種企業生產制造與生產管理進行優化的哲理。這種哲理首先是在1974年美國JosephHarrington博士在其論文《ComputerIntegratedManufacturing》中提出的。CIM是針對企業所面臨的激烈市場競爭形勢而提出的組織企業生產的一種哲理。其基本思想是：①制造企業中的各個部分（即從市場分析、經營決策、工程設計、制造過程、質量控制、生產指揮到售后服務）是一個互相緊密相關的整體；②整個制造過程本質上可以抽象成一個數據的搜集、傳遞、加工和利用的過程，最終產品僅是數據的物化表現。前者體現了集成的思想，它將企業決策、經營管理、生產制造、銷售及售后服務有機地結合在一起；后者就是信息制造觀的思想。

CIMS定義：由一個多級計算機控制硬件結構，配合一套訂貨、銷售、設計、制造和管理綜合為一體的軟件系統所構成的全盤自動化制造系統。計算機集體制造系統體系結構CIMS：三、數字控制與數控機床基本概念與分類基本概念

數字控制（NC，numericalcontrol）GB8129-87,用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。

數控系統（NCsystem）：實現數控技術的機電控制設備；

數控機床：裝備了數控系統的機床。

機床：機床是從金屬的毛坯上切削掉多余的材料，使工件具有要求的形狀和寸，取得規定的精度和光潔度。

普通機床：人工手動操作的機床。機床類別及代號：（JB1838-85）車床（C）鉆床（Z）鏜床（T）磨床（M）齒輪加工機床（Y）螺紋加工機床（S)銑床（X）刨插床（B)拉床（L）特種加工機床（D）鋸床（G)其他加工機床（Q)（GB/T15375-94）車床（C）鉆床（Z）鏜床（T）磨床（M）齒輪加工機床（Y）螺紋加工機床（S)銑床（X）刨插床（B)拉床（L）鋸床（G)其他加工機床（Q)數控機床加工過程

零件圖首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數控系統讀入加工程序后，將其翻譯成機器能夠理解的控制指令，再由伺服系統將其變換和放大后驅動機床上的主軸電機和進給伺服電機轉動，并帶動機床的工作臺移動，實現加工過程。數控系統實質上是完成了手工加工中操作者的部分工作。加工程序數控裝置

伺服系統

機床數控機床的組成

本圖是數控機床的組成框圖。除了機床本體以外的部分統稱為數控系統，數控裝置是數控系統的核心。

1．輸入/輸出設備

2.控制面板3．數控裝置

4．伺服單元

5．PLC及接口

6．機床本體

7．測量裝置伺服單元、驅動裝置和測量裝置

伺服單元和驅動裝置主軸伺服驅動裝置和主軸電機（鼠籠型三相感應電機），實現零件切削加工運動。要求：高轉速（10000r/min），大功率（2.2~250kW)，寬調速范圍(1:10~1:1000)。進給伺服驅動裝置和進給電機（永磁同步電機）,實現零件切削加工成形運動。要求：定位精度高，響應速度快，調度范圍寬，低速大轉矩。測量裝置位置和速度測量裝置。以實現進給伺服系統的閉環控制。作用：保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令。進給運動指令：實現零件加工的成形運動（速度和位置控制）。主軸運動指令：實現零件加工的切削運動（速度控制）PLC、機床I/O電路和裝置

PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；1969年，美國數字設備公司（DEC-DigitalEquipmentCorporation)研制出世界第1臺PLC，并在GM公司汽車自動裝配線上試用成功。獨立式、嵌入式。機床I/O電路和裝置：

實現I/O控制的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路；)功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號控制輔助裝置完成機床相應的開關動作并接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態和機床的動作。數控機床物理結構數控機床的特點優點：1．

適應性強；2．

加工精度高、質量穩定；3．

生產效率高、經濟效益好；4．

減輕操作者的勞動強度、操作簡單；5．有利于生產管理的現代化；6.具有故障診斷和監控能力；

問題：

1．造價較高；

2．調試和維修比較復雜，需要專門的技術人員；

3．對編程人員的技術水平要求較高。數控機床特別適合高精度、復雜零件的加工

80年代的東芝事件

1987年5月27日，日本警視廳逮捕了日本東芝機械公司鑄造部部長林隆二和機床事業部部長谷村弘明。東芝機械公司曾與挪威康士堡公司合謀，非法向前蘇聯出口大型銑床等高技術產品。上世紀60年代末，蘇聯情報機關在美國海軍機要部門建立的間諜網不斷獲得美國核潛艇跟蹤蘇聯潛艇的情報。蘇聯潛艇的噪音很大，美國海軍在200海里以外就能偵測到。

1979年底，克格勃高級官員奧西波夫以全蘇技術機械進口公司副總經理的身份，通過日本和光貿易股份公司駐莫斯科事務所所長熊谷獨與日本伊藤忠商社、東芝公司和挪威康士堡公司接上了頭。在巨大的商業利益的誘惑下，東芝公司和康士堡公司同意向蘇聯提供四臺MBP—11OS型九軸數控大型船用螺旋槳銑床，此項合同成交額達37億日元（1850萬美圓）。這種高約10米、寬22米、重250噸的銑床，可以精確地加工出巨大的螺旋槳，使潛艇推進器發出的噪音大大降低。

為了掩人耳目，蘇聯沒有向日本訂購與九軸五聯動銑床相配套的計算機控制系統，而是要求挪威國營武器制造公司———康士堡貿易公司向東芝公司提供四臺NC—2000數字控制裝置，由東芝公司完成總裝后，出口蘇聯。蘇聯為此還與康士堡公司單獨簽訂了秘密合同。這種數控裝置通常與不受“巴統”限制的兩軸機床配套使用，但是只要改變一下配線和電路，就可作為九軸機床的數控裝置。

東芝事件

一個月后，東芝公司即向日本通產省申領向蘇聯出口的許可證。申領書隱瞞了九軸機床的高性能，偽稱產品是用于加工水力發電機葉片的簡易TDP—70／110型兩軸機床，從而獲得了通產省的出口許可證。這四臺精密機床順利到達蘇聯并很快發揮作用。到1985年，蘇聯制.造出的新型潛艇噪音僅相當于原來潛艇的10％，使美國海軍只能在20海里以內才能偵測出來。1986年10月，一艘美國核潛艇因為沒有偵測到它正在追蹤的蘇聯潛艇的噪音而與蘇聯潛艇相撞。

1985年12月，蘇聯、日本秘密協議當事人之一、東芝公司的熊谷獨因與他的雇主發生糾紛而辭職，并憤而向“巴統”主席蓋尼爾.陶瑞格揭發了東芝事件。陶瑞格立即要求日方調查此事。日本通產省對東芝公司進行調查時，東芝公司以預先簽署的假合同和其它技術文件為證，對此事矢口否認。經過進一步調查，1987年初，美國人掌握了蘇聯從日本獲取精密機床的真憑實據。在美國的壓力下，日本警視廳對東芝公司進行突擊檢查，查獲了全部有關秘密資料，并逮捕了涉案人員。在以后的幾個月里，美國朝野群情激憤，再三譴責日本，并對東芝公司進行了制裁。當時的日本首相中曾根康弘不得不向美國表示道歉，日本方面還花1億日元在美國的50多家報紙上整版刊登“悔罪廣告”。心驚膽顫的挪威政府除了向美國保證今后決不再發生類似事件外，還關閉了康士堡公司駐莫斯科辦事處，并停止了該公司正在與東歐國家進行的全部貿易。不久后，挪威又以從事竊取科技情報的間諜活動為由，驅逐了蘇聯一名外交官和三名貿易代表。靜音潛艇的技術

東芝事件巴黎統籌委員會(簡稱“巴統”)兩有趣事情1.蘇工程師晚上安裝調試兩臺機床2.30歲挪威電腦技師波路斯塔特喜結良緣數控機床的分類從不同的角度對數控機床進行分類，常見的有以下幾種分類方法：按運動控制軌跡分類

1.點位控制數控機床

2.直線控制數控機床

3.輪廓控制數控機床按伺服系統的類型分類1．開環控制數控機床

一般用于經濟型數控機床和舊機床改造

2．閉環控制數控機床

理論上，該系統可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量，具有很高的位置精度，但位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，很容易造成系統的不穩定，因此要求系統的動態特性要求高，閉環系統的設計、安裝和調試都有相當的難度。主要用于精度要求很高的鏜銑床，超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床。3．半閉環控制數控機床

半閉環數控系統精度比開環系統好，比閉環差，同時具有結構簡單，調試方便等特點，在現代數控機床中得到廣泛應用。按數控系統體系結構分類1傳統封閉式數控系統早期開發的封閉系統結構數控系統，系統的擴展、改變必須求助于開發商。目前占領著數控系統的大部分市場。如FUNUC0系列、MITSUBISHIM50、Simens810等。2“PC”嵌入“NC”結構數控系統制造商在既不愿放棄多年來積累的數控技術資源、又想利用計算機豐富的軟件資源的情況下開發的產品。具有一定的開放性，但NC體系結構不開放，用戶無法介入系統核心。如FUNUC16i、18i、21i，Simens840D，Num1060等。3“NC”嵌入“PC”結構開放數控系統PC+運動控制卡構成。如PMAC-NC數控系統（美國DeltaTau),MAZATROL640CNC(MAZAK)4全軟件型開放數控系統系統的計算機數控軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是與伺服驅動裝置和外部Ｉ／Ｏ之間的標準通用接口。如OpenCNC（美國ＭDSI）PA8000NT(德國PowerAutomation)按工藝用途分類

1.切削加工類：如數控銑床、數控車床、數控磨床、加工中心、數控齒輪加工機床、FMC等。2.成型加工類：數控折彎機、數控彎管機、數控沖壓機等。3.特種加工類：數控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。4.其它類型：數控裝配機、數控測量機、機器人等。5.虛擬軸機床、快速成型機虛擬軸機床虛擬軸機床(Virtualaxiamachinetool)也稱并聯機床（Parallelkinematicsmachinetool)虛擬軸機床（VirtualAxisMachineTools）實質上是機器人與機床的混合物，其在結構上完全不同于傳統的數控機床，具有模塊化程度高，結構簡單，速度、動態響應快，造價低等優點?？朔藗鹘y的機床設備一些無法避免的固有缺陷，如：非對稱、復雜的結構，笨重的床身立柱，單一的加工能力，較低的動態響應特性等。1994年在IMTS一經展出，就在世界范圍內引起轟動，多家媒體把這種機床稱為“機床結構的重大革命”，“21世紀的新一代數控加工設備”。不過數年時間，這種機床就得到了快速的發展。目前，國內已有許多單位對并聯機構裝備和工藝技術開始進行了研究。清華大學與天津大學合作于1997年底研制出我國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機床原型樣機，并于1998年4月在第四屆中國機床工具商品展覽交易會上展出，受到各界廣泛重視。虛擬軸機床特點和用途：機床特點：由于采用珩架結構，機床重量輕高剛度、高精度、高速度及高加速度實現6自由度空間位姿靈活變化

機床用途：特別適合于曲面加工，如螺旋槳葉片、汽輪機葉片、復雜光學透鏡、模具型腔等復雜三維曲面。更換執行機構后可用于移載、裝配、能束加工等。虛擬軸機床基本理論虛擬軸的設計理論。該理論包括6個伸縮桿的長度決定動平臺位置的一般理論及特例、虛擬軸機床的運動分析、虛擬軸機床的力學分析等。虛擬軸機床的控制技術。虛擬軸機床機械結構簡單是以控制系統的復雜為條件的。虛擬軸機床的誤差分析技術。虛擬軸比傳統機床具有更高的精度，但是存在影響加工精度的因素?？焖俪尚停≧apidPrototypingRP)快速成型是一種快速生成模型或者零件的制造技術。在計算機控制與管理下，依靠已有的CAD數據，采用材料精確堆積的方式，即由點堆積成面，由面堆積成三維，最終生成實體。依靠此技術可以生成非常復雜的實體，而且成型的過程中無需模具的輔助?？焖俪尚图夹g的研究始于1970年代，但是直到1980年代末才逐漸出現了成熟的制造設備。美國3M公司的AlanJ.Herbert（1978年）、日本名古屋市工業研究所的小玉秀男（1980年）、美國UVP公司的CharlesW.Hull（1982年）、日本大阪工業技術研究所的丸谷洋二（1993年），各自獨立地提出了快速成型的技術設想，實現的材料和方式有差異，但均以多層疊

加并固化來產生實體。在1986年，CharlesW.Hull在美國獲得了光固化立體造型設備（SLA）的專利，標志著快速成型技術即開始進入實用階段，在設計領域及汽車工業上有廣泛應用。目前已有十余種不同方法，如光固化立體造型（SLA）、層片疊加制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積造型（FDM）、掩模固化法（SGC）、三維印刷法（TDP）、噴粒法（BPM）等。其中SLA是使用最早和最廣泛的技術，約占全部快速成型設備的70％左右。

工藝過程：實體造型的構建：三維建模，反求工程。實體造型的離散處理：將復雜的模型用一系列的微小三角形平面來近似模擬，每個小三角形用3個頂點坐標和一個法矢量來描述（STL格式文件）實體造型的分層處理：成型高度方向上用一系列固定間隔的平面切割被離散過的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔可以小至亞毫米級。成型加工：成型零件的后處理：去除支撐，另外還可能需要進行打磨、拋光、涂上油漆，或在高溫爐中燒結以提高強度

光固化立體造型（SLA）該技術以光敏樹脂的聚合反應為基礎。在計算機控制下的紫外激光，沿著零件各分層截面輪廓，對液態樹脂進行逐點掃描，使被掃描的樹脂薄層產生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。當一層固化完畢，升降工作臺移動一個層片厚度的距離，在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環往復，直到整個零件原型制造完畢。

特點：有較高的精度和較好的表面質量，能制造形狀特別復雜（如空心零件）和特別精細（如工藝品、首飾等）的零件。

層片疊加制造（LOM）層片疊加制造工藝是將單面涂有熱溶膠（在被加熱狀態下可產生粘性）的箔材（紙、陶瓷箔、金屬箔等）通過熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數據，用激光束將箔材切割成所制零件的內外輪廓，然后新的一層箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，在每一層進行切割和粘合的過程，直至整個零件模型制作完成，選擇性激光燒結（SLS）這種工藝也是以激光器為能量源，通過紅外激光束使塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復合物的粉末均勻地燒結在加工平面上。在工作臺上均勻鋪上一層很薄（亞毫米級）的粉未作為原料，激光束在計算機的控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數據掃描。經過激光束掃描后，相應位置的粉末就燒結成一定厚度的實體片層，未掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。這一層掃描完畢，隨后需要對下一層進行掃描。先根據物體截層厚度而升降工作臺，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，可以開始新一層的掃描。如此反復，直至掃描完所有層面。去掉多余粉末，并經過打磨、烘干等適當的后處理，即可獲得零件。目前應用此工藝時，以蠟粉末及塑料粉末作為原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進行粘接或燒結的工藝尚未獲得實用。

三維印刷工藝（3DP）三維印刷工藝，也稱為三維打印。1989年，美國麻省理工學院的EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty等在美國申請了三維印刷技術的專利，之后EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty又多次對該技術進行完善，形成了今天的三維印刷快速成型工藝。通過這個工藝，在每一層粘結完畢后，成型缸下降一個距離（等于層厚），供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按照下一個截面的二維幾何信息進行運動，有選擇地噴射粘結劑，最終構成層面。原理和打印機非常相似，即為三維打印這一名稱的由來。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被粉末收集裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結，從而生產制品。三維P工藝與SLS工藝都是將粉末材料選擇性地粘結成為一個整體。其最大的不同之處在于三維P工藝不用將粉末材料熔融，而是通過噴嘴本身會噴出粘合劑，將這些材料粘合在一起。熔融沉積造型（FDM）1993年美國Stratasy公司開發出了第一臺基于熔融沉積造型的設備。將CAD模型分為一層層極薄的截面，生成控制FDM噴嘴移動軌跡的二維幾何信息。FDM加熱頭把熱熔性材料（ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱到臨界狀態，呈現半流體性質，在計算機控制下，沿CAD確定的二維幾何信息運動軌跡，噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。當一層完畢后，通過垂直升降系統降下新形成層，進行固化。這樣層層堆積粘結，自下而上形成一個零件的三維實體。FDM工藝的關鍵是保持材料的半流動性。這些材料并沒有固定的熔點，需要精確控制其溫度。快速成型（原形）特點

使用三維掃描和快速成型技術，將原作進行復制，可以保留極其復雜的細節。

可生成高復雜度的產品。產品制造過程幾乎與零件的復雜程度無關，相比傳統制造方式（如鑄造），使用快速成型技術可以制作出外形極為復雜的產品，對于傳統工藝來說，一些特殊的形狀無法完成。

便于修改，生產迅速。整個生產過程數字化，與CAD模型具有直接的關聯，可隨時修改數據后進行制造，尤其適用于產品設計階段的模型制造。

固定的制造成本。傳統的模型制作往往先需要模具，需要耗費大量時間，且模具的制造成本往往較高?？焖俪尚图夹g的單個成品制作成本往往高于使用模具進行批量生產的平均成本，但是無需模具的一次性投資，對于只需要小規模生產的情況（比如在新產品開發中的設計模型），使用快速成型技術可以降低成本。

固定的的生產效率。使用快速成型技術生產任何產品均使用雷同的材料堆積方式，對某一特定的產品的生產而言可能不是最優的方式。比如，生產時間會隨著產品體積的增大而迅速增加。按聯動軸數分

2軸聯動（平面曲線）3軸聯動（空間曲面，球頭刀）4軸聯動（空間曲面）5軸聯動及6軸聯動（空間曲面）。

聯動軸數越多數控系統的控制算法就越復雜。按功能水平分類

1.高級型數控系統

2.普及型數控系統

3.經濟型數控系統

性能類別CPU位數聯動軸數分辨率

(μm)進給速度(m/min)其它高級型1.325=<0.1>=24,(1μm)；

>=10,(0.1μm)三維動態，MAP,

數字交流伺服普及型16<5,3>0.1,<10<24,(1μm)；

<10,(0.1μm)字符/圖形

交流伺服經濟型8/16<3<10<8字符,步進電機三、數控機床的選型1.機床類型的選擇2.數控機床與數控系統的指標、功能數控機床的主要指標：（1）規格指標行程范圍、工作臺面尺寸、承載能力、主軸功率和進給軸扭矩、控制軸數和聯動軸數（2）精度指標定位精度（一般定位精度±0.01mm、最高±0.4μm）重復定位精度（一般重復定位精度±0.005mm、最高±0.3μm）分度精度回零精度（3）性能指標最高主軸轉速和最大加速度最高進給速度和最快移動速度（4）可靠性指標平均無故障工作時間（MTBF）平均修復時間（MTTR）數控系統功能（1）控制功能控制軸數和聯動軸數（2）準備功能指定機床的動作方式（3）插補功能現在數控系統不僅有直線、圓弧插補功能，而且有拋物線、橢圓、螺旋線、樣條曲線插補功能。（4）分辨率（脈沖當量）對控制系統，分辨率是可以控制的最小位移量它具有以下兩方面的含義：a表示數控系統發出一個指令脈沖，經伺服系統驅動機床上的工件（或刀具）移動的最小位移量。稱外部脈沖當量。b表示內部運算的最小設定單位，稱內部脈沖當量，比外部脈沖當量小得多。數控系統在輸出位移量前會自動將其轉換成外部脈沖當量。（5）進給功能a進給速度控制mm/minb同步進給速度控制c進給倍率控制（6）自動加減速功能機械設備狀態改變時，系統具有自動加減速功能，避免或減小沖擊。（7）主軸功能a主軸轉速控制r/minb恒線速度控制c主軸定向控制dC軸控制e主軸倍率控制（8）輔助功能控制機床輔助裝置通斷（如主軸啟停、轉向、刀庫啟停、切削液啟停等）（9）刀具管理功能實現刀具幾何尺寸和刀具壽命管理。（10）補償功能a刀具半徑和長度補償b傳動鏈誤差補償c非線性誤差補償（11）程序編制功能a手工編程b自動編程語言式自動編程：APT(自動編程工具)幾何描述；運動描述；后處理描述；輔助描述。

CAD/CAM（計算機輔助設計、計算機輔助制造）圖形交互編程：（UG,pro/E等）（12）固定循環功能將實現典型動作的程序預先編好并存儲到內存中，用代碼指定，加工時調用這類已成為固定循環指令的代碼，可大大簡化編程。（13）人機對話功能數控系統配有薄膜場效應晶體管（TFT）顯示屏，實現字符、圖形顯示，以便用戶的操作和使用。（14）自診斷功能a開機自診斷b在線自診斷c離線自診斷d遠程通信診斷（15）通訊功能RS-232接口、Internet接口四、數控技術的發展計算機技術的每一點進步都在推動數控技術向前發展?！傲?電子管，1952，ParsonsCorp,MIT,美空軍后勤司令部合作，第一臺立式銑；(292電子管）2晶體管、印刷電路，1959，晶體管元件的出現使電子設備的體積大大減小，數控系統中廣泛采用晶體管和印刷電路板，K&T開發第一臺加工中心

MILWAUKEE-MATIC。3小規模集成電路,1965,由于它體積小、功耗低，使數控系統的可靠性得以進一步提高。1967英國最初的FMS.4通用小型計算機,1970，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數控裝置的數控系統，特征為許多數控功能由軟件完成。5微處理器，1974，開始出現的以微處理器為核心的數控系統被人們譽為第五代數控系統，近30年來，裝備微處理機數控系統的數控機床得到飛速發展和廣泛應用。6基于PC（PC-BASED）的數控,20世紀80年代，基于PC開發式數控系統。數控技術發展趨勢1．高速高精度

機床向高速化方向發展，可充分發揮現代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度。

上世紀90年代以來，高速主軸單元（電主軸，轉速15000－100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min）、高性能伺服系統以及工具系統都出現了新的突破。高速切削加工

1931年德國切削物理學家薩洛蒙(Salomon)提出高速切削理論。在常規的切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于每一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個范圍內，由于切削速度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行。但是，當切削速度進一步提高，超過這個范圍后，切削溫度反而降低。同時切削力也會大幅度下降。通常把切削速度比常規切削速度高出5~10倍以上的切削叫做高速切削。車削:700~7000m/min;銑削：300~6000m/min;鉆削：200~1100m/min;磨削：150~360m/s;與傳統切削加工相比，高速切削加工發生了本質性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。Salomon切削速度與溫度實驗曲線CPU采用64位專用總線結構，采用全數字伺服、運用AI（AdvanceInterpolation)HRV(HighResponseVector)簡易指令集CPU（RISC）等。

（FUNUCSERVOHRV4伺服位置以納米為單位采樣，使用αi脈沖編碼器16000000p/r。）

高速：進給速度：80m/min快進速度：120m/min主軸轉速：100000r/min加速度：2g換刀時間：0.4sCINCINNAIT公司HyperMach機床：進給速度：60m/min快進速度：100m/min主軸轉速：60000r/min高精度：普通級：5μm精密級：1μm超精密級：0.01μm2．智能化

數控系統的智能化主要體現在以下幾個方面：（1）智能化適應控制技術（隨加工過程切削條件的變化，自動地調整切削用量，實現加工過程最佳化）（2）自動編程技術（3）具有故障自動診斷功能（4）智能化交流伺服驅動裝置智能化交流伺服驅動裝置包括智能主軸交流伺服驅動裝置和智能進給交流伺服驅動裝置。能自動識別電動機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統參數進行優化和調整，使驅動系統獲得最佳運行效果。

（5）加工參數智能優化與選擇以加工工藝參數數據庫為支撐，建立專家系統，通過他提供優化的切削參數，使加工系統始終處于最優和最經濟的工作狀態，達到提高編程效率和加工工藝技術水平。

智能制造技術包括專家系統、模糊推理和人工神經網絡三大部分。專家系統先是采集領域專家的知識，然后將知識分解為事實與規則，存儲于知識庫中，通過推理作出決策。模糊推理模糊推理又稱模糊邏輯，它是依靠模糊集和模糊邏輯模型進行多個因素的綜合考慮，采用關系矩陣算法模型、隸屬度函數、加權、約束等方法，處理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。人工神經網絡神經網絡是人腦部分功能的某些抽象、簡化與模擬，由數量巨大的以神經元為主的處理單元互連構成，通過神經元的相互作用來實現信息處理。3體系結構開放化、柔性化

傳統的數控系統都是專門、具有不同的編程語言、非標準人機接口、多種實時操作系統、非標準的硬件接口等特征，造成了數控系統使用和維護的不便，也限制了數控技術的進一步發展。為了解決這些問題，人們提出了“開放式數控系統”的概念。概念最早見于1987年美國NGC(NextGenerationController)計劃，NGC控制技術通過實現基于相互操作和分級式的軟件模塊的“開放式系統體系結構標準規范（SOSAS）”找到解決問題的辦法。開放式體系結構數控系統是開放式、高性能、智能化、網絡化數控系統的統稱。其核心是開放式，既系統各模塊與運行平臺無關、系統中各模塊之間的互操作性及通信接口的統一性?，F代開放式數控系統的體系結構技術要求：1）采用通用性開放式閉環控制模式2）采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式體系結構，利用開放式的數控技術軟、硬件平臺，可視需求通過重構、編輯調整系統的組成，便于“剪裁”，擴展和生級；功能可專用也可通用，可組成不同擋次、不同類型、不同集成程度的數控系統；功能價格比可調，可集成用戶的技術訣竅。體系結構滿足了開放式要求，同時也具有了柔性化。4.交互可視化為使設備易操作和維修，數控系統應具備以下三個特點：1）用戶界面圖形化，可通過窗口和菜單進行操作，以便藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態顯示、圖形模擬、圖象動態跟蹤和仿真及不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。2）計算可視化，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖象、動畫等可視信息，使系統滿足參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示，以及加工過程的可視化仿真和自動編程設計等要求。3）數控編程自動化，CAD/CAM圖形交互自動編程和CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程是數控技術發展的新趨勢。SIMENS840DShopmill、Shopturn軟件。FANUC系統采用“manualguideI”輔助編程，操作者可以根據藍圖輸入圖形尺寸，無需G代碼編程，使數控編程更接近工程語言、用圖形符號說話。齒輪加工軟件多軸聯動刀具磨軟件凸輪軸及曲軸加工軟件法向矢量插補軟件Z-109-2-02復雜曲面數字化制造的幾何推理理論和方法丁漢(華中科技大學)，朱向陽(上海交通大學)，尹周平(華中科技大學)，朱利民(上海交通大學)，王煜(香港中文大學)5.通信網絡化為了實現機床聯網，實現中央集中控制的群控加工，數控系統應該有強的網絡功能，通過聯網，可以在任何一臺機床上對其他機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上，可進行遠程化控制和無人操作，實現信息共享、兼容多種通信協議，既能滿足單機需要，又能滿足柔性制造單元、柔性制造系統、計算機集成制造系統對基層設備的要求，同時便于形成“全球制造”的基礎單元的需求6.功能復合化復合化：在一臺設備上實現多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復合—車削中心（ATC，動力刀頭）；鏜銑鉆復合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉換）；銑鏜鉆車復合—復合加工中心；可更換主軸箱的數控機床—組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機床；測量/制造復合，在加工后對工件進行在線測量多功能復合化機床消除了車床、銑床、磨床、激光設備等之間的傳統差異。（1）車削為主

德國INDEX公司的TRAUBTNX65多功能數控車削中心，具有雙主軸、4個刀塔，第二主軸可作Y軸移動；德國DMG公司的TWIN65雙主軸車削中心，上下各有一個轉塔刀架，可實現6面加工，第二主軸可作橫向移動等。

（2）加工中心的復合化

日本MAZAK公司的新機床為Integrexe-1550V型復合車銑加工中心，它將5軸聯動加工中心的功能和CNC數控車削中心的功能融合到了一起。在市場中，Mazak公司的Integrex系列機床被看作是多功能機床的同義詞。（3）磨削為主

該類復合機床的代表為瑞士MAGERLE公司的MGR立式車磨復合加工機，機床上方配有多個磨頭和一個車刀架，可以對零件進行磨削和精車；日本森精機制作所的IGV-3NT磨頭可回轉式立式磨床，可在一次裝卡下對零件內外圓和端面進行加工；瑞士STUDER公司的S33萬能數控磨床，可以在一次裝卡下實現多線螺紋加工和內外圓、端面加工。7.數控機床機械結構創新1）直線電機取代滾珠絲杠

傳統的滾珠絲杠傳動鏈結構需要絲杠軸承座，聯軸器等，結構復雜，傳動鏈中精度損失多（軸承游隙、絲杠螺距誤差、反響間隙等），而采用直線電機可以克服傳動鏈中丟失的精度，另外從電氣角度看，參數設置更直接、簡便、精確。平面電機2）電主軸取代主軸箱電主軸實現了變頻電機和機床主軸之間的“零傳動”，這是數控機床傳動的重大變革。它克服了傳統機床皮帶或齒輪傳動的主軸系統在高速下打滑、振動和噪音大、慣量大等弊端，可良好地實現主軸轉速的高速化，有效改善主軸高速綜合性能。3）重心驅動從力學角度分析，在推動物體移動時，如果作用點不在物體重心，則會產生一個扭矩，對機床定位來講是一個不穩定擾動因素，影響輪廓加工精度和穩定性。通常單滾珠絲杠驅動力與工件受力點總是隨著加工軌跡變化而變化的，既工作臺所受的扭矩總是存在的。采用雙絲杠驅動（重心驅動）能很好地解決上述問題，最顯著的作用就是減少振動，提高加工精度。振動隨時間的變化如圖表所示。重心驅動設備很快就消除了振動，反之其他設備的振動則持續了較長時間。使用位于振動設備頂端的刀具加工工件，會造成加工面質量的明顯惡化。另外，如果在振動時使用刀具切割工件，也會輕微磨損刀尖。因此振動對刀具壽命來說實為大敵。更嚴重的是，如果發生振動，數控裝置會將其作為正常指令之外的動作進行檢測，而為了修正錯誤又要驅動進給電動機。如此反復，進一步加劇了振動。DCG有DCG無森精機公司的車銑復合加工中心

4.現有機械結構的變革1）內冷式滾珠絲杠高速數控機床用新HMC系列滾珠絲杠。HMC系列是NSK公司于1997年推出的，由于采用了“空心強冷”技術，帶來了滾珠絲杠的革命。現在，NSK公司又對HMC系列進行了改進，滾珠采用了新的循環方式，在原有高速的基礎上，實現了靜音、振動小的環保性。2）內置銑削電動機轉塔

傳統的銑削機構涉及傳動鏈、齒輪等機械部件，結構、制造工藝復雜，裝置會產生大量的熱和振動。而帶內置銑削電動機轉塔結構，最大程度上減少了熱量和振動的產生，避免了傳統損耗，提高了加工精度和切削性能。3）箱中箱、臺中臺結構

4）衍架結構

Table-in-Table(臺中臺)結構采用框架式的箱形結構，將一個移動部件嵌入另一個部件的框架箱中，達到提高剛度，減輕移動部件質量的目的，以適應60m/min

以上快速移動和進給的要求。

德國DS-Technology

公司的Ecospeed

加工中心

將一個回轉體嵌入另一個回轉體中，例如，在B

軸工作臺中配置C

軸工作臺，就構成了雙坐標工作臺的臺中臺結構(Table-in-table)

德國EEW

衍架結構HSM-Model

可按客戶的場地空間大小和使用需要組合不同的衍架跨距、立柱高度和間距，最大加工范圍可達151m×9m×4.25m。8.STEP—NCSTEP（ISO10303）（StandardfortheExchangeofProductModelData－－ISO10303）(1)目前CNC系統現狀:繪制描述加工零件幾何形狀、尺寸公差和材料等屬性的CAD圖紙，并以符合STEP標準的IGES格式存放到文件；將該IGES文件讀入CAM系統，后置處理成RS274D（ISO6983）標準定義的G代碼；由CNC讀入G代碼文件進行數控加工?？梢娔壳癈NC系統基于IGES和ISO6983標準STEP（ISO10303）（StandardfortheExchange