第1章　概论

1.1　数控机床的产生与发展

数控技术简称数控（Numerical Control，NC），即采用数字控制机器的技术。而数控机床（Numerical Control Machine Tools），就是采用数字控制技术的机械加工机床，具体地说，就是利用计算机，通过数字化信息（数控指令）来自动完成机床各个坐标轴的协调运动，准确地控制机床运动部件的速度和位移量，按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作。

1.1.1　数控机床的产生

第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。经过三年的紧张工作，第一台电子计算机终于在1946年2 月14日问世，这台电子计算机采用电子管元件，重30t，占地面积167m2，功率150kW。

电子计算机的出现极大地推动了自动控制、信息处理等技术的发展，也催生了采用数字控制技术用于机械加工的思想。

1948年，美国北密歇根州的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司（Parsons Corporation）接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以胜任，他们便利用电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并据此提出了计算机控制机床加工的设想。

1949年，帕森斯公司与美国麻省理工学院伺服机构研究室联合开始数控机床研究。1952年，美国麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性数控系统，成功地实现了同时控制3轴的运动，世界上第一台数控机床就此诞生，如图1-1所示。

1954年11月，在帕森斯公司专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国的本迪克斯公司（Bendix-Corporation）生产出来。

数控机床的出现是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。

1.1.2　数控机床的发展

数控机床的发展过程主要是数控系统和机床结构功能的发展过程。

（1）数控系统的发展

数控系统的发展主要体现在电子元器件技术的发展上。从1952年第一台数控机床诞生至今，纵观数控机床半个多世纪的发展，其数控系统共经历了两个阶段六代的发展。

第一代数控机床的数控系统采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只有航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件。

1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入了第二代，使数控系统体积缩小，成本有所下降。1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。

1965年，出现了第三代的小规模集成电路数控系统，不仅体积小，而且功率消耗少，使数控系统的可靠性得到进一步提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展，从而使数控系统的发展进入到第三代。

以上三代的NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，因此又称为硬件数控。它的特点是具有很多硬件电路和连接节点，电路复杂，可靠性不好，这是数控系统发展的第一阶段。

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（Direct Numerical Control，DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC），使数控系统进入了以小型计算机化为特征的第四代。

1970年前后，美国英特尔公司开发了超大规模集成电路的微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统和数控机床。在20多年中，微处理器数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控（Microcomputer Numberical Control，MNC）。后来，人们将MNC也统称为CNC。第五代与第三代相比，数控系统的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。

20世纪90年代以来，随着微电子技术、计算机技术的发展，以个人计算机（Personal Computer，PC）技术为基础的CNC逐步发展成为世界的主流，它是自有数控技术以来最有深远意义的一次飞跃。以PC为基础的CNC通常是指运动控制板或整个CNC单元（包括集成的PLC）插入到PC标准插槽中，使用标准的硬件平台和操作系统，这就是第六代数控机床。

后三代是数控系统发展的第二阶段，其数控系统主要由计算机硬件和软件组成，也称为计算机数控（CNC）。其最大特点是利用存储在存储器里的软件控制系统工作，这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。

（2）数控机床结构功能的发展

从1952年出现第一台数控机床开始，伴随着数控系统的发展，人们对数控机床结构和功能的探索发展就没有停止过。

1959年3月，由美国克耐·杜列克公司（KeaneY & Trecker Corp）发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（Machine Center，MC）。

1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）。它是由若干台数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成，并能根据制造任务和产品品种的变化而迅速进行调整的自动化制造系统，也是为了解决多品种、中小批量生产中效率低、周期长、成本高、质量差等问题而出现的高技术制造系统。大批量生产时，一般采用较大规模的“柔性加工系统”，即柔性生产线。

1980年以后，国际上出现了1台或2～3台加工中心或车削中心为主体，再配合工件自动装卸和监控检验装置，构成柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC），把若干FMC和FMS连接起来，配上无人自动物料运送车，加上辅助机器人装卸工件和自动检验装置，并由总的中央计算机统一管理，就构成了计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。

传统机床的布局属于串联机构，其特点是工作范围大、灵活性好、精度低、刚性差。为提高刚性，不得不增加床身和导轨的结构尺寸，由此导致运动范围和灵活性降低。为解决这一矛盾，20世纪90年代提出了并联机床（Parallel Machine Tools，PMT）的概念，又称并联结构机床（Parallel Structured Machine Tools，PSMT）、虚拟轴机床（Virtual Axis Machine Tools，VAMT），国际上一般称为并行运动学机（Parallel Kinematic Machine，PKM），也曾被称为六条腿机床、六足虫（Hexapods）。

并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动的加工、装配和测量等多种功能，更能满足异形复杂零件的加工。其自1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。图1-2为传统机床与并联机床的结构对比。

进入21世纪，数控机床迎来了一个蓬勃发展的新时期，随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大和发展，以更适应社会发展和生产加工的需要，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等成为数控机床的发展趋势。

（3）我国数控机床发展概况

我国数控机床的发展起步于20世纪50年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。

20世纪50年代末到60年代初，我国NC机床处于研制、开发时期，图1-3所示为我国1958年试制成功的第一台电子管数控机床。当时，我国的一些高等院校、科研单位都投入了人力、物力从事数控机床的研制工作。

1959年，随着晶体管的发明，开始研制晶体管数控装置。70年代初，研制数控铣床、非圆数控齿轮插齿机，在生产中产生了明显的经济效益。而后数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电火花、线切割等领域的应用全面展开，数控加工中心也相继在上海、北京研制成功。

70年代初期，国产数控机床由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控装置的稳定性、可靠性问题未得到解决。另外，其售价也贵，因此未能广泛推广。

80年代以后，随着实行改革开放，打开国门，我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置及伺服系统的技术，并消化吸收，开始批量生产。

这些数控装置稳定性好、可靠性高，数控机床很快在国内为客户所接受，推动了我国数控机床的稳定发展，使我国的数控机床在质量性能及水平上有了一个质的飞跃。

1985年，我国数控机床品种也有了新的发展，除各类数控线切割机床外，其他类型的各种数控金属切削机床都有极大发展，新品种总计45种。1989年年底，我国数控机床的品种已经超过了300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%。

目前我国在数控机床发展中依然处于低档迅速膨胀、中档进展缓慢、高档依赖进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控装置生产应用推广不力及数控人才缺乏等。

2009年，我国在高档数控机床上又有了新的突破。北京第一机床厂研制的XKA28105300数控桥式动梁龙门铣床，机床总宽22m，高度15m，总长39m，总重约900t。龙门最大通过宽度达10.5m，可完成复杂曲面的5坐标联动加工和车铣复合加工，是目前国内龙门通过宽度最大的超重型数控龙门移动式动梁5轴联动车铣复合机床，也是目前世界最大规格的龙门机床之一。