數控機床是新型自動化機床，具有廣泛的通用性和很高自動化程序的全新型機床，它將加工或手工直接輸入（MDI）方式將數字信息送入數控系統的計算機中進行寄存、運算和處理，*后通過驅動電路由伺服裝置控制機床實現自動加工。采用數字控制技術進行機械加工的思想*早來源于20世紀40年代，數控機床*早產生于美國。1947年，為了精確制作直升飛機葉片的樣板，美國John.T.Parson公司設想并利用全數字計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數據處理，提出在坐標床上用脈沖信號控制的加工方法，這就是數控機床誕生的出發(fā)點。隨后1952年，麻省理工學院研制成功了1臺三坐標連續(xù)控制的樣機銑床，這就是世界上第1臺數控機床樣機。20世紀70年代以后，伴隨微電子技術的高速發(fā)展，數控機床在經過幾代更新變化中得到突飛猛進的發(fā)展，應用范圍也越來越廣，并對原有機械制造業(yè)形成巨大沖擊。機床的發(fā)展和創(chuàng)新在一定程度上映射出加工技術的主要趨向，隨著微電子技術、傳感器技術、精密機械技術、自動控制技術及微型計算機技術、人工智能技術等新技術的發(fā)展，促使數控機床不斷升級而逐漸成為評價現代工業(yè)發(fā)展的重要指標。
一、我國數控機床發(fā)展現狀
我國數控機床及技術也起步于1958年， 當時是從電子管著手的，20世紀60年代中期，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件，我國機床車體設計實力差、各種機、電、液、氣配套基礎元部件、數控系統不過關， 工作不可靠， 故障頻繁，且由于發(fā)展數控機床整個方針、政策、方法、步驟、措施錯誤以致我國的數控機床還處于研制開發(fā)階段。直到70年代開始，數控技術在車、銑、齒輪加工、電加工等領域全面發(fā)展，數控加工中心在上海北京研制成功，在這一時期，數控車削、點位加工和加工中心及三坐標數控加工的自動編程系統和語言，有的還在生產中得到了較好的應用。20世紀80年代，我國從日本引進了數控系統和直流伺服電動機等制造技術。與此同時，還自行研發(fā)了3、4、5軸聯動的數控系統以及雙電動機驅動的同步數控系統和新品種的伺服電動機，使得我國數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍?，F在我國已經建立了以中、低檔數控機床為主的產業(yè)體系。一些較高檔次的數控系統，如5軸聯動數控系統、6軸數控高速滾齒機等高精度數控機床、加工中心也相繼研制成功并投入商用。進入20世紀90年代以來，國內企業(yè)不斷推出自行開發(fā)的新產品。國內許多商家還制造出5軸聯動加工中心，如北京機電研究院新研制出型號為5C-VMC1250的5軸聯動加工中心。此外，在并聯機床方面，我國也已經進入了實用階段，開發(fā)了自主版權的虛擬軸機床數控系統和軟件，這是我國機床創(chuàng)新方面的又一重大成果。此外，我國機床制造業(yè)在網絡制造技術方面也取得了長足的發(fā)展，如華中數控系統股份公司與桂林機床股份公司聯合研制出一套由4臺機床組成的相同功能的網絡制造系統，為實現生產制造過程的智能化奠定了較堅實的基礎。在國家政策的大力扶持下，近幾年國內數控機床發(fā)展迅猛。2007年，我國數控機床產量達到12.3萬臺，提前三年超額完成“十一五”規(guī)劃年產10萬臺的目標，數控機床年產量已居世界首位。行業(yè)規(guī)模不斷壯大，國產高檔數控機床明顯進步，國產中高檔數控系統取得重大突破，這些都充分說明，我國數控機床整體水平得到了全面提升。
二、我國數控機床發(fā)展存在的問題
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與發(fā)達國家相比，我國機床數控化率不高，目前生產產值數控化率不到30%；消費值數控化率不到50%，而發(fā)達國家大多在70%左右。高檔次數控機床及配套部件還只能依靠進口。國產數控車床到2000年可供品種700多種。接近數控機床品種的50%，其中占產量50%的是經濟型數控車床。*高轉速一般在2000r/min，個別轉速達8000r/min，坐標定位精度一般為0.01mm，重復定位精度在0.005mm，工作精度圓度在0.01～0.005mm之間，表面粗糙在Ra0.8～1.6μm.長城機床廠CK7815C主軸*高轉速3500r/min，快速行程X軸9m/min，Z軸12m/min，定位精度X軸0.025mm，工作精度圓度0.007mm，表面粗糙度Ra<1.6μm.SPINNERTC46德國數控車床*高轉速4500r/min，快速移動X軸10m /min，Z軸20m/min.該公司超精密SB/PD/UP系列數控車床，重復定位精度0.1μm，工件圓度0.3μm，可實現鏡面車削，可選配第二主軸/C軸/動力刀架。
（二）產品水平不高
首先是精度普遍不夠高，對國產加工中心刀庫機械手、數控車床刀架，用戶不放心，定位精度，特別是重復定位精度也有待提高。只有少數產品達到歐洲標準定位精度；其次，高精度、靜剛度主機結構和整機性能開發(fā)有差距，國際普遍采用龍門式、框式、O型整體結構，箱中箱式結構，L型床身，三軸移動移出機身，側掛箱式臥式加工中心等我國則大多還未開發(fā)；再次，產品在主軸轉速，快移速度、換刀速度、加速度等機床性能指標上與國外有較大差距。*后，可靠性有待提高。國產數控系統*常平均無故障時間（MTBF）大都可超過1萬h，但國際上先進企業(yè)數控系統MTBF已達8萬h.國產數控車床、加工中心MTBF雖有少數廠達500h，但國際上先進水平已達800h.至于外觀、漏油等老問題仍與工業(yè)發(fā)達國家產品有差距。
?。ㄈ┕δ懿考l(fā)展的問題
數控功能部件是指數控系統、主軸單元、數控刀架和轉臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。功能部件技術水平的高低、性能的優(yōu)劣及整體的社會配套水平，直接決定和影響數控機床整機的技術水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。相對數控機床主機來說，我國功能部件生產企業(yè)的發(fā)展更顯滯后。但功能部件不僅決定著機床的整機性能，還占到整機成本的60%左右，其發(fā)展狀況直接關系到機床的競爭力水平。國產功能部件產品檔次不高，且形不成規(guī)模，造價相對并不低，采用進口功能部件價格昂貴，從而使整機價格攀升，國產數控機床的價格優(yōu)勢喪失殆盡，同等水平的數控機床，其價格與一些國家和地區(qū)的產品趨于持平。目前，國產數控機床大量選購境外功能部件，一面是由于國內還沒有形成社會配套的能力，產品質量和水平上存在著一定差距；另一方面是主機廠應用戶要求，而選用指定外國公司的功能部件。
?。ㄋ模眉夹g方面的差距
國外已經普及的遠程服務技術，我國尚待開發(fā)，如交鑰匙工程——從機床選擇、工藝裝備（刀、夾、附、檢具）配置與提供到切削用量的確定。國內的高速機床，普遍不能做硬切削、干切削表演，高速切削機理及切削數據庫的研究我國近乎空白，我國尚不能提供高速切削軟件包等。產品的可操作性、外觀、內在質量方面也與工業(yè)發(fā)達國家相比的有很大差距。
三、數控機床的發(fā)展趨勢
目前，先進制造技術不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術的應用，柔性制造系統的迅速發(fā)展和計算機集成系統的不斷成熟，對數控加工技術提出了更高的要求。當今數控機床正在朝著以下幾個方向發(fā)展：
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速度和精度是數控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產品質量。目前，數控系統采用位數、頻率更高的處理器，以提高系統的基本運算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結構，以提高系統的數據處理能力，即提高插補運算的速度和精度。并采用直線電動機直接驅動機床工作臺的直線伺服進給方式，其高速度和動態(tài)響應特性相當優(yōu)越。采用前饋控制技術，使追蹤滯后誤差大大減小，從而改善拐角切削的加工精度。
為適應超高速加工的要求，數控機床采用主軸電動機與機床主軸合二為一的結構形式，實現了變頻電動機與機床主軸一體化，主軸電機的軸承采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承或陶瓷滾動軸承等形式。目前，陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應用。
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配有自動換刀機構（刀庫容量可達100把以上）的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋等多種工序加工，現代數控機床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工。數控系統由于采用了多CPU結構和分級中斷控制方式，即可在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現所謂的“前臺加工，后臺編輯”。為了適應柔性制造系統和計算機集成系統的要求，數控系統具有遠距離串行接口，甚至可以聯網，實現數控機床之間的數據通信，也可以直接對多臺數控機床進行控制。
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現代數控機床將引進自適應控制技術，根據切削條件的變化，自動調節(jié)工作參數，使加工過程中能保持*佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產效率。具有自診斷、自修復功能，在整個工作狀態(tài)中，系統隨時對CNC系統本身以及與其相連的各種設備進行自診斷、檢查。一旦出現故障時，立即采用停機等措施，并進行故障報警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。還可以自動使故障模塊脫機，而接通備用模塊，以確保無人化工作環(huán)境的要求。為實現更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統。
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隨著計算機應用技術的發(fā)展，目前CAD／CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應用，是數控技術發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，再經計算機內的刀具軌跡數據進行計算和后置處理，從而自動生成NC零件加工程序，以實現CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術的發(fā)展，當前又出現了CAD／CAPP／CAM集成的全自動編程方式，它與CAD／CAM系統編程的*大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數不必由人工參與，直接從系統內的CAPP數據庫獲得。
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數控機床的可靠性一直是用戶*關心的主要指標。數控系統將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數量，來提高可靠性。通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求，同時采用硬件結構機床本體的模塊化、標準化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產批量，又便于組織生產和質量把關。還通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現對系統內硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障；利用容錯技術，對重要部件采用“冗余”設計，以實現故障自恢復；利用各種測試、監(jiān)控技術，當生產超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時，自動進行相應的保護。
?。┛刂葡到y小型化
數控系統小型化便于將機、電裝置結合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印刷電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度安裝，較大規(guī)?？s小系統的占有空間。而利用新型的彩色液晶薄型顯示器替代傳統的陰極射線管，將使數控操作系統進一步小型化。這樣可以方便地將它安裝在機床設備上，更便于對數控機床的操作使用。
四、未來五年我國數控機床產業(yè)發(fā)展的任務
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為了縮短與世界先進水平的差距，提升我國機床工具行業(yè)整體水平，“十一五”期間對市場急需的高檔數控機床品種，要集中力量，重點突破。未來五年要加大科技投入，加強基礎研究和開發(fā)研究，提高原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力。要促進重點企業(yè)技術開發(fā)能力建設，加快高檔數控機床品種開發(fā)。掌握一批高檔數控關鍵產品開發(fā)的核心技術，推出一批高檔數控機床品種，滿足重點用戶急需，精心培育高檔數控機床市場。
?。ǘ┓e極促進功能部件產業(yè)化
“十一五”期間，要培育一批功能部件的龍頭企業(yè)。加大政策支持力度，重點發(fā)展高檔數控系統、高速主軸單元、精密滾動功能部件、動力刀架、精密轉臺、高速導軌防護裝置等高水平的功能部件，加快產業(yè)化進程，培育國產品牌，實現功能部件與數控機床同步發(fā)展。
?。ㄈ┻M一步發(fā)展普及型數控機床
國產普及型數控機床產品技術已經成熟，產業(yè)化迫在眉睫。急需進一步提高可靠性和質量，及時供應市場，提高產業(yè)集中度，實現穩(wěn)定、可靠、快速地滿足市場。以提高制造能力和生產集中度為重點，支持骨干企業(yè)快速發(fā)展。
?。ㄋ模┡μ岣邍a數控機床市場占有率
提高國產數控機床市場占有率是“十一五”期間行業(yè)發(fā)展的重中之重。要從質量、可靠性、服務等方面入手，創(chuàng)品牌、擴市場、擋進口、爭出口。爭取在五年內國產數控機床國內市場占有率有較大提高。
五、結語
20世紀50年代初出現的數控機床，在經歷半個世紀的發(fā)展，現已成為當今制造業(yè)的主流設備。尤其是20世紀90年代高速加工中心的誕生，使數控機床得到了更為廣泛的應用。隨著FMC和FMS迅速發(fā)展及CIMS的成熟，又將對我國數控機床的可靠性、通信功能、人工智能等技術提出更高的要求，使國產數控機床逐步縮小與工業(yè)發(fā)達國家的差距。
