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惊回首——我国工业重器 机床的发展史

发布时间:2020年05月07日 来源:galio319 作者:galio319 浏览量:1,220

目前全球制造业正经历:从自动化和数字化制造,向协同和智能制造的进化,机床正是智能制造得以兑现的关键环节

数控机床或数字控制机床("computer numerical controlled" machines)机床是精密的金属加工工具,可以制造现代技术所需的复杂零件

回首国之重器——浅谈机床的历史演进

CNC

随着计算机的发展,计算机数控系统得到了迅速的发展,它可以作为车床、铣床、激光切割机、磨料射流切割机、冲床、压力机和其他工业工具,数控的术语是指一大群这些机器利用计算机逻辑控制运动和执行金属加工的机器

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运行中的机床

那我们较为常见的车床和铣床是如何发展的?这些不为人知的历史又藏着怎样的故事呢

“国之重器,工业之母”——机床的发展历史

尽管木材加工机床从圣经时代(历史学家观点为从公元前1250年算起)就开始使用,但第一实用的金属加工机床是亨利·莫兹莱(Henry Maudslay)在1800年发明的

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亨利·莫兹莱约于1797年和1800年著名的旋切车床的照片

这是一种简单的机床,它把被加工的材料或工件放在夹具或主轴中,并旋转它,使刀具能够将表面加工成所需的轮廓

操作人员通过曲柄和手轮操纵刀具,尺寸精度由操作员控制,操作员观察手轮上的刻度盘并将刀具移动适当的量,生产的每个零件都要求操作员按照相同的顺序和尺寸重复运动

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伦敦科学博物馆中展示的亨利·莫兹莱旋切车床

第一台铣床的操作方式几乎相同,只是把刀具放在了旋转轴上

工件被安装到机床或工作台上,并在刀具下移动,再次通过手轮来加工工件轮廓,这台早期的铣床是埃利·惠特尼(Eli Whitney)在1818年发明的

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埃利·惠特尼于1818年发明的铣床

机床的所有运动在X轴(左右)、Y轴(前后)、Z轴(上下)上进行,工作台也可以在水平或垂直平面内旋转,从而产生第四轴的运动

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X轴(左右)、Y轴(前后)、Z轴(上下)

另外一些机器有第五个轴,它允许主轴以一定角度转动

这些早期机器的一个问题是,它们要求操作员操纵手轮来制造每一个零件

这样的工作除了是一件单调的体力劳动外,操作者制造相同零件的能力也受到限制,因为在操作上的细微差别就会导致轴尺寸的变化,进而产生了不合适或不可用的部件,导致的救国就是操作的废品率很高,浪费了原材料和劳动时间

而随着生产数量的增加,每个操作员每天生产的可用零件数量开始变得不再经济,此时人工成本偏高的问题就需要一种自动操作机器运动的方法来解决

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19世纪50年代的铣床

早期尝试“自动化”这些操作时,使用了一系列凸轮,通过连杆移动工具或工作台,当凸轮旋转时,一个连杆跟随凸轮面的表面,通过一系列运动移动刀具或工件,凸轮面的形状控制联动运动量,凸轮转动的速度控制刀具的进给速度

这些早期的机器很难正确设置,但一旦设置好,它们就为当时的生产提供了很好的保障,同时保证了精确性,有些保留至今的早期机器被称为“瑞士”机床,这是精密加工的同义词

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瑞士车床

早期机床到现代机床的发展

现代数控机床设计源于20世纪40年代末50年代初约翰·T·帕森斯(John T. Parsons)的工作,二战后,帕森斯参与了直升机旋翼桨叶的制造,这就要求对复杂形状的桨叶进行精密加工

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约翰·T·帕森斯

帕森斯很快发现,通过使用早期的IBM计算机,他能够制作出比使用手动计算和布局更精确的轮廓线

基于这一经验,他赢得了一份空军合同,开发出一种“自动轮廓切割机”用于生产大型飞机机翼剖面件

因为其利用计算机读卡器和精确的伺服电机控制,所以他开发的机器庞大、复杂、昂贵,但贵的东西唯一的缺点就是贵,在生产上,它是自动工作的,并完全满足飞机工业生产零件时所要求的高精度

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机床与计算机的结合

到了20世纪60年代,自动化机器的价格和复杂性已经开始下降,也开始在其他行业中找到用武之地

这些机器使用直流电驱动马达来操纵手轮和操作工具,马达接受磁带读取器的电指令,读取器读取宽度约为2.5厘米的纸带,纸带上打有选定的一系列孔,孔的位置和顺序允许读取器产生必要的电脉冲

接着机床会以精确的时间和速度转动电机,这实际上就像操作员一样操作机器

这些脉冲是由一台当时没有“记忆”能力的简单计算机控制的,这些通常被称为“数控”(NC,即Numerical Controlled)或数控机床(Numerical Controlled machines)

程序员在一台类似打字机的机器上生产磁带,很像早期计算机中用作“程序”的旧“穿孔卡片”。程序的大小由生产特定部分所需读取的磁带英尺数决定

其实现在回看计算机最初是如何与生产机器相连的故事,这里仍然充满了争议,它说明了工业、院校和军队在20世纪是如何交织在一起的,而将许多创新归因于单个个人或机构是多么不切实际

航空制造中发展出来的机床——美国军方与机床的渊源

1947年,约翰·帕森斯在密歇根州特拉弗斯市经营一家航空制造公司,面对日益复杂的零件形状和所涉及的数学、工程问题,帕森斯截切需要寻找降低公司工程成本的方法

于是他把目光望向了IBM,他请求IBM公司允许他使用一台大型计算机对新的直升机叶片进行一系列计算

最终,帕森斯与IBM传奇总裁托马斯·J·沃森(Thomas J.Watson)达成协议,IBM将与帕森斯公司(Parsons Corporation)合作,创建一台由穿孔卡片控制的机器

随后,帕森斯向麻省理工学院伺服机械实验室的工程师寻求该项目的帮助,麻省理工学院的研究人员一直在试验各种类型的控制过程,并拥有二战时期空军项目的经验

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在麻省理工学院的伺服力学实验室建造的一台实验铣床

也因此,麻省理工学院的实验室将此视为将他们自己的研究扩展到控制和反馈机制的机会,计算机数控机床的成功开发随后由大学研究人员承担,以满足军事赞助商的需求

而现代数控机床通过读取存储在程序计算机存储器中的数千位信息来工作。为了将这些信息放入内存,程序员需要创建一系列机器可以理解的指令

程序可能由“代码”命令组成,例如“M03”命令指示控制器将主轴移动到新位置,或“G99”命令控制器从机器内部的某个过程读取辅助输入,代码命令是对数控机床进行编程的最常用方式

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车床的一些指令

然而,计算机的进步使机床制造商能够提供“对话式编程”,其中的指令更像是简单的文字

在对话式编程中,“M03”命令被简单地输入为“MOVE”,而“G99”命令被简单地输入为“READ”,这种类型的编程允许程序员更快地训练和更少地记忆代码含义(然而,需要注意的是,大多数会话机器仍然读取代码程序,因为行业非常依赖这种编程形式)

控制器还为程序员提供帮助,以加快机器的使用速度

例如,在某些机器中,程序员可以简单地键入特征的位置、直径和深度,计算机将选择在工件中生成特征的最佳加工方法

最新的设备可以采用计算机生成的工程模型;计算正确的刀具速度、进给量和路径;在不创建图形或程序的情况下生成零件

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工作中的车床

最后

机床作为关系重大的重要基础行业,自改革开放以来,我国机床行业经历着快速的发展,也呈现昂扬向上的姿态

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但是差距仍然存在,我们应该正视这种差距,眼下困难是希望的开始,梁启超曾说过“凡成事,将成功之时,其困难最甚。行百里者半九十,有志当世之务者,不可不戒,不可不勉“。


参考资料:

en.wikipedia.org

www.cncmanufacturing.com.au

ravimachines.com

www.britannica.com

www.lindahall.org

www.ssplprints.com

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