数控机床发展趋势及发展策略分析

李文化 牛石从 李树鹏 陈帅 王明智

摘要：数控机床的精密程度和操作效率对整个制造业具有深远的影响，并且数控技术的自动化和智能化也是制造业未来发展的新风向。数控加工技术提高了我国制造业的发展，但是相比于西方先进国家的数控机床技术，我国数控机床在设计和制造方面还存在着一定的差距，本文对数控机床的发展现状和存在的问题进行详细的分析，并就数控机床技术未来的发展趋势以及发展策略进行了全面的阐述，以期为我国数控机床的发展提供参考。

Abstract： The precision and operation efficiency of CNC machine tools have a far-reaching impact on the whole manufacturing industry， and the automation and intelligence of CNC technology is also the new trend of the future development of manufacturing industry. CNC machining technology has improved the development of China's manufacturing industry， but compared with the CNC machine tool technology of western advanced countries， there is still a certain gap in the design and manufacturing of China's CNC machine tools. In this paper， the development status and existing problems of CNC machine tools are analyzed in detail， and the future development trend and development strategy of CNC machine tools are comprehensively elaborated In order to provide reference for the development of CNC machine tools in China.

關键词：数控机床;发展趋势;发展策略

Key words： CNC machine tools;development trend;development strategy

中图分类号：TG659                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0071-03

0  引言

通过数控机床不断完善和发展，在工业和农业等多个领域均有广泛的应用，并且极大的推进了人们信息化和自动化的进程。在1952年，美国相关科研人员将计算机技术成功的应用在机床制造方面，研发出第一台数控机床。该机床具有数字化控制系统，能够对于传统循环往复的重复工作进行自动控制，从此，传统机床产生了质的变化。随后经过不断的完善和产品更迭，数控系统能够完成越来越复杂精密的任务，并且数控系统更像自动化和智能化方向发展。目前，数控系统经过六代的发展变得更加高效和智能。

1  数控机床工作原理及组成

实现数控机床的运转工作需要以下几个步骤，首先应了解数控机床加工零件最终的相关尺寸和对应标准，将实现的目标和相关的变量进行系统的控制，因此通过计算机信息系统进行加工零件工序的编程，形成具有较好逻辑的加工程序。通过这一程序，相当于对数控机床提供了加工指引，然后对机床的加工状况和控制模式进行调整，检查机床的工作环境以及具体设备运行状况，确保冷却系统润滑系统、夹具系统、运动系统等多个系统能够正常工作。最后通过不同部件的协调配合，实现相应加工顺序和轨迹的移动，从而得到图纸中设计的零件。想要实现上述多个系统的联动，应该对数控机床的组成进行具体探究。

2  数控机床发展历程

由于国外对于数控机床的发展时间较长，并且对于机床的设计结构以及应用的领域均进行不断的改造和探究，主要研发数控机床的厂家大多位于发达水平较高的德国、美国等国家。在研发的道路上，数控机床的划分可以分为三个阶段，首先对于轻型的十字架型机床进行研究，在成熟商用的基础上又研制出门型机床。随后，工业化进程的不断加快，对于大型产品的加工有更高的要求，国外研发出龙门行大型数控机床从而能够实现大体积器件的加工，有效的提高了工作效率。在上述三个阶段中，根据不同国家的标准对应多种机床型号，从而在社会发展中对应的各行各业均有较强的应用。目前，德国的一系列厂商对于数控铣床工艺研发水平较高，比如在龙门行机床中专门安置机械手臂切割装置，配合五轴控制系统，能够实现机械手臂灵活工作，伴随着精密度的升高，能够生产出更加复杂的零件。与此同时，在机床运转过程中，还伴随有感应器和跟踪探头，能够对运行的轨迹进行模拟分析做出及时地调整，从而使数控机床更加智能化。

由于数控机床对于国家的发展至关重要，我国也出台了较多的相应政策来支撑该技术的发展，并且在企业的不断创新引领下，中国数控机床也得到快速的壮大和发展，使得制造业在国际上有更多的话语权。数控机床规模从2015年得到快速的攀升，截至2018年，数控机床市场规模已经突破3000亿元，年增幅高达10%。我国进口的数控机床多以立式加工为主，随着我国数控机床技术的不断成熟，我国也出口较多类型的机床，比如弯曲折叠矫正等功能的机床。这些机床在2018年出口量达27.4万台，因此这也说明了我国对数控机床相关技术较为重视，并且在数控领域得到较好的发展，将机电一体化技术已经完全的应用到车床、磨床、铣床等各种类型加工机械。

3  数控机床发展趋势

3.1 高效率、高精度

一台数控机床可以支持多种零件的加工，加工不同的零件，只需调整相关控制程序，即可进行多模式的生产，不仅节约了生产的时间，同时能够强化数控机床的应用范围。由于数控机床具有更快的加工效率，并且大大简化了加工人员的布局，不仅能为企业降低生产的效率，同时还能缩短生产的周期，能够更适应市场的波动，做出快速的产品生产战略布局。

国内数控机床能够根据不同领域的需要进行针对性的升级，因此能够对模具、制造、机械加工等多个领域均有广泛的应用。数控机床能够实现更高的加工精度，因此对于精度较高的相关器件均可以采用国内的数控机床进行加工，由于精度的提升，能够使产品的质量得到有效的保障。数控机床实现多坐标协同联动，不仅支持X轴和Y轴的变动，同时能够配合Z轴进行3D的加工控制，因此对于复杂的零件能够进行精密的加工。数控机床对于曲面弧面、抛物线等多种形状尺寸均能进行精准的控制，与此同时控制模式还包含多个维度坐标轴之间的协调联动，并且控制是通过计算机信息的处理进行实时的控制，因此对于复杂的曲线曲面能够做到较为完美的加工。此外，机床的精准度高，因此能够使加工过程中节约加工材料，避免加工产生的资源浪费。

3.2 制造更加自动化和智能化

数控机床能够实现控制自动化，操控人员进行编程后，即能让机床自动化执行加工操作，因此可以大大的降低工作强度。数控机床在现代化管理中有较好的应用，将数控机床本身的控制模式和运转信息添加在计算机信息网络中，能够便于计算机辅助设计管理一体化，因此对现代化生产管理提供较好的基础。数控机床有效的实现加工的自动化过程，并且该自动化过程并不是一成不变，而是通过相关零件的不同设置和不同型号进行动态的调整，通过计算机的记忆储存能力，将相应程序和代码进行自动执行，对不同产品的生产只需要对执行程序的切换即可实现快速的工作。这些自动化呈现出来的特征，我们称为柔性自动化，基于此，数控机床的生产能力和生产产品的范围较普通机床有质的提升。通过工序的自动判定和优化，能够通过计算机仿真模拟等过程使材料的加工工序更加科學，从而减少了零件在机床或者车间反复的传送搬运等复杂操作。加工过程中如果发生较大的偏差或者机械故障以及系统错误，能够自动的报警，并且数控机床安装多枚传感器能够进行自动监控以及固件检测等多种功能，即使无人看管，也能稳定的运行。由于数控机床涉及多个专业领域的知识，对于操控人员的专业能力和综合素养要求显著提升，并且维护保养的工作难度增加，因此需要注重操控管理人员自身的能力。

4  数控机床发展策略分析

4.1 增强数控机床的数字化能力

从宏观角度看，国家相关的民用机械，军用设备的制备和研发要借助数控机床进行加工，因此国家对于数控机床技术掌握的能力对国家的发展具有至关重要的意义。通过将信息技术在传统产业中的应用，能够使传统的机械工业具备新型的加工能力。如果在传统的数控机床中加入信息化控制模组，能够实现信息的管理，那么能够使加工更加高效，并且使加工的相关标准与世界接轨。比如运用信息技术使用CAD等计算机设计软件，信息化行业的不断发展，相关硬件得到快速的普及，因此在硬件之上搭建出完善的计算机辅助设计软件成为人们在多种设计行业的刚需，因此这些软件的诞生有效的填补市场的空白，加快了整个设计行业的生产效率和能力。由此可以看出，在传统机床中进行信息革命升级改造能够大幅度提高机床设备的加工能力。而我国对于信息技术相关产业发展较为滞后，在1995年数控机床占有率仅有1.9%，而同比日本在1994年数控机床的占有率已高达20%，而经过20余年的不断创新和发展，我国在数控机床信息化智能化等领域的应用也有较大的突破，这更加对传统机床进行改造提供了良好的条件，因此从宏观角度上也说明，需要加快数控机床改造的步伐。

4.2 优化数控系统

我国数控机床中的数控系统可以分为两类，一种是直接引用国外的数控系统，比如采用日本、德国等公司的成熟数控器件，直接安装在国产的机床架构上，从而实现国产数控机床的制备。另一种是在引用国外先进数控装置和技术的基础上，进行自主的研发和制备，比如国内华中数控等企业，通过不断的吸收国外数控经验，目前制备出的数控系统已经得到广泛的应用。

针对这两类数控系统而言，国外直接引进的数控系统价格较高，如果对传统机床进行数控升级，采用国外的数控系统，虽然能够保证性能的可靠强劲，并且该数控系统拥有较长的寿命和稳定性。国产数控系统已经经过较长时间的发展，目前虽然对于大功率伺服电机控制的能力仍有待加强，但已经能够保障工业生产的基本需求。控制系统支持不同的驱动模式和控制单元，支持数字式交流单元以及三相异步电机的控制。并且该系统配备了7.4英寸的彩色液晶显示系统，能够实现人机的交互更加顺畅，并且对实时加工的进展以及后续控制的模式进行调动，因此友好丰富的界面以及人性化个性化的系统特征，能够适配多种工业生产的需要。

4.3 增强数控机床的研发创新能力

我国制造业较为发达，并且对于劳动力和相应制造业的资源价格均有得天独厚的优势，因此，应抓住这一优势，快速的进行制造业的升级和改革，将制造大国这一标签展示出澎湃的创新力。虽然有上述这些优势，但是对于相关数控机床的自主技术和创新技术研发能力方面仍有待提升，由于发展的周期较发达国家短，并且综合应用机电一体化能力较弱，因此需要我国对数控机床行业进一步增加重视度，加强相关科研人才的培养，对于企业运行的模式和服务的思维进行改革，从而使我国数控机床的核心科技。但在发展过程中，需要注重逐步开展稳定前行，先从中端的数控机床产品进行研发，在完全掌握该技术的基础上进行高端数控机床的探索，从而一步步的由制造转变成智造，从中国制造强国变成创新强国。

5  加速数控机床的全面升级改造

对于小型轴类盘类等零件加工，在市场中多采用CA6140型车床，该车床可以控制主轴的正转和反转，进而实现切削速度的调整，并且该车床的刀架也可以进行横向纵向的综合性进给运动，从而能够实现多个方向的加工。并且在换刀点能够自动改变不同的刀具，使得传统普通加工模式也较为快速。该车床中有润滑泵和冷却泵，能够较好的控制加工的温度，防止产生热应力，同时润滑泵能够使车床各部件的工作更加顺畅。通过控制主轴的启停和旋转状况，从而能够使刀架按照一定的速度进行移动。上述这些特征均可以作为数控系统改造的基础，对于该车床的相关资料以及技术标准进行探究，进而制定出较为完善的改造方案。

5.1 主传动系统改造

普通机床改造过程中，对于原有的传动系统和变速系统可以给予保留，因为数控机床也需要这一套运动系统进行运转。可以将该系统进行科学的结合，从而减少改造料，并且节约改造成本。除此以外，对于主传动系统的改造应注重自动化程度的提升，能够在机床运动过程中实现自动控制切削的速度和切削的模式。将该型号机床中的主轴电机进行替换，采用交流调速电机，从而实现无极变速功能，从而对自动化档位的控制提供较好的基础。

5.2 数控系统设计

数字控制系统应做到较高的信号控制时效性，并且对于数据处理的速度和相关指令的传递符合国家的标准。由于自行开发数控系统难度较高，需要较多的人力物力进行长期系统的研制，可以直接采用市面上较为成熟的数控系统，比如型号为NIM-9702的数控系统。

5.3 刀架的相关设计

刀架必须有良好的結构，从而能够保障车床切削以及加工的性能，本研究中采用的刀床为卧室刀床，将刀架的方案替换成自动换刀方案，这样能够和自动化系统进行联动，采用的刀架为四工位螺旋转位刀架，因此能够满足车床自动化控制的需要。

6  结束语

数控机床不仅实现高精度且高效率的工作，在当今发展过程中，对于数控机床也赋予了新的任务，目前需要数控机床更加智能化开放化，并且结合信息时代进行网络化，从而使控制更加便捷，管理更加高效，生产过程变得更加绿色和环保，这些发展方向均为未来数控机床的发展提供了较为清晰的目标。

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