淺談我國數控機床的現狀與發展趨勢

吳連連，黃愛華

（江西工業工程職業技術學院，江西 萍鄉 337055）

0 引 言

數控（NC）是數字控制（Numerical Control）的簡稱，是20 世紀中葉發展起來的一種用數字化信息進行自動控制的一種方法。裝備了數控技術的機床，稱為數控機床，也簡稱為NC機床。

世界上第一臺數控機床是由美國麻省理工學院于1952年首先研制出來的；日本于1958年研制出首臺數控機床。我國數控機床的研制是從1958年起步的，由清華大學研制出了最早的樣機。但是經過50 多年的發展，2010 年我國已經躍居世界第一大機床生產國。在2012年5月27日，在湖北省數控一代機械產品創新應用示范工程啟動大會上，中國工程院院長周濟強調：“全世界的機械工業正處于產品數字化發展時期，我們必須抓住這一契機，在10年內實現機械產品總體升級為‘數控一代’，使我國機械工業實現由‘大’到‘強’的轉變。”

1 數控機床的組成

數控機床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括控制介質、數控裝置、伺服系統、反饋裝置及機床本體，如圖1所示。

圖1 數控機床的組成

1.1 控制介質

控制介質是儲存數控加工所需要的全部動作和刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控制介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然后通過計算機與數控系統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

1.2 數控裝置

數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞系統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置，即CNC（Computer Numerical Control）。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控制功能。

1.3 伺服系統

伺服系統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服系統接受數控系統的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

1.4 反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋回來，構成閉環控制。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環系統。

1.5 機床本體

機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作臺、床鞍、主軸等。

2 我國數控機床的現狀

我國數控機床的研制工作起步比較晚，于1958年由清華大學和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數控銑床，并于1958 年開始試制成功第一臺電子管數控機床。1965 年開始研制晶體管數控系統，直到20 世紀60 年代末至70 年代初成功研制。從1980年起，我國加大改革開放的力度，先后從日、德、美、西班牙等西方國家引進CNC系統，對各種機、電、液、氣等基礎原件進行合作生產，極大地提高了產品的質量[1]。

總體來說，從1958年研制出第一臺數控機床到現在，我國數控機床的發展大體可以分為三個階段：1958至1979年為第一階段，在這一階段內我國受到西方國家的封鎖和國內環境的影響，數控機床的發展采用的是封閉式摸索前進，數控機床的一些關鍵技術，如電、氣、液等核心技術達不到可靠性要求，故障常出；1980年至1995 年為第二階段，我國提出了改革開放的政策，積極引進國外的先進數控技術，利用國外的先進產品配置和技術，期間我國的數控機床取得了長足的發展，逐漸縮小與國外先進國家的差距，但總體來說，這個階段屬于我國的仿制時期，自主研發的產品占少數；1996 年至今為第三階段，我國實施產業化的戰略，數控機床進入自主研發的時期，數控機床的產值比重也逐漸增大，數控機床無論從數量上還是在質量上都取得了較大的進步，某些核心的關鍵技術已經接近或者領先于世界水平。例如，2010 年，世界28 個主要機床生產國家和地區產值達663億美元，較2009年增長了21%，其中，中國機床占全球機床產值的31%。中國為世界機床第一大生產國，日本居第二位，德國位列第三位，但是排名世界前7 位的數控機床生產企業我國沒有一家[2]。

3 我國數控機床的發展趨勢

20世紀90年代開始，我國數控機床系統完成了16位機向32位機轉變，伺服驅動從直流向交流全數字式轉化，系統體系結構從封閉向開放轉變，控制系統由專用計算機向通用計算機轉變，加快了數控機床技術前進的步伐，具體來說數控機床會朝著以下幾個方向發展[3-4]。

3.1 高速化

隨著新型刀具和其他關鍵部件的采用，數控機床進入高速切削的時代。高速加工采用遠高于常規加工切削速度進給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時，同時還可獲得很高加工精度。高速切削機床是實現高速切削加工的前提和關鍵，具有高精度的高轉速主軸，具有控制精度高的高軸向進給速度和進給加速度的軸向進給系統，是實現高速切削的關鍵。例如，現在數控機床的主軸轉速由原來的幾千轉提高到現在的上萬轉，甚至幾十萬轉；進給速度由原來的每分鐘幾米提高到現在100～200 m/min；換刀的時間也越來越短，從原來的十幾秒降到現在的1 ms，這些都極大地提高了生產率。

3.2 精密與超精密化

精密與超精密加工是今后金屬切削加工的發展方向。近幾年，隨著數控機床關鍵技術的發展，通過機床結構優化、制造和裝配的精化，數控系統和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術的應用等，從而提高數控機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。據資料分析，數控機床加工精度平均每8 年提高1 倍，從數控機床的產生到現在，數控機床的加工精度提高了大約了100倍。近10 多年來，精密級加工中心的加工精度則從（±3～5）μm 提高到（±1～1.5）μm。

3.3 開放化

基于通用計算機的開放式體系結構的數控機床系統已經成為其發展的主要方向，開放化的系統可以使數控機床應用于不同的平臺之上，可以與其他不同的系統相互操作，增加數控機床系統的兼容性，這種開放的、交互的數控機床具有操作簡便、維護方便等特點，提高了數控機床在企業中的普及率。

3.4 技術集成化和技術復合化

技術集成和技術復合是今后數控機床發展的另一趨勢。為了提高生產率，出現復合加工機床，復合加工機床突出體現了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達到減少機床和夾具、免去工序間的搬運和儲存、提高工件加工精度、縮短加工周期和節約作業面積的目的。這類機床可以進行復合工序的操作，例如車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術復合，甚至還可以跨加工類別的技術復合，如激光-沖壓、金屬切割-激光等技術復合，這類復合加工機床的出現極大地縮短了輔助時間，提高了生產率。

3.5 智能化

智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網絡等智能化技術有機結合，對數控機床加工過程實行智能監控和人工智能自動編程等。智能監控是指在加工過程中，數控機床可以實現對工件的自動找正、自動換刀、自動補償以及對加工過程出現的故障問題等自動解決，而人工智能編程是指數控機床可以根據設定程序自動加工出所需要的零件。隨著網絡信息技術的發展，網絡控制（遠程控制）已經成為數控機床可持續發展的新方向之一。

3.6 綠色化

人口、資源和環境已經成為制約人類發展的三大問題。為尋求符合環保要求的機床，干式和微量冷卻類型數控機床應用越來越廣泛。操作工人的環境、加工材料、冷卻液的使用會成為衡量數控機床的綠色水平，因此綠色清潔的數控機床成為今后數控機床的主導方向。

4 結束語

雖然經過多年的發展，我國數控機床技術取得較大的進步，在世界市場上也占有比較重要的地位，但是我們也應該清晰地看到，在中、高檔數控機床的可靠性和數控機床的配套設施方面以及數控機床的一些先進產品與技術，與國外發達國家相比仍有一定的差距，因此，還應做好以下幾個方面：1）數控技術創新；2）加大數控專業人才的培養；3）積極消化國外先進數控技術；4）建立健全數控技術的產學研體系。只有這樣我國數控機床水平才能處于世界領先水平。

[1] 劉永兵. 控機床的發展趨勢[J].考試周刊，2011（40）：149.

[2] 王政.數控機床的歷史、現狀與展望[J].魅力中國，2011（4）：388.

[3] 李紹鵬.數控機床產品發展趨勢探究[J].物流工程與技術，2011（11）：43-44.

[4] 唐克巖.我國數控機床產業發展現狀與展望[J].機床與液壓，2012（3）：145-147.