数控机床的发展与趋势

数控机床的发展与趋势

一 绪论

1.数控机床的产生

在机械制造行业中，机床是一中主要的生产设备。机械制造行业的产品，气结构日趋复杂，精度和性能要求日趋提高，因此对生产设备——机床也相应地提出了高效率，高精度和高自动化的要求。

大批量生产的产品，如汽车，家用电器等的零件，为了提高产量和质量，广泛采用组合机床，凸轮控制的多刀多工位机床一级专用的自动生产线和自动化车间进行加工。但这类专用机床和生产设备准备周期长，使更新产品及修改加工工艺的时间较长，费用较高，制约了产品的更新换代。

在制造行业中，单件和小批量产品占到70%~80%，这类产品的零件一般都采用通用机床来加工，通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品的质量。特别一些由曲线，曲面组成的复杂零件，只能借助划线和样板用手工操作的方法来加工，或利用靠模和仿形机床来加工，其加工精度和生产效率仍会受到很大的。

数控机床，就是为了解决单件，小批量，特别的复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1 9 4 6年计算机的问世， 给机床工业的发展进行了一次新的， 1 9 5 2，年将计算机技术与伺服驱动技术应用于普通机床诞生了现代的数控机床。数控机床的诞生，使机械制造业的发展进入了一个心的阶段。在这之后，经历了近 3 0年的发展，克服了电子设备不可靠编程异常困难和价格极为昂贵等缺点。直到上世纪7 O年代末，8 O

年代初数控技术才成熟到可以大规模地应用于生产。

1 9 5 9年出现了在数控立式铣床上，增加了刀库和自动换刀的机械手从而发明了加工中心。更换不同类型的刀具即可实现不同类型工序的加工。加工中心将铣、 钻、 镗、 锪、 铰、攻螺纹等工序集中在一台机床上，从而实现了复合化， 它不仅省去了工序问的运输、存放、 和等待时间而且还省去了多次定位和装夹时间， 还免去了由于多次定位装夹而带来 的误差，大大提高了零件的加工精度 。加工中心的出现对金属切削工业的影响极为重大和深远 。

从第一台数控机床问世到现在的半个世纪中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐渐扩大到汽车，造船，机床，建筑等民用机械制造行业。此外，还出现了金属成型类数控机床：如数控折弯机，数控弯管机，数控布冲机等；特种加工数控机床：如数控铣切割机，数控火焰切割机，数控激光切割机等；其他还有：数控绘图机，数控三坐标测量机等。特别是相继出现的自动换刀数控机床（加工中心Machining Center）,直接数字控制系统（即计算机群控系统，DNC，Direct Numberical Control）,自适应控制系统（AC,Adaptive Control）,柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）,j计算机集成制造系统（CIMS,Computer Integrated Manufacturing System）等，进一步说明，数控机床已经成为现代机械制造生产系统，实现计算机辅助设计（CAD），制造（CAM），检验（CAT）与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。

2数控机床的发展（国外，国内）

界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改

组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了60个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。目前，国际上最大的数控系统生产厂是 日本F ANUC 公 司，1 年生产5 万套以上系统，占世界市场约4 0 ％左右，其次是德国的西门子公司约占1 5 ％以上 ，再次是德 国海德汉 、西班牙发格 、法国的NUM、日本的三菱、安川。

我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：

（1） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；

（2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口；

（3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；

（4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；

（5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。

目前国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过3 0 0～4 00 套。近1 O 多年来 ，数控机床为适应3 n T_ 技术发

展，在高速化 、高精度化等几个技术领域都有很大进步。

二 数控机床的特点

数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征：

1、高速、高效

机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床

高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000－100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上；主轴转数在30000转/分(有的高达10万r/min)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为1微米时，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

2、高精度

从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(<10nm)，其应用范围日趋广泛。

当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm；精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化)，主轴径向跳动小于2μm，轴向窜动小于1μm，轴系不平衡度达到G0.4级。

高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直

线电机直接驱动”两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。

滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高(ISO3408 1级)，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的“零传动”，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

3、高可靠性

随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

4、复合化

在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。

5、多轴化

随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。

最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。

6、智能化

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；

为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；

简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；

智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

7、网络化

数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。

随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程

通讯服务等功能。机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有“人性化”。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。

8、柔性化

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

9、绿色化

21世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有

10~15%的加工使用了干和准干切削。对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。

三 数控机床的发展现状

近年来 ，随着计算机技术的高速发展 ，数控控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域 ，尤其是机械制造业中，传统机械正逐渐被高效、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到8 5 ％以上，而我国的机械设备的数控化率不足2 0 ％。从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过60年的历程。各种不同层次的开放式数控系统应运而生 ，发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。数控系统实现超薄型、超小型化，综合计算机 、多媒体 、模糊控制 、神经网络等多学科知识 ，数控系统实现了高速、高精、高效控制，在加工过程中可自动修正、调节与补偿各项参数，能实现在线诊断和智能化故障处理。在网络技术基础上 ，C AD ／ C A M与数控系统集成为一体 ，机床与网络连接 ，可以实现集中控制的群控加工。

“ 十五”期间我国数控机床行业实现了超高速 发展

我国数控机 床2001 年的产量为 1 7 5 2l 台， 2 0 0 2 年为2 4 8 0 3 台 ， 2 0 0 3 年为3 6 8 l 3 台，2 0 0 4 年为5 l 8 6 1 台，相 比 2 00 1 年增长了将近3 倍。 而 发展至2 0 0 5 年达5 9 6 3 9 万台 ， 是 “ 九 五” 末期的4 2 4 倍。 在 “ 十五” 期间，中国机床行业之所以得到迅猛发展的原 因主要有以下几个方面 的原因 ： 一是市场需求旺盛 ，固定资产 投资增速快 ；二是汽车和机械制造行业发展迅速 ；三是外商投资企业增长速

度加快。

“ 十一五”期间我国数控机床行业继续维持良好的发展势头2 0 0 6 年，我国机床行业在国内经济持续高速增长的拉动下，继续快速增长。数控机床的产量达到8 5 7 5 6 台 ， 同比增长了3 2.8％，这使得金切机床产值数控化率达到3 7．8％，同比增加 了2 ．3％。此外 ，数控机床在外贸出口方面亦取得了较好的成绩 ，全年的 出 口额达3．3 4 亿美元 ，同比增长 了6 3．1 4％，高于全部金属加工机床出口额的增幅1 8．5 8 ％。2 0 0 7 年 ，国内外宏观经济环境对于机床工具行业 ，既有不少有利的因素 ， 也有很多不利的因素 。在这样的背景下 ，2 0 0 7 年机床工具行业的发展速度虽然继续保持平稳和较快的发展 ，但是发展速度的有所减缓 。全行业工业总产值和产品销售收入达1 8 00亿元人民币，增速维持在1 5 ％左右 。2 01 0 年既是“十一五 ”规 划的最后一年，也是最为关键的一年 ，同时又是充满希望的一年。到2 0 l 0 年底，国产数控机床占至国市场需求的5 0 ％以上 ，国内有自主知识产权的数控系统达到数控机床总产量的7 5 ％。在国产数控机床销售额中，经济型数控机床占据约5 0 ％的份额 ，能够满足国内市场需求并且达到批量出口的能力 ；普及型数控机床约占据45 ％的份额 ，实现了规模化生产 ，并且逐步扩大了出口；而高级型数控机床约占据5 ％的份额 ，品种较以前相比有了较大的增加，因此在出口上取得一定的突破 。

13前，欧美 ，日本等工业化国家已经先后完成了数控机床产业化的进程 ，而我国从2 0 世纪8 0 年代开始起步 ， 到目前仍然处在发展阶段 。我国的现实情况是 ，国内数控机床始终处于低端迅速膨胀 ，中端进展缓慢 ，高端依赖进口。特别是国家重点工程需要的关键设备大部分依赖进口，造成技术受制于人的后果 。造成这一后果的原因是国内数控机床企业大多数仍处于“ 粗 放 型 ”的阶段，在产品设计水平、质量 、精 度 、性能等方面与国外先进水平相比落后了将近5～1 0 年 ，而在高 、精 、尖技术方面的差距更大 ，为 1 0～l 5 年 。 与此同时 ，中 国在应用技术和技术集成方面的能力依然比较低 ，

相关的技术规范和标准的研究 、制定相对滞后 ，国产数控机床还没有形成品牌效应 。更重要的是 ，中国的数控机床产业目前在技术培训 、服务网络等方面还比较欠缺 ，市场营销能力和经营管理水平还有待提高。深层次的原因是缺乏自主创新能力 ，数控系统中完全拥有自主知识产权的很 少 ，这样无疑制约了数控机床产业的发展 。

因此，面对这这一现状，我过数控机床行业发展机遇与挑战并存，随着一系列扶持性的陆续出台，未来几年中国机床行业将有望在延续快速增长态势的同时，在技术能力上实现质的突破 ，在高端机床领域形成国际竞争力 ，并形成 几个世界级的机床企业 。从总体上看来 ，中国机床市场的中长期发展势头将依然保持强劲势头 ，中国机床行业在未来几年将步入发展的战略机遇期。

四 数控机床的发展趋势

世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高市场的适应能力和竞争能力。各工业发达国家采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。目前数控技术的发展呈现三大趋势。

一，形成了高速、高精a n t技术及装备的新趋势。在轿车工业领域，年产3 0 万辆的生产节拍是4 0 s ／ 辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料 “ 掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其

他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。在加工精度方面，近1 0 年来， 普通级数控机床的加工精度已由l 0u m 提高到5 u m ， 精密级加工中心则从3 — 5 u m提高到卜L 5 m ，并且超精密加工精

度已开始进入纳米级( 0.0 1 m ) 。在可靠性方面，数控装置的M T B F 值已达6 0 0 0 h 以上，伺服系统的M T B F 值达~ l l 3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

二，五轴联动加工和复合加工机床快速发展。采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台五轴联动机床的效率可以等于2 台三轴联动机床， 特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编

程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。在E M 0 2 0 0 1 展会上，五面加工机床采用复合主轴头，可实现4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得五面加工和五轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。

三，智能化成为主要趋势。2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工

过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

四 总结

总之，数控技术已成为先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具 ( 工具)、数控机床 ( 设备)，在机械制造业得到广泛应用，数控装备的整体水平也逐渐成为一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱标志。我国只有采取有效的竞争战略对策，实施切实可行的竞争方案，通过信息化系统不断提升企业的自主创新能力、管理水平和服务质量，坚

持培育长期的、可持续发展的核心竞争能力，才能使我国的机械制造企业在国际化竞争中永远立于不败之地。

作为一个21世纪学习数控技术的大学生来说，面对新的机遇和挑战，我们要不断的努力学习数控知识，掌握现有的数控技术，在此基础上，勇于创新和探索，不断创造出高精度，高质量，高效率，智能化的数控机床，为我国自主研发数控机床做出自己的贡献。

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