数控技术的发展历程

数控技术，简称数控（numerical control），是采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。1948年，美国空军提出研制直升机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备，由于样板形状复杂，精度要求高，提出了采用数字脉冲控制机床的想法。1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司合作研发的采用电子管元件的第一台三坐标数控铣床试制成功。1959年，采用晶体管元件和印刷电路板的数控装置出现，同时出现了自动换刀装置，加工中心（machining center）由此出现。20世纪60年代末至70年代中，采用小型计算机控制的计算机数控（computerized numerical control，CNC）系统以及使用微处理器和半导体存储器的微型计算机数控系统相继出现。从20世纪80年代开始，人机对话式自动编程技术和PC+CNC系统相继出现，极大促进了数控加工技术的发展与应用。现在，数控技术也叫计算机数控技术，它是采用计算机实现数字程序控制的技术，可以通过计算机软件方便地实现数据的存储、处理、运算、逻辑判断等各种复杂功能［1，2］。

一般情况下，当根据零件的理论模型编制完数控加工程序后，数控机床会按照规划的加工轨迹运动，理想情况下可以得到合格的加工零件。然而，加工过程中经常出现一些产品质量不合格的问题，例如：采用同样的数控加工程序和装备但得到了不同的加工质量或产品质量不稳定，几何上检测合格的零件并不能达到服役性能的要求。实际上，数控加工过程并非一直处于理想状态，伴随着材料去除会出现多种复杂的物理现象，如机床运动误差、热变形、弹性变形以及系统振动等。这些现象的存在导致实际的加工过程与零件的理想加工状态存在差异并影响了最终加工质量。在以往的研究与实际生产中，通常只注重数控机床或者加工过程本身，缺乏对机床与加工过程交互作用机理的综合理解。而这种交互作用又经常产生难以预知的效果，大大增加了加工过程控制的难度［3］。实际生产中，对于结构较为简单、精度要求不高且壁厚较大的零件，上述影响并不明显。对于结构复杂且壁厚较小的零件，目前主要还是通过一线有经验的工人进行加工过程及产品质量的控制。

然而，航空发动机等复杂装备上零组件的结构越来越复杂，这类产品的加工质量对其服役性能的影响也十分显著。例如，航空发动机压气机叶片的加工精度对其气动性能有直接影响，工件表面的应力状态与表面微结构对其疲劳寿命有决定性作用。这对复杂零部件加工过程品质稳定性及加工质量一致性提出了更高的要求。因此，传统的只针对加工结果进行检测、评估和只考虑几何加工精度的质量保障方法并不能满足新一代高端装备对加工品质的要求［4］。

加工过程中，刀具切削材料产生力、热等加工负载［5］，加工装备在负载的作用下产生振动、变形等响应，这些响应反过来又影响加工过程与表面质量，从而形成了复杂的加工工艺系统。这一工艺系统结构高度复杂，且是非线性的，难以准确建模［6］。同时，加工过程中存在大量非确定性、随机性因素，导致对加工过程的响应与加工品质的预测更加困难［7］。例如，在航空发动机高温合金等难加工材料切削过程中，在剧烈的力热耦合作用下，刀具快速磨损［8］，一把刀具加工几十分钟就可能需要更换［9］，如图1.1所示。然而，由于刀具磨损本身存在随机性，无法实现准确的刀具磨损值预测，只能根据经验值提前换刀。这种方法造成的后果是，刀具得不到有效利用从而造成刀具成本过高，以及材料的非均匀性和性能波动造成刀具提前损坏并破坏加工表面。(www.xing528.com)

图1.1　航空镍基高温合金铣削中的刀具磨损［9］

综上所述，传统的加工技术状态已与高端装备零部件的制造品质要求不相适应，而加工工艺系统的复杂性又与这类产品加工过程的高一致性和高品质要求相互矛盾。要解决上述问题，必须变革传统的理念，将机床与加工过程一起考虑，对其交互作用进行建模与仿真，进而优化加工过程，改进加工系统设计，减少加工过程中的缺陷［4］。同时，借助先进的传感器技术和其他相关技术装备数控机床，对加工过程中的工况进行及时感知和预测，对加工过程中的参数与加工状态进行评估和调整，达到经济、有效提升形状精度与表面质量的目的［10］。因此，急需突破现有加工技术的瓶颈，发展新一代的加工技术，满足重大装备发展的需要。

近年来，随着传感与监测技术、计算技术、数据处理及人工智能技术的发展，采用新的技术解决复杂工艺系统准确建模、加工过程系统响应准确预测与控制等问题成为可能。这些新兴技术与加工过程的结合也促进了智能加工这一新一代加工技术的发展。