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数控机床的进化和发展

机床(machine tools)是指用来制造机器的机器,又被称为“工作母机”或“工具机”。早在15世纪就已出现了早期的机床,1774年英国人威尔金森发明的一种炮筒镗床被认为是世界上第1台真正意义上的机床,它解决了瓦特蒸汽机的气缸加工问题。至18世纪,各种类型机床相继出现并快速发展,如螺纹车床、龙门式机床、卧式铣床、滚齿机等,为工业革命和建立现代工业奠定了制造工具的基础。1952年,世界上第1台数字控制(numerical control,NC)机床在美国麻省理工学院问世,标志着机床数控时代的开始。数控机床是一种装有数字控制系统(简称“数控系统”)的机床,数控系统包括数控装置和伺服装置两大部分,当前数控装置主要采用电子数字计算机实现,又称为计算机数控(computerized numerical control,CNC)装置。
数控机床可按加工工艺、运动方式、伺服控制方式、机床性能等进行分类。从加工对象(零件)表面形成工艺特点,传统上通常将数控机床分为数控金属切削机床、数控金属成形机床两大类。近年来,由于复杂产品(如飞机、汽车、航空发动机等)中新型材料应用日益增加,数控机床被加工零件的材料不再限于金属材料,已扩展到复合材料、陶瓷材料等非金属材料,而且加工工艺也包括了特种加工方法。此外,从功能和性能角度,又可将数控机床划分为经济型、中档(或普及型)和高档三类。当前对高档数控机床尚无明确、统一的定义,笔者认为:高档数控机床是具有高性能、智能化和高价值特征并达到相应功能及性能技术指标的数控机床。高档数控机床是数控机床产业技术水平和装备制造业竞争能力的典型代表。

数控机床进化史

机床作为“工作母机“,全程伴随了工业化的发展。18世纪的工业革命后,机床随着不同的工业时代发展而进化并呈现出各个时代的技术特点。如图1所示,对应于工业1.0~工业4.0时代,机床从机械驱动/手工操作(机床1.0)、电力驱动/数字控制(机床2.0)发展到计算机数字控制(机床3.0)并正在向赛博物理机床(Cyber-physical machine)/云解决方案(机床4.0)演化发展。

数控机床的进化和发展

图1工业化与机床进化史
而数控机床发展历程,则经历了几个重要拐点。
1952年世界第1台数控机床在美国麻省理工学院研制成功,这是制造技术的一次革命性跨越。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术,实现按照零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行,从此NC技术就使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。随后,为了解决NC程序编制的自动化问题,采用计算机代替手工的自动编程工具(APT)和方法成为关键技术,计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术也随之得到快速发展和普及应用。可以说,制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。
正是由于数控机床和数控技术在诞生伊始就具有的几大特点——数字控制思想和方法、“软(件)-硬(件)”相结合、“机(械)-电(子)-控(制)-信(息)”多学科交叉,因而其后数控机床和数控技术的重大进步就一直与电子技术和信息技术的发展直接关联(图2)。
最早的数控装置是采用电子真空管构成计算单元,20世纪40年代末晶体管发明,50年代末推出集成电路,至60年代初期出现了采用集成电路和大规模集成电路的电子数字计算机,计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展,为数控机床技术发展带来第一个拐点——由基于分立元件的数字控制(NC)走向了计算机数字控制(CNC),数控机床也开始进入实际工业生产应用。
PC机的发展,给数控机床技术带来了第二个拐点。20世纪80年代IBM公司推出采用16位微处理器的个人微型计算机(personal computer,PC),使得过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件),走向了通用的PC化计算机数控。与此同时,开放式结构的CNC系统也应运而生,推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展,在此基础上,高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用。

21世纪以来,数控机床的第三个拐点开始变得清晰起来。智能化数控技术也开始萌芽,当前随着新一代信息技术和新一代人工智能技术的发展,智能传感、物联网、大数据、数字孪生、赛博物理系统、云计算和人工智能等新技术与数控技术深度结合,数控技术将迎来一个新的拐点甚至可能是新跨越——走向赛博物理融合的新一代智能数控。

数控机床的进化和发展

图2数控机床发展历程及重要拐点
 

在这个过程中,机床的加工效率和加工精度,得到了不断的进展。先进制造技术的不断进步及应用大大缩短了加工时间,提高了加工效率,图7a是被广为引用的一个曲线图,表示了先进制造技术发展与加工时间(效率)的进展情况。从发展趋势来看,一方面,从1960年到2020年,制造生产中总的加工时间(包括切削时间、辅助时间和准备时间)减少到原加工时间的16%,即加工效率显著提升;另一方面,“切削时间、辅助时间、准备时间”这三者之间的占比也逐渐趋向一致,因此,未来提高加工效率,不仅要着眼于工艺方法优化改进和提高自动化程度,还需要从生产管理的数字化、网络化和智能化的角度,有效缩短待工时间。图7b是20世纪80年代Taniguchi(谷口)给出的至2020年不同机床可达到的加工精度预测(图中2000年到2020年的精度提升虚线为笔者所加),可以看到,各种加工工艺方法和机床(或装备)技术的发展带来了加工精度的持续提高,但机械加工领域不同于集成电路制造领域,没有短周期可见效的摩尔定律(IC上可容纳的晶体管数目每18~24个月增加1倍),其精度提升是一个长时间技术累积和不断迭代的过程(例如:精密加工提高1个精度数量级的时间超过20年)。

数控机床的进化和发展

图3加工效率和加工精度的进展

数控机床技术发展趋势

在未来主要发展趋势方面,笔者认为,数控机床技术呈现出高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化的发展趋势,即:

(1)高性能。数控机床发展过程中,一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生产效率和可靠性。未来数控机床将通过进一步优化的整机结构、先进的控制系统和高效的数学算法等,实现复杂曲线曲面的高速高精直接插补和高动态响应的伺服控制;通过数字化虚拟仿真、优化的静动态刚度设计、热稳定性控制、在线动态补偿等技术大幅度提高可靠性和精度保持性。

(2)多功能。从不同切削加工工艺复合(如车铣、铣磨)向不同成形方法的组合(如增材制造、减材制造和等材制造等成形方法的组合或混合),数控机床与机器人“机-机”融合与协同等方向发展;从“CAD-CAM-CNC”的传统串行工艺链向基于3D实体模型的“CAD+CAM+CNC集成”一步式加工方向发展;从“机-机”互联的网络化,向“人-机-物”互联、边缘/云计算支持的加工大数据处理方向发展。

(3)定制化。根据用户需求,在机床结构、系统配置、专业编程、切削刀具、在机测量等方面提供定制化开发,在加工工艺、切削参数、故障诊断、运行维护等方面提供定制化服务。模块化设计、可重构配置、网络化协同、软件定义制造、可移动制造等技术将为实现定制化提供技术支撑。

(4)智能化。通过传感器和标准通信接口,感知和获取机床状态和加工过程的信号及数据,通过变换处理、建模分析和数据挖掘对加工过程进行学习,形成支持最优决策的信息和指令,实现对机床及加工过程的监测、预报和控制,满足优质、高效、柔性和自适应加工的要求。“感知、互联、学习、决策、自适应”将成为数控机床智能化的主要功能特征,加工大数据、工业物联、数字孪生、边缘计算/云计算、深度学习等将有力助推未来智能机床技术的发展与进步。

(5)绿色化。技术面向未来可持续发展的需求,具有生态友好的设计、轻量化的结构、节能环保的制造、最优化能效管理、清洁切削技术、宜人化人机接口和产品全生命周期绿色化服务等。

切削机床是利用刀具或磨具通过机械能作用于工件,实现材料去除的各种工艺(如车削、铣削、镗削、钻削、磨削等),其本质问题可以归结为两点,一是用什么能量去除材料?二是如何控制能量使用?如本文开篇所述,机床1.0是以蒸汽动力直接给机床提供机械能以实现各种切削工艺,控制方式是手动控制;机床2.0将电能转换为机械能以驱动机床,并带来数字控制机床的出现,控制方式是自动控制;机床3.0则是计算机和信息技术带来的计算机数控机床,它改变了机床控制方式和生产组织方式,使其数字化、网络化。

展望未来,机床4.0将面临新的革命性变化,表现在一是材料去除过程直接所用的能量由以机械能为主变化为机械能、电能、光能、化学能等多种能场及其组合。二是能量使用的控制方式,一方面智能化控制是未来机床近期发展的最主要特征和趋势,它使得机床更高(精度)、更快(效率)、更强(功能)、更省(绿色);另一方面,即将出现的量子计算和量子计算机,就如同当年电子计算机给数控机床带来革命性跨越一样,重新定义一代数控机床,催生出全新原理和全新概念的数控机床和生产过程。

机床作为工作母机,多年来为工业革命和现代工业发展提供了制造工具和方法;未来工业发展和人类文明进步,仍然离不开数控机床的支撑和促进。展望未来,新的一轮工业革命给数控机床的发展带来新的挑战和机遇,先进制造技术与新一代信息技术及新一代人工智能融合,也给数控机床的技术创新、产品换代和产业升级提供了技术支撑,数控机床将走向高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化,并拥抱未来的量子计算新技术,为新的工业革命和人类文明进步提供更强大、更便利和更有效的制造工具。

 
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