数控加工技术的发展及趋势分析

1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。1949年，该公司与美国麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台3坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印制电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（Machining Center，简称MC），数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。20世纪60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC），数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存储器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话自动编制程序的数控装置；数控装置越趋于小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以个人计算机（Personal Computer，简称PC）为控制系统的硬件部分，在PC上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。

现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电技术于一体，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代数控技术的发展呈现如下的趋势。

1.功能发展方向

（1）用户界面图形化 当前因特网（Internet）、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。柔性用户界面极大地方便了非专业用户的使用，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

（2）科学计算可视化 在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿、刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

（3）插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补和NURBS插补（非均匀有理B样条插补）等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、温度补偿等。

（4）内装高性能PLC 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。

（5）多媒体技术 在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

2.结构体系发展方向

（1）模块化、专门化与个性化 机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。近几年来个性化是特别明显的发展趋势。(www.xing528.com)

（2）智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：自适应控制技术、专家系统、故障诊断系统和智能化数字伺服驱动装置。

（3）网络化和集成化 数控机床向网络化和集成化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展；另一方面是向注重应用性和经济性方向发展。

（4）开放化 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。基于PC的第六代发展方向所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，已成为数控系统的发展趋势。

3.高速、高效、高精度、高可靠性发展方向

（1）高速、高效 机床向高速化方向发展，不但提高加工效率、降低成本，而且还提高零件的表面加工质量和精度。目前，高速数控机床的主轴转速可达到100000r/min，进给速度可达到100m/min，自动换刀速度在1s以内；小线段插补进给速度达到12m/min，高速、高效响应的数控机床极大地满足了模具、航空、军事、汽车等领域的需求。

（2）高精度 从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。加工精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（＜10nm），其应用范围日趋广泛。近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±（3～5）μm提高到±（1～1.5）μm。

（3）高可靠性 数控机床的工作环境比较恶劣，工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，因而对CNC的可靠性要求要优于一般的计算机。

另外，为适应制造自动化的发展，数字控制制造系统要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，新型并联杆系结构数控机床的实用化，开拓了数控机床发展的新领域。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。