機(jī)床的原型
人之所以從猿猴進(jìn)化，靠的就是咱們這雙手，不過光靠手也不行，所以必須得有工具來進(jìn)行協(xié)助。想想人類的祖先還真是聰明，為了更方便的用工具進(jìn)行加工，機(jī)床最早原型的樹木車床就這樣誕生啦，大概距今二千多年前吧。
作為原型來說還是比較粗糙，大家看圖就知道了。操作的時(shí)候用腳踩住繩子下方套圈，利用樹枝的韌性把工件帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用石片或者貝殼等物作為刀具，將刀具沿著橫條對(duì)物品進(jìn)行切割的操作。
十三世紀(jì)，機(jī)床原型也在發(fā)展，你總不能老是掛樹上吧，這時(shí)候就有用腳踏板旋轉(zhuǎn)曲軸并帶動(dòng)飛輪，再傳動(dòng)到主軸使其旋轉(zhuǎn)的“腳踏車床”，也稱之為彈性桿棒車床，不過除了刀具是真用金屬外，操作原理還是跟原先一模一樣的。
這時(shí)候只要腳踩踏板就行了，注意頭上的木條，靠它上下帶來動(dòng)力
說了歐洲的再來說說咱中國(guó)。同一時(shí)期的明朝出版了一本奇書叫《天工開物》，記載了明朝中古及以前的各項(xiàng)技術(shù)，看過就能知道什么叫“古人的智慧”，可以看一下。
這本書里也記載了磨床的結(jié)構(gòu)，這里利用了類似歐洲中世紀(jì)腳踏機(jī)床的原理，用腳踏的方法使金屬盤旋轉(zhuǎn)，配合沙子和水來加工玉石。
《天工開物》中的磨床結(jié)構(gòu)
用扎砣來切割玉石，你看那熟悉的腳踏板，一樣已經(jīng)可以替換的扎砣(刀具)。
《開工天物》“扎砣圖”
你看右邊桌上的沖砣，大小型號(hào)一應(yīng)俱全，看玉料的大小來選擇合適的工具。
《開工天物》“沖砣圖”
這個(gè)就類似于現(xiàn)代加工中的鏜削。然后用特別的砣一點(diǎn)一點(diǎn)地把內(nèi)部的玉磨掉，想想古代的工匠還真是干的有挑戰(zhàn)性。
咱們?cè)侔涯抗夥诺綒W洲，一個(gè)叫貝松的法國(guó)人設(shè)計(jì)出了一種通過過螺絲桿使刀具滑動(dòng)的用來車螺絲的車床，刀具終于不再是固定在一個(gè)位置的了，看介紹說是并沒有推廣使用，不知為何。
貝松車床的設(shè)計(jì)稿，已經(jīng)有點(diǎn)現(xiàn)代機(jī)床的樣子了
這個(gè)階段的機(jī)床原型就介紹完了，可以看出雖然原型在不斷發(fā)展，但是動(dòng)力來源還是沒有脫離最初的樹木車床，持續(xù)不斷的動(dòng)力還真的是很大問題，畢竟咱們?nèi)嗽賲柡€是會(huì)疲勞的。
蒸汽機(jī)與機(jī)床
讓我們先來看這張圖，每個(gè)當(dāng)過學(xué)生的肯定都會(huì)有些印象，讓我們來回顧一下這個(gè)故事。
童年時(shí)代的瓦特和茶壺的故事 一天晚上，瓦特和一個(gè)小女孩在家里喝茶。瓦特不停地?cái)[弄茶壺蓋，一會(huì)兒打開，一會(huì)兒蓋上，當(dāng)他把茶壺嘴堵住時(shí)，蒸汽頂開了茶蓋。在旁的外祖母對(duì)瓦特的這種無聊動(dòng)作極為不滿，加以訓(xùn)斥。瓦特并不介意，他一心想著蒸汽的力量，從此萌發(fā)制造蒸汽機(jī)的念頭。
小學(xué)課文《瓦特與蒸汽機(jī)》配圖
當(dāng)然歷史絕非這樣簡(jiǎn)單。瓦特是吸收前人的成果和他個(gè)人艱苦努力，改良了蒸汽機(jī)的各種部件，使得動(dòng)力效率得到提升。瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)的故事并非那么戲劇化，但是精彩程度卻遠(yuǎn)超這個(gè)童話故事。
1763年，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)雇用了一名叫瓦特的技術(shù)員，他的任務(wù)就是維護(hù)，更像是修理學(xué)校的一臺(tái)紐科門蒸汽機(jī)，一條濕漉漉的繩子把各個(gè)部件捆在一起，它總是壞。
紐科門蒸汽機(jī)就是瓦特蒸汽機(jī)的前身，瓦特在紐科門的設(shè)計(jì)上對(duì)汽缸部分進(jìn)行了改進(jìn)，但是研發(fā)屢次失敗的一個(gè)主要原因，是手工錘打的錫制汽缸總是漏氣。
詹姆斯·瓦特，蒸汽機(jī)發(fā)明者之一
這個(gè)時(shí)候，威爾金森的出現(xiàn)對(duì)瓦爾改良蒸汽機(jī)起到了巨大的作用。當(dāng)瓦特還在為自己那3/8英寸厚的真正汽缸驕傲的時(shí)候，威爾金森已經(jīng)擁有了自己的車床。
作為一位鋼鐵大師，1774年威爾金森發(fā)明了炮筒鏜床，這是世界上第一臺(tái)真正意義上的鏜床。
威爾金森發(fā)明的炮筒鏜床，最初用來鑄造軍火
1775年，威爾金森用這臺(tái)炮筒鏜床鏜出的汽缸，重新制造了瓦特那漏洞百出的汽缸，滿足了瓦特蒸汽機(jī)的要求。當(dāng)然作為商人的威爾金森也獲得了瓦特蒸汽機(jī)汽缸的獨(dú)家供應(yīng)權(quán)。
為了鏜制更大的汽缸，他又于同年制造了一臺(tái)水輪驅(qū)動(dòng)的汽缸鏜床，促進(jìn)了蒸汽機(jī)的發(fā)展。從此，機(jī)床開始用蒸汽機(jī)通過曲軸驅(qū)動(dòng)，對(duì)于機(jī)床和蒸汽機(jī)而言這，互相協(xié)助促進(jìn)了共同的發(fā)展，一個(gè)轟轟烈烈的工業(yè)革命時(shí)代走向了極致。
威爾金森為鍛造更大汽缸制作的汽缸鏜床
安裝了汽缸鏜床制作的汽缸所改良的瓦特蒸汽機(jī)
工業(yè)革命時(shí)期的機(jī)床發(fā)明
莫茲利這個(gè)名字和機(jī)床自然是分不開的，1797年機(jī)床工業(yè)之父制成了第一臺(tái)螺紋切削車床，它帶有絲桿和光桿，采用滑動(dòng)刀架——莫氏刀架和導(dǎo)軌，可車削不同螺距的螺紋。
此后，莫茲利又不斷地對(duì)車床加以改進(jìn)。他在1800年制造的車床，用堅(jiān)實(shí)的鑄鐵床身代替了三角鐵棒機(jī)架，用惰輪配合交換齒輪對(duì)，代替了更換不同螺距的絲杠來車削不同螺距的螺紋。這是現(xiàn)代車床的原型，對(duì)英國(guó)工業(yè)革命具有重要意義。
莫茲利1800車床
時(shí)間轉(zhuǎn)到19世紀(jì)，由于各行業(yè)的發(fā)展，需要應(yīng)用于不同類型的機(jī)床相機(jī)出現(xiàn)。1817年，羅伯茨發(fā)明了龍門車床，而來自美國(guó)的惠特尼制造出了臥式銑床，這兩種機(jī)床刻意分別應(yīng)用于不同行業(yè)的零件制造需求，隨著工業(yè)革命的發(fā)展機(jī)床也在不斷發(fā)展中。
羅伯茨龍門車床
惠特尼臥式銑床
十九世紀(jì)最優(yōu)秀的機(jī)械技師應(yīng)數(shù)惠特沃斯，他于1834年制成了測(cè)長(zhǎng)機(jī)，該測(cè)長(zhǎng)機(jī)可以測(cè)量出長(zhǎng)度誤差萬分之一英寸左右。1835年，惠特沃斯在他32歲時(shí)發(fā)明滾齒機(jī)。還建議全部的機(jī)床生產(chǎn)業(yè)者都采用同一尺寸的標(biāo)準(zhǔn)螺紋這種螺紋作為標(biāo)準(zhǔn)螺紋被各國(guó)所使用。
惠特尼發(fā)明的測(cè)長(zhǎng)機(jī)
為了提高機(jī)械化自動(dòng)化程度，1845年，美國(guó)的菲奇發(fā)明轉(zhuǎn)塔式六角車床
菲奇發(fā)明的的轉(zhuǎn)塔式六角車床
1873年，美國(guó)的斯潘塞制成一臺(tái)單軸自動(dòng)車床，不久他又制成三軸自動(dòng)車床。
斯潘塞機(jī)床
工業(yè)革命本身就是一種爆發(fā)式的發(fā)展，在這種大爆炸中，這個(gè)時(shí)期的機(jī)床也在不斷的發(fā)展變化，為了工業(yè)和生產(chǎn)的更高效率而在不斷的改進(jìn)，這些機(jī)床的發(fā)明家正可謂是生逢此世。
隨著電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，機(jī)床也由蒸汽動(dòng)力升級(jí)到了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這又是一個(gè)跨時(shí)代的改進(jìn)，可以看到從人力到水力、從蒸汽驅(qū)動(dòng)到電力驅(qū)動(dòng)，這樣的過程人類也走了好幾百年的路程。
”給世界裝上輪子“的男人
如果要挑選出那些對(duì)我們所有人的生活都產(chǎn)生過影響的人物來，就不能忽略亨利·福特。從現(xiàn)在起100年后的一位歷史學(xué)家很可能會(huì)得出這樣的結(jié)論：對(duì)各個(gè)地方一切制造業(yè)產(chǎn)生影響最大的是福特，甚至直到今天依然如此，因?yàn)樗_始采用了一種新的制造汽車的方法。
亨利·福特
福特曾經(jīng)提出：汽車應(yīng)該是“輕巧的、結(jié)實(shí)的、可靠的和便宜的”。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須研制高效率的磨床，為此，美國(guó)人諾頓于1900年用金剛砂和剛玉石制成直徑大而寬的砂輪，以及剛度大而牢固的重型磨床。磨床的發(fā)展，使機(jī)械制造技術(shù)進(jìn)入了精密化的新階段。
制造工具的改進(jìn)也促進(jìn)了制造方式本身的變化，從12個(gè)小時(shí)生產(chǎn)一臺(tái)車到1個(gè)小時(shí)生產(chǎn)一臺(tái)車，1908年10月第一款標(biāo)準(zhǔn)化汽車——福特T 型車駛下流水線。
1913年福特改革了裝配汽車的全過程。用繩子鉤住的部分組裝好的車輛被拖著從工人身旁經(jīng)過，工人們一次只組裝上一個(gè)部件。不久，福特公司一年就生產(chǎn)出幾十萬輛汽車，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)極出色的成就，這是制造業(yè)真正意義上的第一條流水線。
流水線極大的提高了制造業(yè)的生產(chǎn)效率
裝備完成駛下流水線的汽車
直到100多年后的今天，汽車裝配依然還是使用福特發(fā)明的流水線，只是機(jī)器代替了人工。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
持續(xù)多年的二戰(zhàn)結(jié)束后，制造業(yè)還是維持了戰(zhàn)前的發(fā)展水平。操作人員通過手工操作電動(dòng)機(jī)床，將加工零件按照設(shè)計(jì)圖紙的要求制作出來。這樣的生產(chǎn)方式雖然比起蒸汽時(shí)代效率高，但是人心永遠(yuǎn)是滿足不了的。
怎么樣才能更快更高效率，怎么樣才能解決一些制造中無法解決的工藝難題，這點(diǎn)很關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)還得感謝美國(guó)軍方，沒有美國(guó)軍方的需求就沒有數(shù)控機(jī)床的研發(fā)。
在20世紀(jì)40年代末期，一個(gè)叫帕森斯的美國(guó)工程師構(gòu)思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控制機(jī)床的動(dòng)作，雖然別人最初只是想一下而已。
1948年帕森斯向美國(guó)空軍展示了他的這種想法，美國(guó)空軍看后，表示極大的興趣，因?yàn)槊绹?guó)空軍正在尋找一種先進(jìn)的加工方法，希望解決飛機(jī)外型樣板的加工問題。
由于樣板形狀復(fù)雜，精度要求高，一般的設(shè)備難以適應(yīng)，美國(guó)空軍立即委托及贊助美國(guó)麻省理工學(xué)院進(jìn)行研究，開發(fā)這部硬卡紙來控制的機(jī)床。
終于在1952年，麻省理工學(xué)院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一臺(tái)示范機(jī)，由于大量采用電子管元件，控制裝置比機(jī)床本體還要大。
1960年開始，各國(guó)陸續(xù)地開發(fā)、生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床，中國(guó)于1968年由北京第一機(jī)床廠研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。1974年微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和飛速發(fā)展。
早期的數(shù)控機(jī)床，都由軍方所有應(yīng)用于軍事產(chǎn)品的制造
數(shù)控機(jī)床也經(jīng)歷了六代的發(fā)展。前三代為第一階段，數(shù)控系統(tǒng)主要是由硬件聯(lián)結(jié)構(gòu)成，稱為硬件數(shù)控;后三代稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，其功能主要由軟件完成，從1990年開始，數(shù)控機(jī)床開始采用通用的CNC系統(tǒng)。
近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。
智能化時(shí)代的百家爭(zhēng)鳴
連計(jì)算機(jī)都有了操作系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床當(dāng)然不甘落后。2003年在米蘭舉辦的EMO展覽會(huì)上，瑞士米克朗公司首次推出智能機(jī)床的概念，現(xiàn)在說到這個(gè)牌子的機(jī)床只能用高端來形容。
2006年，在美國(guó)舉辦的第26屆芝加哥國(guó)際機(jī)床制造技術(shù)展覽會(huì)上，日本Mazak公司以“智能機(jī)床”的名稱，展出了聲稱具有四大智能的數(shù)控機(jī)床，這一步代表了數(shù)控機(jī)床的未來發(fā)展。
數(shù)控機(jī)床的重要性不再?gòu)?fù)述，就拿金屬加工微信之前發(fā)過的“東芝事件”作為例子，這絕對(duì)是幫助一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
所以各國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展高端的智能數(shù)控機(jī)床及系統(tǒng)，其中又以德國(guó)與日本的發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛，大量產(chǎn)品出口國(guó)外市場(chǎng)。
各國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了日德混血的森精機(jī)德瑪吉、日本馬扎克與德國(guó)吉特邁等一批機(jī)床廠家，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了以沈陽(yáng)機(jī)床為代表的一批優(yōu)秀企業(yè)。
但在數(shù)據(jù)技術(shù)上，西門子、發(fā)那科等日德巨頭一直壟斷著數(shù)控技術(shù)，造成中國(guó)企業(yè)高價(jià)進(jìn)口該項(xiàng)技術(shù)，淪為世界機(jī)床巨頭的“貼牌”制造商，甚至出現(xiàn)生產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床不比普通機(jī)床贏利的怪現(xiàn)象。
搭載FANUC操作系統(tǒng)的發(fā)那科T14J機(jī)床
終于在2012年，由我國(guó)自主研發(fā)并搭載世界首創(chuàng)的智能化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)——i5數(shù)控系統(tǒng)的系列數(shù)控機(jī)床在北京中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上首次對(duì)外亮相, i5智能裝備數(shù)控系統(tǒng)于2012年7月由沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)研制成功，標(biāo)志著配置i5數(shù)控系統(tǒng)的智能機(jī)床進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
中國(guó)制造2025行動(dòng)綱領(lǐng)中，智能數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)列為中國(guó)制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域之一。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展離不開工作母機(jī)，但外國(guó)不會(huì)輕易將最先進(jìn)產(chǎn)品和高端技術(shù)提供給我們。
所以智能數(shù)控機(jī)床一定是制造行業(yè)擁抱智能制造的堅(jiān)定基礎(chǔ)，沒有優(yōu)質(zhì)的自有國(guó)貨，依賴于從國(guó)外搞基進(jìn)口的產(chǎn)品與技術(shù)將成為制造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的“阿喀琉斯之踵”。
借古喻今，機(jī)床每次的大規(guī)模發(fā)展都與當(dāng)時(shí)所處的時(shí)代格局緊密相關(guān)，借著這輪東風(fēng)智能數(shù)控機(jī)床將走向何處，讓我們一起拭目以待。