樂偉偉

摘 要：數(shù)控機(jī)床是技術(shù)密集的現(xiàn)代制造裝備，是組成制造系統(tǒng)的基本單元。近年來，隨著數(shù)控機(jī)床、特別是中高檔數(shù)控機(jī)床功能的不斷增強(qiáng)，先進(jìn)功能的維持能力--可靠性問題越加重要。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的功能與國(guó)際先進(jìn)水平的差距不斷減小，但可靠性技術(shù)落后，差距明顯，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸，同時(shí)也引起了行業(yè)和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。本文闡述了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，為相關(guān)專業(yè)科研人員研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；機(jī)床；發(fā)展歷程；

國(guó)際信息處理聯(lián)盟（IFIP）對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能夠邏輯的處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序，定義中的控制系統(tǒng)即是數(shù)控系統(tǒng)。

1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程

電子技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的行業(yè)發(fā)展。隨著電子技術(shù)的不斷更新，數(shù)控機(jī)床也發(fā)生著日新月異的變化，但是可靠性一直是困擾數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要問題之一。1952年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院為研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓，成功試制了世界上第一臺(tái)電子管三坐標(biāo)數(shù)控銑床。自此，制造領(lǐng)域數(shù)控加工的時(shí)代拉開了帷幕。

在數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期，機(jī)床主要控制單元是由大量電子管組成，而其電子管元件體積龐大，功耗較高，價(jià)格昂貴，可靠性差，除了在軍工、航空部門使用，幾乎沒有在其他行業(yè)應(yīng)用。

上世紀(jì)50年代末期，晶體管和印刷電路板的出現(xiàn)，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代（即點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床），體積縮小，成本下降，使數(shù)控機(jī)床開始在民用機(jī)械制造業(yè)初步推廣。此時(shí)的數(shù)控機(jī)床只能進(jìn)行簡(jiǎn)易的加工，可靠性還有待提高。

1965年，集成電路代替了晶體管和印刷電路板，標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了第三代，體積小、耗能低，性價(jià)比高，同時(shí)，可靠性較以往產(chǎn)品有所提高，這也促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。值得一提的是，在這一時(shí)期還成功開發(fā)了世界上第一臺(tái)加工中心，這是數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的重大發(fā)展，使加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件成為可能，截止到目前為止，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的加工中心產(chǎn)量幾乎占據(jù)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量的四分之一。

1974年，大規(guī)模集成電路技術(shù)將微處理器（CPU）直接用于數(shù)控系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，芯片的高度集成，將數(shù)控機(jī)床的從硬件控制帶入了計(jì)算機(jī)控制的時(shí)代。計(jì)算速度的提高，推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，也擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床的功能，體積則縮小為原來的1/20，價(jià)格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。70年代后期，在數(shù)控加工中心的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了五面體加工中心，提高了復(fù)雜型面零件的加工精度，減少了切削準(zhǔn)備時(shí)間和測(cè)量時(shí)間。

80年代初，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)對(duì)話自動(dòng)編程的數(shù)控系統(tǒng)，出現(xiàn)了柔性制造單元（FMC），它和柔性制造系統(tǒng)組成了最初計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS使以信息技術(shù)為核心的集成制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了作用。數(shù)控裝置的體積縮小到直接可以安裝在機(jī)床是，自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，使機(jī)床具有了自動(dòng)監(jiān)控自動(dòng)檢測(cè)等功能，作為數(shù)控機(jī)床的指揮中心——數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由70年代的大于3000h，提高到90年代初的大于30000h。

90年代至今，敏捷化制造系統(tǒng)作為機(jī)械加工裝備的主體，為實(shí)現(xiàn)以虛擬技術(shù)為核心的數(shù)字制造技術(shù)成為可能。以數(shù)字化為特征的數(shù)控機(jī)床成為柔性化制造系統(tǒng)和敏捷化制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，正朝著高精化、高效化、智能化、柔性化、復(fù)合化的趨勢(shì)發(fā)展。

六桿數(shù)控機(jī)床（即虛擬軸機(jī)床）是20世紀(jì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大突破。個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)所操控的數(shù)控系統(tǒng)大大增加了控制軸的數(shù)量，而且，數(shù)控功能不止控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床動(dòng)作，還能完成自動(dòng)編程、檢測(cè)、故障診斷與通訊等多種功能。而在進(jìn)入了日本遠(yuǎn)洲株式會(huì)社在2002年便提出為汽車行業(yè)提供的加工中心目標(biāo)是MTBF達(dá)到5000小時(shí)以上。

21世紀(jì)以后，各企業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性要求則是已經(jīng)上升到具體目標(biāo)的階段，如縱觀數(shù)控機(jī)床60多年的歷史，除了數(shù)控裝置的快速發(fā)展，高性能功能部件的研發(fā)及專業(yè)生產(chǎn)，也成為了數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步和品質(zhì)提升的重要條件之一。電主軸、雙擺主軸頭、數(shù)控動(dòng)力刀架、快速換刀裝置等功能部件的出現(xiàn)，不僅縮短了機(jī)床開發(fā)周期，降低制造成本，還將促進(jìn)數(shù)控機(jī)床復(fù)合化加工的擴(kuò)展，推動(dòng)新一代可重構(gòu)機(jī)床的出現(xiàn)。但是，相比數(shù)控系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)件的可靠性則較低。

2數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)床工業(yè)強(qiáng)，則國(guó)家強(qiáng)，反之則弱。美國(guó)、德國(guó)和日本，作為當(dāng)今世界制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的同時(shí)，也同時(shí)擁有最尖端的數(shù)控機(jī)床技術(shù)。他們憑借優(yōu)厚的研發(fā)實(shí)力，嚴(yán)格的質(zhì)量控制，精湛的產(chǎn)品品質(zhì)，使本國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品一直引領(lǐng)著該行業(yè)的發(fā)展。領(lǐng)先的數(shù)控機(jī)床水平，使這些國(guó)家的不管是軍事產(chǎn)品，還是民用產(chǎn)品都處于世界領(lǐng)先地位。尤其是日本，數(shù)控機(jī)床行業(yè)經(jīng)歷了僅僅十幾年時(shí)間，從起步到迅猛發(fā)展，從1978年到2008年，一直以高可靠性和高性價(jià)比的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)占據(jù)著數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量世界第一的位置。

中國(guó)機(jī)床工業(yè)是伴隨著新中國(guó)的成立而起步的，經(jīng)歷了整整六十一年。1958年，我國(guó)初步開展了數(shù)控機(jī)床的開發(fā)與研制工作。自1980年改革開放以后，機(jī)床工業(yè)大量引進(jìn)、消化和吸收了日德美先進(jìn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在技術(shù)上、產(chǎn)量上得到迅猛發(fā)展和進(jìn)步。特別是2001年以后，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量穩(wěn)步上升，截止到2010年，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到22.39萬臺(tái)，與2001年1.75萬臺(tái)的產(chǎn)量相比，增長(zhǎng)了將近13倍。即使在2008年，我國(guó)機(jī)床行業(yè)產(chǎn)量在一定程度上受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，可在隨后的2年，生產(chǎn)量卻奮起直追，尤其是在2010年，同比增長(zhǎng)55.39%，使生產(chǎn)總量一躍成為世界第一。

雖然近30年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量上有較大提高，但是由于自主研發(fā)能力相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，并未深入系統(tǒng)的科研工作，沒有充分掌握國(guó)外數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，長(zhǎng)期仿制的工作模式，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平形成了鮮明的對(duì)比。而國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性與國(guó)外相比明顯偏低，一度造成了中國(guó)機(jī)床的口碑較差的尷尬局面。從2009-2010年世界各國(guó)機(jī)床的進(jìn)出口數(shù)據(jù)以及美國(guó)GardnerPublication公司的調(diào)查報(bào)告可以看出，德國(guó)和日本是機(jī)床出口大國(guó)，并且以高精尖高檔數(shù)控機(jī)床為主；同時(shí)，國(guó)外機(jī)床大國(guó)新生產(chǎn)的機(jī)床有35%銷往中國(guó)fall。而我國(guó)雖然有大量的機(jī)床消費(fèi)量，但是，進(jìn)口量占較大比例，即高檔數(shù)控機(jī)床還是依賴與進(jìn)口。究其根本原因，數(shù)控機(jī)床可靠性是造成該問題的主要因素。因此，為了改善中國(guó)機(jī)床所面臨的難題，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高產(chǎn)品可靠性已刻不容緩。

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