劉強(qiáng) | 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及未來趨勢1

引言：制造機(jī)器的機(jī)器

機(jī)床( machine tools )是指用來制造機(jī)器的機(jī)器，又被稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)”。早在15世紀(jì)就已出現(xiàn)了早期的機(jī)床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認(rèn)為是世界上第1臺真正意義上的機(jī)床，它解決了瓦特蒸汽機(jī)的氣缸加工問題。至18世紀(jì)，各種類型機(jī)床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機(jī)床、臥式銑床、滾齒機(jī)等，為工業(yè)革命和建立現(xiàn)代工業(yè)奠定了制造工具的基礎(chǔ)。1952年，世界上第1臺數(shù)字控制(numerical control，NC )機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院問世，標(biāo)志著機(jī)床數(shù)控時(shí)代的開始。數(shù)控機(jī)床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當(dāng)前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，又稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置。

 數(shù)控機(jī)床可按加工工藝、運(yùn)動方式、伺服控制方式、機(jī)床性能等進(jìn)行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點(diǎn)，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機(jī)床分為數(shù)控金屬切削機(jī)床、數(shù)控金屬成形機(jī)床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機(jī)、汽車、航空發(fā)動機(jī)等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機(jī)床被加工零件的材料不再限于金屬材料，礦物鑄件已擴(kuò)展到復(fù)合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特種加工方法。此外，從功能和性能角度，又可將數(shù)控機(jī)床劃分為經(jīng)濟(jì)型、中檔(或普及型)和高檔三類。當(dāng)前對高檔數(shù)控機(jī)床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認(rèn)為：高檔數(shù)控機(jī)床是具有高性能、智能化和高價(jià)值特征并達(dá)到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指標(biāo)的數(shù)控機(jī)床。高檔數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)化史

機(jī)床作為“工作母機(jī)“，全程伴隨了工業(yè)化的發(fā)展。18 世紀(jì)的工業(yè)革命后，機(jī)床隨著不同的工業(yè)時(shí)代發(fā)展而進(jìn)化并呈現(xiàn)出各個(gè)時(shí)代的技術(shù)特點(diǎn)。如圖 1 所示，對應(yīng)于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時(shí)代，機(jī)床從機(jī)械驅(qū)動/手工操作(機(jī)床 1.0 )、電力驅(qū)動/數(shù)字控制(機(jī)床 2.0 )發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(機(jī)床3.0）并正在向賽博物理機(jī)床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機(jī)床 4.0 )演化發(fā)展。

圖1 工業(yè)化與機(jī)床進(jìn)化史

而數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程，則經(jīng)歷了幾個(gè)重要拐點(diǎn)。

1952 年世界第 1 臺數(shù)控機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院研制成功，礦物鑄件這是制造技術(shù)的一次革命性跨越。數(shù)控機(jī)床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按照零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機(jī)床的軌跡運(yùn)動和運(yùn)行，從此 NC 技術(shù)就使得機(jī)床與電子、計(jì)算機(jī)、控制、信息等技術(shù)的發(fā)展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計(jì)算機(jī)代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造 ( CAD /CAM )技術(shù)也隨之得到快速發(fā)展和普及應(yīng)用?？梢哉f，制造數(shù)字化肇始于數(shù)控機(jī)床及其核心數(shù)字控制技術(shù)的誕生。

正是由于數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點(diǎn)——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結(jié)合、“機(jī)(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學(xué)科交叉，因而其后數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)的重大進(jìn)步就一直與電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)聯(lián)(圖2)。

最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構(gòu)成計(jì)算單元，20 世紀(jì)40年代末晶體管發(fā)明，50年代末推出集成電路，至 60年代初期出現(xiàn)了采用集成電路和大規(guī)模集成電路的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進(jìn)展，為數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展帶來第一個(gè)拐點(diǎn)——由基于分立元件的數(shù)字控制(NC)走向了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)，數(shù)控機(jī)床也開始進(jìn)入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

PC機(jī)的發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來了第二個(gè)拐點(diǎn)。礦物鑄件20世紀(jì)80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個(gè)人微型計(jì)算機(jī)(personal computer，PC)，使得過去專用廠商開發(fā)數(shù)控裝置(包括硬件和軟件)，走向了通用的PC化計(jì)算機(jī)數(shù)控。與此同時(shí)，開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，推動數(shù)控技術(shù)向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，高速機(jī)床、虛擬軸機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。

21世紀(jì)以來，數(shù)控機(jī)床的第三個(gè)拐點(diǎn)開始變得清晰起來。智能化數(shù)控技術(shù)也開始萌芽，礦物鑄件當(dāng)前隨著新一代信息技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)與數(shù)控技術(shù)深度結(jié)合，數(shù)控技術(shù)將迎來一個(gè)新的拐點(diǎn)甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數(shù)控。