數控機床發展狀況綜述

樂偉偉

摘 要：數控機床是技術密集的現代制造裝備，是組成制造系統的基本單元。近年來，隨著數控機床、特別是中高檔數控機床功能的不斷增強，先進功能的維持能力--可靠性問題越加重要。目前，國產數控機床的功能與國際先進水平的差距不斷減小，但可靠性技術落后，差距明顯，已經成為行業發展的瓶頸，同時也引起了行業和學術界的高度關注。本文闡述了數控機床的發展歷程及國內外的研究現狀，為相關專業科研人員研究提供了參考。

關鍵詞：數控系統；機床；發展歷程；

國際信息處理聯盟（IFIP）對數控機床作了如下定義：數控機床是一個裝有程序控制系統的機床。該系統能夠邏輯的處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規定的程序，定義中的控制系統即是數控系統。

1數控機床的發展歷程

電子技術的進步帶動了數控機床的行業發展。隨著電子技術的不斷更新，數控機床也發生著日新月異的變化，但是可靠性一直是困擾數控機床發展的主要問題之一。1952年，帕森斯公司與麻省理工學院為研制飛機螺旋槳葉片輪廓，成功試制了世界上第一臺電子管三坐標數控銑床。自此，制造領域數控加工的時代拉開了帷幕。

在數控機床發展初期，機床主要控制單元是由大量電子管組成，而其電子管元件體積龐大，功耗較高，價格昂貴，可靠性差，除了在軍工、航空部門使用，幾乎沒有在其他行業應用。

上世紀50年代末期，晶體管和印刷電路板的出現，使數控裝置進入了第二代（即點位控制的數控機床），體積縮小，成本下降，使數控機床開始在民用機械制造業初步推廣。此時的數控機床只能進行簡易的加工，可靠性還有待提高。

1965年，集成電路代替了晶體管和印刷電路板，標志著數控機床進入了第三代，體積小、耗能低，性價比高，同時，可靠性較以往產品有所提高，這也促進了數控機床品種和產量的發展。值得一提的是，在這一時期還成功開發了世界上第一臺加工中心，這是數控機床領域的重大發展，使加工復雜結構工件成為可能，截止到目前為止，工業發達國家的加工中心產量幾乎占據數控機床產量的四分之一。

1974年，大規模集成電路技術將微處理器（CPU）直接用于數控系統變為現實，芯片的高度集成，將數控機床的從硬件控制帶入了計算機控制的時代。計算速度的提高，推動了數控技術的發展，同時，也擴大了數控機床的功能，體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。70年代后期，在數控加工中心的基礎上，又發展了五面體加工中心，提高了復雜型面零件的加工精度，減少了切削準備時間和測量時間。

80年代初，計算機技術的發展，實現了友好的人機對話自動編程的數控系統，出現了柔性制造單元（FMC），它和柔性制造系統組成了最初計算機集成制造系統CIMS使以信息技術為核心的集成制造技術在工業領域發揮了作用。數控裝置的體積縮小到直接可以安裝在機床是，自動化程度進一步提高，使機床具有了自動監控自動檢測等功能，作為數控機床的指揮中心——數控系統的MTBF已由70年代的大于3000h，提高到90年代初的大于30000h。

90年代至今，敏捷化制造系統作為機械加工裝備的主體，為實現以虛擬技術為核心的數字制造技術成為可能。以數字化為特征的數控機床成為柔性化制造系統和敏捷化制造系統的基礎裝備，正朝著高精化、高效化、智能化、柔性化、復合化的趨勢發展。

六桿數控機床（即虛擬軸機床）是20世紀數控機床結構的重大突破。個人計算機平臺所操控的數控系統大大增加了控制軸的數量，而且，數控功能不止控制刀具運動軌跡和機床動作，還能完成自動編程、檢測、故障診斷與通訊等多種功能。而在進入了日本遠洲株式會社在2002年便提出為汽車行業提供的加工中心目標是MTBF達到5000小時以上。

21世紀以后，各企業對數控機床的可靠性要求則是已經上升到具體目標的階段，如縱觀數控機床60多年的歷史，除了數控裝置的快速發展，高性能功能部件的研發及專業生產，也成為了數控機床技術進步和品質提升的重要條件之一。電主軸、雙擺主軸頭、數控動力刀架、快速換刀裝置等功能部件的出現，不僅縮短了機床開發周期，降低制造成本，還將促進數控機床復合化加工的擴展，推動新一代可重構機床的出現。但是，相比數控系統來說，結構件的可靠性則較低。

2數控機床的國內外發展現狀

機床工業強，則國家強，反之則弱。美國、德國和日本，作為當今世界制造業發達國家的同時，也同時擁有最尖端的數控機床技術。他們憑借優厚的研發實力，嚴格的質量控制，精湛的產品品質，使本國的數控機床產品一直引領著該行業的發展。領先的數控機床水平，使這些國家的不管是軍事產品，還是民用產品都處于世界領先地位。尤其是日本，數控機床行業經歷了僅僅十幾年時間，從起步到迅猛發展，從1978年到2008年，一直以高可靠性和高性價比的產品優勢占據著數控機床年產量世界第一的位置。

中國機床工業是伴隨著新中國的成立而起步的，經歷了整整六十一年。1958年，我國初步開展了數控機床的開發與研制工作。自1980年改革開放以后，機床工業大量引進、消化和吸收了日德美先進數控機床技術，使我國數控機床在技術上、產量上得到迅猛發展和進步。特別是2001年以后，我國數控機床產量穩步上升，截止到2010年，數控機床產量已經達到22.39萬臺，與2001年1.75萬臺的產量相比，增長了將近13倍。即使在2008年，我國機床行業產量在一定程度上受到經濟危機影響，可在隨后的2年，生產量卻奮起直追，尤其是在2010年，同比增長55.39%，使生產總量一躍成為世界第一。

雖然近30年來，我國數控機床產量上有較大提高，但是由于自主研發能力相對發達國家還有很大差距，并未深入系統的科研工作，沒有充分掌握國外數控機床產品的關鍵技術，長期仿制的工作模式，使我國數控機床與工業發達國家的先進水平形成了鮮明的對比。而國產數控機床的可靠性與國外相比明顯偏低，一度造成了中國機床的口碑較差的尷尬局面。從2009-2010年世界各國機床的進出口數據以及美國GardnerPublication公司的調查報告可以看出，德國和日本是機床出口大國，并且以高精尖高檔數控機床為主；同時，國外機床大國新生產的機床有35%銷往中國fall。而我國雖然有大量的機床消費量，但是，進口量占較大比例，即高檔數控機床還是依賴與進口。究其根本原因，數控機床可靠性是造成該問題的主要因素。因此，為了改善中國機床所面臨的難題，縮小與世界先進水平的差距，提高產品可靠性已刻不容緩。

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