劉強 | 數(shù)控機床發(fā)展歷程及未來趨勢1

引言：制造機器的機器

機床( machine tools )是指用來制造機器的機器，又被稱為“工作母機”或“工具機”。早在15世紀就已出現(xiàn)了早期的機床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認為是世界上第1臺真正意義上的機床，它解決了瓦特蒸汽機的氣缸加工問題。至18世紀，各種類型機床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機床、臥式銑床、滾齒機等，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 )機床在美國麻省理工學院問世，標志著機床數(shù)控時代的開始。數(shù)控機床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計算機實現(xiàn)，又稱為計算機數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置。

 數(shù)控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機床分為數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機、汽車、航空發(fā)動機等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機床被加工零件的材料不再限于金屬材料，礦物鑄件已擴展到復(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)控機床劃分為經(jīng)濟型、中檔(或普及型)和高檔三類。當前對高檔數(shù)控機床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認為：高檔數(shù)控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指標的數(shù)控機床。高檔數(shù)控機床是數(shù)控機床產(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)控機床進化史

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

圖1 工業(yè)化與機床進化史

而數(shù)控機床發(fā)展歷程，則經(jīng)歷了幾個重要拐點。

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

正是由于數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結(jié)合、“機(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學科交叉，因而其后數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)的重大進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)成計算單元，20 世紀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)字計算機，計算機在運算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進展，為數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展帶來第一個拐點——由基于分立元件的數(shù)字控制(NC)走向了計算機數(shù)字控制(CNC)，數(shù)控機床也開始進入實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

PC機的發(fā)展，給數(shù)控機床技術(shù)帶來了第二個拐點。礦物鑄件20世紀80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個人微型計算機(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化計算機數(shù)控。與此同時，開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)也應(yīng)運而生，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，高速機床、虛擬軸機床、復(fù)合加工機床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。

21世紀以來，數(shù)控機床的第三個拐點開始變得清晰起來。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)將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數(shù)控。