1.2 数控技术的发展

1.2.1 数控技术的发展历史

从20世纪50年代以来，数控技术的发展已经走过了一段较长的发展历程，尤其是数控技术的应用促进了金属工业的发展。近年来，随着汽车工业、航空工业等精密工业的发展，数控技术更是扮演了重要的角色。整个数控技术的发展历史归纳如下：

1.数控阶段（NC阶段）

1）1949年，美国Parson公司与麻省理工学院合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，命名为“Numerical Control”。

2）1953年，麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓和指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。

3）1959年，美国Keaney&Trecker公司成功开发了带刀库、能自动进行换刀的数控机床，称为加工中心（Machining Center，简称MC），使数控系统进入了第二代。

4）1965年，出现了第三代的集成电路数控装置。它不仅体积小，功率消耗少，且可靠性得到提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。

2.计算机数控阶段（CNC阶段）

1）20世纪60年代末，出现了采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代数控系统时代。此后还出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统。

2）1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC，Micro CPU NC），这是第五代数控系统。

3）20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置。数控装置越来越趋小型化，可以直接安装在机床上。数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

4）20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC为控制系统的硬件部分，在PC上安装NC软件系统。此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。数控系统进入了基于PC时代。

1.2.2 数控技术的发展方向

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应、模糊系统和神经网络等控制机理，数控系统的控制性能不断得到增强。新一代数控系统技术水平的提升，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

1.性能发展方向

（1）高速高精高效化

速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，使机床的速度、精度和效率大大提高。

（2）柔性化

柔性化包含两个方面：一是指数控系统本身的柔性。数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可剪裁性强，便于满足不同用户的需求；二是群控系统的柔性。同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

（3）工艺复合性和多轴化

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

（4）实时智能化

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合。人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。

2.功能发展方向

（1）用户界面图形化

用户界面是数控系统与使用者之间的对接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，使用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，使人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

（2）科学计算可视化

科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理与显示，以及加工过程的可视化仿真演示等。

（3）插补和补偿方式多样化

多种插补方式，如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补（A、B、C样条）、多项式插补等。多种补偿功能，如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

3.体系结构发展方向

（1）集成化

采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程序集成电路FPGA、EPLD、CPLD，以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用（FPD，Flat Panel Display）平板显示技术，可提高显示器性能。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。

（2）模块化

根据不同功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通信等模块，制成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

（3）网络化

机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。