數控機床的應用及發展前景

摘 要:探討了數控機床的應用現狀，并對其發展前景作出了一些研究.

關鍵詞:數控機床 發展前景 產業

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(b)-0033-02

1 概述

1.1 數控機床的歷史發展

數字控制機床是指采用了數字控制技術的機床，簡稱數控機床。數控系統能邏輯地處理具有數字號碼或者其他符號編碼指令規定的程序，通過自動完成信息的輸入、譯碼、運算，從而控制機床的運動和加工過程。

1949年美國北密歇根的一個小型飛機工業承包商帕森斯公司在制造飛機框架及直升機葉片輪廓用樣板時，為了提高精度和效率，首先提出了利用全數字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行控制的方案，并與美國麻省理工學院的伺服機構研究所開始共同研究。到1952年研究出一套實驗性數字控制系統，并把它裝在一臺立式銑床上，成功地實現了同時控制三軸的運動。后來經過改進，第一臺工業用數控機床于1954年生產出來。

1.2 數控機床在我國的發展歷程

數控機床在我國的發展也分為三個階段。1958年，清華大學和北京一機床廠合作研制出我國第一臺數控機床，直至70年代，相繼推出了一些數控機床品種，但從整體來看，我國數控機床產業尚處于起步階段。1990—2005年，國家從科技攻關和技術改造兩方面對數控機床產業進行了重點扶植，并加快了國產數控系統的開發。一些數控機床主機廠組建床身、箱體、主軸、軸套等成組單元，廠內組織專業化生產，生產水平進一步提高，最終使數控機床進入了快速發展期。

1.3 現代數控機床的主要應用和顯著成效

數控機床與普通機床相比具有很多優點，其應用范圍正在不斷擴大，但目前它并不能完全替代普通機床，也不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數控機床主要應用在:(1)多品種、小批量生產的零件或新產品試制中的零件;(2)輪廓形狀復雜，對加工精度要求較高的零件;(3)用普通機床加工時，需要有昂貴的工藝裝備的零件;(4)需要多次改型的零件;(5)價值昂貴，加工中不允許報廢的關鍵零件;(6)需要最短生產周期的急需零件。機床行業是裝備，制造業的母機，盡管機床行業產值不到GDP的1%，但它對國民經濟的貢獻則遠高出這一數量概念，是經濟發展戰略中重要的支柱性產業。汽車行業、機械行業、軍工行業這些都是需要大量數控機床的生產而支撐的。它是我們工業發展的砥柱。

2 數控機床的應用

2.1 數控機床的組成、結構特點

數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統、測量反饋裝置和機床本體組成。

控制裝置又稱信息載體，是人與數控機床之間聯系的中間媒介物質，它上面記載著數控加工中的全部信息。數控裝置是數控機床的核心，現代數控機床都采用計算機數控裝置，即CNC裝置。它能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控制功能。為了完成各種形狀的零件加工，它具備:(1)多坐標控制;(2)實現多種函數的插補;(3)多種程序輸入功能以及編輯和修改功能;(4)信息轉換功能;(5)補償功能，即刀具半徑補償、刀具長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償等;(6)多種加工方式選擇，可以實現各種加工循環、重復加工、凹凸模加工和鏡像加工等;(7)故障自診斷功能;(8)顯示功能，用CRT可以顯示字符、軌跡、平面圖形和動態三維圖形;(9)通信和聯網功能。伺服裝置及測量反饋裝置是數控機床的關鍵部分，它影響數控機床的動態特性和輪廓加工精度。機床本體是數控機床的主體，由基礎件和運動件組成。它不僅要實現由數控裝置控制的各種運動，而且還要承受包括切削力在內的各種力。

以數控車床為例，一般由以下幾部分組成:主機，數控裝置，伺服驅動系統，輔助裝置等。數控車床與普通車床相比較，其機構基本相同。由于采用計算機數控系統，因此其進給系統與普通車床有著本質的差別。臥式車床由主軸運動經過交換齒輪架、進給箱、溜板箱傳到刀架，實現縱向和橫向進給運動。而數控機床采用伺服電動機經滾珠絲杠傳到滑板和刀架，實現縱向和橫向進給運動?？梢?，數控機床傳動結構大為簡化，精度和自動化程度大大提高。

2.2 數控機床在機械行業所起的作用

衡量一個國家綜合實力的重要標志，是數控機床的擁有量及其性能水平的高低。加快發展數控機床產業也是我國裝備制造業發展的現實要求。根據中國機床工具工業協會組織用戶調查表明，航天航空、國防軍工制造業需要大型、高速、精密、多軸、高效數控機床;汽車、摩托車、家電制造業需求高可靠性、高效、高自動化的數控機床和成套柔性生產線;電站設備、造船、冶金石化設備、軌道交通設備制造業需求高精度、重型為特征的數控機床;IT業、生物工程等高技術產業需求納米級亞微米級超精密加工數控機床;工程機械、農業機械等傳統制造行業的產業升級，特別是民營企業的蓬勃發展，需要大量數控機床進行裝備。所以，數控機床的發展對我國經濟發展起到至關重要的作用。

3 數控機床在國內的發展前景

3.1 數控機床的優點與缺點

優點:

(1)適應性強，適應性就是柔性，是指數控機床隨生產對象變化而變化的適應能力。在數控機床上進行產品加工，當產品改變時，僅僅需要改變數控設備的輸入程序就能適應新產品的生產需要，而不需改變機械部分和控制部分的硬件，而且生產過程是自動完成的。這一點不僅滿足了當前產品更新、更快的市場競爭需要，而且較好地解決了單件、小批量、多變產品的自動化生產問題。適應性強勢數控機床最突出的優點，也是數控機床得以產生和迅速發展的主要原因。

(2)能實現復雜的運動，普通機床難以實現或根本無法實現軌跡為三次以上的曲線或曲面運動，如螺旋槳、汽輪機葉片之類的空間曲面，而數控機床可以實現幾乎是任何形式的空間曲面和任意軌跡運動，適用于復雜異性零件的加工。

(3)加工精度高、產品質量穩定，數控機床是按照預定程序自動工作的，一般情況下的工作過程不需要人工干預，這就消除了誤差。在設計制造設備主機時，通產采取了許多措施，使數控設備的機械部分達到較高的精度。數控裝置的脈沖當量目前可達0.00002～0.01mm，同時可以通過實時檢測反饋修正誤差或補償來獲得更高的精度。因此，數控機床可以獲得比機床本身精度更高的加工精度，尤其提高了同批零件生產的一致性，是產品質量得到控制。

(4)生產效率高，數控機床比普通機床的生產效率能高出許多倍，尤其對某些復雜零件的加工，生產效率可提高十幾倍甚至幾十倍。原因是:①數控機床具有較高的剛性，可采用較大的切削用量，有效地減少了加工中的切削時間。②數控機床具有自動變速、自動換刀和其他輔助操作自動化等功能，不需要工序間的檢測與測量，從而使輔助時間大為縮短。③工序集中、一機多用的數控加工中心，在一次裝夾工件后幾乎可以完成零件的全部加工，這樣不僅可減少裝夾誤差，還可減少半成品的周轉時間，生產效率明顯提高。

(5)減輕勞動強度、改善勞動條件。數控機床的工作是按預先編制好的加工程序自動連續完成的，操作者除輸入加工程序及相關的操作之外，勞動條件和勞動強度大為改善無須進行繁重的重復手工操作。

(6)有利于科學的生產管理，采用數控機床能準確地計算產品的工時，并有效地簡化檢驗、工夾具和半成品的管理工作。數控機床采用標準的信息代碼輸入，有利于與計算機連接，構成由計算機控制和管理的生產系統，實現制造和生產管理的自動化。

缺點:

(1)數控機床的價格較高，一般國產價格為十幾萬，國外一些更為先進的、高精度設備甚至需要上百萬，如果要想形成規模的生產，首次投資要很大，所以對資金的要求很高。

(2)對操作、維修人員的技術要求較高。數控操作人員大部分來自普通機加工，在對數控設備的應用中套用普通設備加工的思路，對數控機床高速切削的特性、數控刀具的選擇、切削參數的選擇缺乏科學性，加工程序的優劣及加工效率的高低完全取決于操作工人素質的高低，也就不能最大限度的發揮數控設備的加工效率。

(3)加工復雜形狀的零件時，手工編程的工作量大?？梢约庸じ唠y度的工件是數控機床相比普通機床的一大優點，但是，一個形狀和內部復雜的工件的前期編程工作是至關重要的，這需要工作人員對工件進行圖紙分析，然后通過數學處理，才能得出程序。往往機床加工一個零件時間很短，而前期的準備工作需要消耗大量工時。

3.2 數控機床在國內的發展水平

數控機床是當代機械制造業的主流裝備，是市場熱門商品。“十一五”期間，隨著一系列關鍵技術的突破和自主生產能力的形成，我國開始突出“外國制造”的“重圍”，進入世界高速數控機床和高精度數控機床生產國的行列。在需求的拉動下，我國數控機床產量保持高速增長，年均復合增長率達到7.4%。2010年我國數控機床產量達到23.6萬臺，同比增長62.2%;2010年我國數控機床消費超過60億美元，臺數超過10萬臺，數控機床已成為機床消費的主流?！笆濉逼陂g我國持續投入，每年重大專項將帶動資金投入100億以上。未來3-5年，我國數控機床行業市場增長率將達到12%左右。這必將帶動我國國產數控機床及其數控系統和相關功能部件的市場發展，也無疑為國內數控系統生產廠商不斷發展自己的技術，擴大市場提供了極好的機遇。

3.3 數控機床的操作人員水平現狀

成都一家機械制造企業負責人張余認為，現在畢業的數控專業學生，有的上崗連基本操作都不熟悉，有的做出來的產品殘次品多，有的眼高手低，干不了多久就會跳槽。“這實際上反映了學校的人才培養問題?！背啥奸L征數控機電學校副校長文先生說，目前大多數學校數控專業培養的現狀是，重普通重基本知識訓練，輕高精專業發展;重校內課堂學習、機床實訓，輕企業合作現場教學;重知識傳授輕職業道德培訓。隨著數控專業學生大量增加，行業低端崗位就業熱的慢慢降溫，這些隱憂還會進一步暴露出來。而從事數控加工的相關工作人員基本來自普通加工的崗位，文化和素質參差不齊，加工程序的優劣及加工效率也就不能最大限度的發揮數控設備的加工效率。所以，國內急需高技術、高素質的相關專家和人才。

3.4 國內急需的數控機床的種類與相關專業人才

“十五”期間僅西部鐵路開發就將投入1000億元，未來10年西部交通則將投資7000億～8000億元，車輪車床、勾舌銑床、2m大型鋸床、螺旋焊管擴徑機械等專用設備大有用武之地;水利工程未來5年將投資5300億元，環保一期投資1888億元，二期投資2600億元，相應的機械設備需求非常大;300家機械廠商將進行技改，求購數控機床數量十分可觀。目前，國內有模具廠1.7萬家，年產值約220億元，預計到2005年產值將達到460億元，所需的機械偏向于高精度、高效率、高速化銑削設備、虛擬軸機床、復合加工機及慢走絲切割機等。國產數控機床市場占有率下滑即將有轉機。而我國存在著數控人才匾乏的現象，迫切需要大量的從研究開發到使用維修的各個層次的技術人才。目前，數控人才的需求主要集中在以下的企業和地區:(1)國企中，特別是目前經濟效益較好的軍工企業和國家重大裝備制造企業，軍工制造業是我國數控技術的主要應用對象，杭州發電設備廠用6000元月薪招不到數控操作工。(2)民營經濟如今飛速發展，數控人才供不應求，主要集中在模具制造企業和汽車零部件制造企業。所以，數控機床的相關工作人員的發展前景還是相當可觀的。

4 數控機床在國內發展之建議

任何事物都有它的發展條件和特點，當人們掌握后才可以發展。數控機床的發展條件主要包括:它是機、電、液、氣、光多學科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。

我國要加速發展數控機床產業，既要深入總結過往的經驗教訓，切實改善存在的問題，又要認真學習國外的豐富的先進經驗。建議切實做好以下幾點:中國廠多人眾，極需正確的方針、政策對數控機床的發展進行有力的指引。應學習美、德、日經驗，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應講究科學精神、經濟實效，以切實提高生產率、勞動生產率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學習日本，首先解決量大而廣的中檔數控機床，批量生產，占領市場，減少進口，擴大出口。在步驟措施上，必須使國產數控系統先進、可靠，狠抓產品質量與配套件過關，打好技術基礎。近期重在打基礎，建信譽，擴大國產數控機床的市場份額，遠期謀求趕超世界先進水平，大步走向世界市場;必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質、培養各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態。人是一切事業成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才”，建立學習型企業，樹立企業文化，加速培育新人，培訓在職人員，建立師徒相傳制度。傳統行業人才緊缺的尷尬頻繁出現，技術人才流失，應屆畢業生忽略傳統行業的尷尬，讓數控機床技術人才的匱乏日益凸顯。 一方面是企業急需高技術人才，一方面卻是高技術人才匱乏。如今，高技術人才的培養已經成為企業戰略中的一個重要組成部分。優秀高技術人才所在的企業，無一不具有良好的人才培養戰略和機制。在某種程度上，企業間的競爭已成為人才的競爭。建設一支滿足企業需求的高技術人才隊伍已經成為行業一項迫切的任務。隨著“十二五”發展規劃的推行，企業轉型升級的需求使得對高技術、復合化人才的需求更加龐大。中國機械工業聯合會專家也曾表示，高技術人才匱乏問題直接影響企業的科研創新及機械裝備的質量和水平。由此可見，現實情況下，要讓數控機床人才的“貧血癥”得以緩解，首先要徹底改變培養方式，加強企業與學校的合作，以市場為導向，培養企業所需要的人才，使技能人才做到學有所用。同時，完善高技能人才的考核和激勵機制，為技能人才提供施展才華的空間。我們不僅要營造出能工巧匠與科技精英一樣光榮、同等重要的社會環境，更要擴大技能人才培養范圍，建立促進技能人才輩出的政策和制度環境，逐步形成培養快、待遇高的培養機制和激勵機制。