浅析数控机床的发展进程及趋势

作者简介：杨利勇（1976.12-），男，甘肃酒泉人，主任，本科，研究方向：化工。

摘 要： 本文以数控机床为研究对象，首先阐述了数控机床的发展历程，尤其对其进给伺服系统和机械传动系统的发展过程进行了详细描述，接下来对我国数控机床的发展现状与发展趋势进行了介绍，并分析了其存在的问题，最后提出了针对我国数控机床的发展策略。

关键词： 数控机床;进给伺服系统;机床加工程序

【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.150

1 数控机床的发展进程

自上世纪50年代以来，世界数控机床主要经历了数控NC（Numerical Control）和计算机数控CNC（Computer Numerical Control）2个阶段[2]。

数控NC阶段主要经历了以下3代：

第1代数控系统，始于50年代初年，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。

第2代数控系统，始于50年代末，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。

第3代数控系统，始于60年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，可靠性提高，推动了数控系统的进一步发展。

计算机数控CNC阶段也经历了3代：

第4代数控系统，始于70年代，当首个采用小型计算机的CNC装置芝加哥展览会上露面时，标志着CNC技术的问世。

第5代数控系统，70年代后期，中、大规模集成电路技术所取得成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生，并逐步应用于数控系统。

2 数控机床发展中所存在的问题

由于我国的技术水平和基础工业相对其他发达国家相比比较落后，数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比差距还很大。因此，加速进行中国数控系统的工程化、商品化攻关，尽快建成与完善我国数控机床和数控产业成了我国的主要任务[5]。目前，我国在发展数控机床业中存在的主要问题主要有以下几点：

1）缺乏实事求是的科学精神，忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律，没有实事求是地制定数控机床发展的规划，盲目性大。

2）缺乏系统深入的科研工作难以对各种技术资料进行积累，设计方法陈旧，仅靠类比模仿进行产品设计，既缺乏机床创新的基本理论，又缺乏丰富的生产实际经验，对高效自动化机床、数控机床的刚度、振动、热变形、噪声、精度补偿等基础技术缺乏深入研究，对各类机床加工工艺、布局、结构、导轨、卡轴、卡具等应用技术又缺乏认真试验，难以创新设计出优质适销的先进产品。

3）没有合理地运用资源这主要表现在两点，第一，对于所涉及到的研究所、厂房等没有综合应用、取长补短，往往见到的是他们孤军作战，而且各单位忙于生存，普遍缺乏深入系统的科研工作，更没有做到生产一代、研制一代、预研一代等可持续的发展;第二，机床行业人员素质低，缺乏各方而人才，而且各研究单位、企业、人才流失严重，科研、设计力量十分虚弱，往往呈现低效運行状态。

4）我国制造业大环境的制约。由于没有在全国范围内发展大量大批生产自动化，对高效自动化机床的卞机设计的基本功较差，而机床的品种结构发展，全靠主机设计本领加以变化，因此，依靠引进和合作生产来发展各类卞机，至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品，基本处于仿制阶段。

3 数控机床的发展策略

从上世纪80年代起，我国机床制造业对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。但是由于我们的数控技术与其他工业发达国家差距较大，与国外一些先进产品相比，仍存在着很大劣势，使得我们总是处于技术跟踪阶段。面对这种情况，为了加速振兴我国的机床制造业，提高我国的数控机床技术，应当加强以下几个方面的研究工作：

1）以高速化为先导，提高数控机床的综合性能：数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一个重要措施。分析中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以得出，作为表征其切削运动高速化的主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地以每10年增长1倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度（指以滚珠丝杠和旋转伺服电机驱动）和自动换刀/工作台转位速度，基本上以每12～15年翻一番的速度增长，1993年后逐步推广用直线电动机直接驱动的新技术，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了1倍。高速化的发展还要多注意2个问题：从先进适用出发确定高速范围;高速化要和机床的结构和控制性能相匹配。

2）推进μm 工程，研制高效精密数控机床：目前国内生产的数控机床尚缺少高效、高可靠性且加工精度达微米级的产品。为此，需研发一些能兼顾高效化和高精化的数控制造装备以适应汽车制造业加工关键零件的需求。由于这些数控制造装备的加工精度主要在微米级（μm）范围内，因此可称为μm级制造装备及技术研究，简称“μm 工程”。

3）发展复合加工数控机床、缩短制造过程链：加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的稳定性。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间占零件整个生产周期的40%～60%，即使在信息管理良好的情况下，仍将占20%左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。为了避免复合机床因功能的扩展而过多地引起结构的复杂化和成本的增加，还需要探求两个问题：通过创新技术扩大功能部件的适用面来简化结构;发展模块化和可重构化的复合机床。

4）高效柔性化的新一代制造系统：1995年开始研究的在可重构制造技术支持下，构建具有适应大批量高效柔性化生产的可重组制造系统（RMS）是一个值得注意的发展动向。其核心为制造系统能物理组态，即根据加工对象的变化方便地进行布局和设备配置的调整，发展了能对多变的市场需求做出合理的配置规划和易于调整的布局方式、适应重构的控制软件、开放式控制系统和规范化接口以及能快速提升系统重组后制造质量的诊断系统等技术，使其兼具专用生产线的高效性能和适用的柔性以取得更佳的经济性，已在生产中取得了初步成功的应用。

5）发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化：当前，国内外一些机床和数控系统制造企业在从分布式网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，强化其自治管理能力，能与企业的资源计划（ERP），产品数据管理（PDM）和计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程（CAD/CAPP/CAM）的信息集成，进而通过与客户关系管理（CRM）和供应链管理（SCM）的联系做出智能决策，实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。