数控机床诞生已有70多年！一起来了解它的进化史和国内现状

机床( machine tools )是指用来制造机器的机器，又被称为“工作母机”或“工具机”。


早在15世纪就已出现了早期的机床，1774年英国人威尔金森发明的一种炮筒镗床被认为是世界上第1台真正意义上的机床，它解决了瓦特蒸汽机的气缸加工问题。


至18世纪，各种类型机床相继出现并快速发展，如螺纹车床、龙门式机床、卧式铣床、滚齿机等，为工业革命和建立现代工业奠定了制造工具的基础。


1952年，世界上第1台数字控制(numerical control，NC )机床在美国麻省理工学院问世，标志着机床数控时代的开始。如今，数控机床已经有70多年的发展历史。随着科学技术飞速发展，加工理念也从重切削加工到轻切削的转变，再到现在的高速加工的转变。从而推动了数控机床、刀具、工具及辅助软件的综合发展。目前高速加工理念在国内已经广泛运用。


数控机床进化史


机床作为“工作母机“，全程伴随了工业化的发展。18 世纪的工业革命后，机床随着不同的工业时代发展而进化并呈现出各个时代的技术特点。如图 1 所示，对应于工业 1.0~ 工业 4.0 时代，机床从机械驱动/手工操作(机床 1.0 )、电力驱动/数字控制(机床 2.0 )发展到计算机数字控制(机床3.0）并正在向赛博物理机床 （Cyber-physical machine )/云解决方案(机床 4.0 )演化发展。

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图1 工业化与机床进化史


而数控机床发展历程，则经历了几个重要拐点。


1952 年世界第 1 台数控机床在美国麻省理工学院研制成功，这是制造技术的一次革命性跨越。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术，实现按照零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行，从此 NC 技术就使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。


随后，为了解决 NC 程序编制的自动化问题，采用计算机代替手工的自动编程工具(APT )和方法成为关键技术，计算机辅助设计/制造 ( CAD /CAM )技术也随之得到快速发展和普及应用。可以说，制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。


正是由于数控机床和数控技术在诞生伊始就具有的几大特点——数字控制思想和方法、“软(件)-硬(件)”相结合、“机(械)-电(子)-控(制)-信(息)”多学科交叉，因而其后数控机床和数控技术的重大进步就一直与电子技术和信息技术的发展直接关联(图2)。


最早的数控装置是采用电子真空管构成计算单元，20 世纪40年代末晶体管发明，50年代末推出集成电路，至 60年代初期出现了采用集成电路和大规模集成电路的电子数字计算机，计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，为数控机床技术发展带来第一个拐点——由基于分立元件的数字控制(NC)走向了计算机数字控制(CNC)，数控机床也开始进入实际工业生产应用。


PC机的发展，给数控机床技术带来了第二个拐点。20世纪80年代IBM公司推出采用16位微处理器的个人微型计算机(personal computer，PC)，使得过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件)，走向了通用的PC化计算机数控。与此同时，开放式结构的CNC系统也应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，在此基础上，高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用。


21世纪以来，数控机床的第三个拐点开始变得清晰起来。智能化数控技术也开始萌芽，当前随着新一代信息技术和新一代人工智能技术的发展，智能传感、物联网、大数据、数字孪生、赛博物理系统、云计算和人工智能等新技术与数控技术深度结合，数控技术将迎来一个新的拐点甚至可能是新跨越——走向赛博物理融合的新一代智能数控。

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图2 数控机床发展历程及重要拐点


在这个过程中，机床的加工效率和加工精度，得到了不断的进展。先进制造技术的不断进步及应用大大缩短了加工时间，提高了加工效率。


从发展趋势来看，一方面，从1960年到2020年，制造生产中总的加工时间(包括切削时间、辅助时间和准备时间)减少到原加工时间的16％，即加工效率显著提升；另一方面，“切削时间、辅助时间、准备时间”这三者之间的占比也逐渐趋向一致。


因此，未来提高加工效率，不仅要着眼于工艺方法优化改进和提高自动化程度，还需要从生产管理的数字化、网络化和智能化的角度，有效缩短待工时间。图7b是20世纪80年代Taniguchi (谷口)给出的至2020年不同机床可达到的加工精度预测 (图中2000年到2020年的精度提升虚线为笔者所加)，可以看到，各种加工工艺方法和机床(或装备)技术的发展带来了加工精度的持续提高，但机械加工领域不同于集成电路制造领域，没有短周期可见效的摩尔定律(IC上可容纳的晶体管数目每18~24个月增加1倍)，其精度提升是一个长时间技术累积和不断迭代的过程(例如：精密加工提高 1个精度数量级的时间超过20年)。


我国数控机床的发展现状


我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。


特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。


国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。

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我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。


目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。


中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。