计算机与机械制造的结合有哪些重大影响?

就我自己的专业来说,计算机与机械制造相结合的一个典型范例就是数控机床

机床作为当前机械加工产业的主要设备,其技术发展已经成为国内机械加工产业的发展标志。数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”,一个国家的机床行业技术水平和产品质量,是衡量其装备制造业发展水平的重要标志。国际上把五轴联动数控机床等高档机床技术作为一个国家工业化的重要标志。[1]

第一台电子计算机于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)诞生。其最初研发动机是在二战背景下,应美国军方要求,制造一种以电子管代替继电器的“电子化”计算装置,用来计算炮弹弹道。

1952 年,Parsons公司与麻省理工学院(MIT)合作,结合基于电子计算机的数字控制系统(Numerical Control System)与辛辛那提公司( Cincinnati )的铣床,研发出第一台NC(Numerical Control)工作母机(又称“数字控制机床”),从此,传统机床产生了质的变化,标志着机床开始进入数控时代。[2]

1959年,麻省理工学院在美国军方赞助下与多家企业合作又开发出APT(Automatic Programming tools)[3],即一种高级计算机编程语言,用来生成数控机床的工作指令。现在最常见的一种是采用RS-274格式指令,通常称为“G代码”。[4]

经过计算机技术的不断发展,微处理器被应用到数字控制上,大幅提升功能,此类系统即称为计算机数字控制(CNC, Computer Numerical Control),应用此系统的机床也被称为CNC机床,即计算机数字控制机床,或简称为“数控机床”。

数控机床中的数字控制(Numerical Control)技术是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控机床是采用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing,IFIP)第五技术委员会,对数控机床的定义:数控机床是装有程序控制系统的机床。

该控制系统能逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令的程序,并将其译码,用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控系统。经过运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按要求自动将零件加工出来。


与传统机床相比,数控机床具有以下优点:

加工精度高,质量稳定。数控系统每输出一个脉冲,机床移动部件的位移量称为脉冲当量,数控机床的脉冲当量一般为0.001mm,高精度的数控机床可达0.0001mm,其运动分辨率远高于普通机床。另外,数控机床具有位置检测装置,可将移动部件实际位移量或丝杠、伺服电动机的转角反馈到数控系统,并进行补偿。因此,可获得比机床本身精度还高的加工精度。数控机床加工零件的质量由机床保证,无人为操作误差的影响,所以同一批零件的尺寸一致性好,质量稳定。
能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如,采用二轴联动或二轴以上联动的数控机床,可加工母线为曲线的旋转体曲面零件、凸轮零件和各种复杂空间曲面类零件。
生产效率高。数控机床的主轴转速和进给量范围比普通机床的范围大,良好的结构刚性允许数控机床采用大的切削用量,从而有效地节省了机动时间。对某些复杂零件的加工,如果采用带有自动换刀装置的数控加工中心,可实现在一次装夹下进行多工序的连续加工,减少了半成品的周转时间,生产率的提高更为明显。
对产品改型设计的适应性强。当被加工零件改型设计后,在数控机床上只需变换零件的加工程序,调整刀具参数等,就能实现对改型设计后零件的加工,生产准备周期大大缩短。因此,数控机床可以很快地从加工一种零件转换为加工另一种改型设计后的零件,这就为单件、小批量新试制产品的加工,为产品结构的频繁更新提供了极大的方便。
有利于制造技术向综合自动化方向发展。数控机床是机械加工自动化的基本设备,以数控机床为基础建立起来的FMC(Flexible Machine Center,柔性加工中心)、FMS(Flexible manufacturing system,柔性制造系统)[5]、CIMS(Computer-integrated manufacturing system,计算机集成制造系统)[6]等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。这是由于数控机床控制系统采用数字信息与标准化代码输入、并具有通信接口,容易实现数控机床之间的数据通信,最适宜计算机之间的联接,组成工业控制网络,实现自动化生产过程的计算、管理和控制。
监控功能强,具有故障诊断的能力。CNC系统不仅控制机床的运动,而且可对机床进行全面监控。例如,可对一些引起故障的因素提前报警,进行故障诊断等,极大地提高了检修的效率。
极大地减轻工人劳动强度、改善劳动条件。

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