1、我国数控机床与技术的发展概况及趋势研究摘 要：数控机床和技术在国民经济中占有重要地位，已经成为各国制造业发展水平的重要标志。本文通过对数控机床及技术的组成、分类和特点及数控技术的发展状况，详细阐述了其发展趋势，并结合我国的数控技术与国外之间的差距，提出了相应的对策。 关键词：数控机床；数控技术；发展趋势；概况 0 引言 数控技术是每个国家先进制造业发展水平的重要标志，国家综合国力的提高和国防工业的现代化所必不可少的重要基础。美国、日本和德国等发达国家的数控机床和技术都处于世界先进行列， 如日本山崎马扎克公司开发出了 2 种可使用长镗杆切削工件的复合加工机床。德国德马吉（DMG）公司生产的 CT
2、X 310 ECO 通用车床其主轴驱动在无级可调情况下，转速可达 5000r/min，输出功率为 ll 千瓦 。 而我国数控技术发展比较晚，起步比较慢。在 20 世纪 50 年代末，经历了封闭式开发阶段。在“六五” 、 “七五”间，通过吸收和引进相结合，于“八五”期间建立国产体系。 “九五”期间实现了产业化阶段，组建了数控研发，数控生产基地，初步掌握了数控发展的技术，同时培养一批数控专业技术人才，初步形成了国产数控产业规模，开拓了国产数控产业市场。如图 1 所示为我国数控机床产业销售情况分布图。其规模较大生产公司有华中数控、广州数控和航天数控等具有经济性和普及型的数控系统及机床产品。经过 50
3、 多年的大力发展，其产品和性能大幅度提高，并逐渐在市场上站稳脚跟。但高端技术产品含量比较低，与国外数控系统差距比较大，对我国数控产业的发展还达不到主导和支撑作用。绝大部分高端数控产品主要依赖进口，如表 1 所示是近年来我国数控机床进出口变化对比表。因此大力发展国产数控产业对我国经济的发展、国防的进步和综合国力水平的提高具有极为重要的作用。 1 数控机床与技术简介 1.1 数控机床的结构组成 数字控制（Numerical Control ）是一种借助数字、字符或其它符号对某一加工过程进行可编程控制的自动化方法。而数控技术（Numerical Control Technology）就是采用数字控制
4、的方法对加工过程实现自动控制的技术。再将数控技术应用到机床上就演化为现在的数控机床。标准型的数控机床通常由数控机床控制系统和机床本体这两大部分组成，如图 2 所示。 1.2 数控机床及技术分类 1）按控制系统特点分，主要包括点位控制、直线控制和轮廓控制数控机床。其中，点位控制数控机床只要控制移动部件的终点位置，对运动轨迹不作要求；直线控制数控机床不仅控制两点间准确位置，还要控制其移动速度和轨迹；轮廓控制数控机床能够同时控制两轴以上的轴，并具有插补功能，同时对运动的起、终点，速度和轨迹进行精确控制来加工任意形状的曲线和曲面。 2）按执行机构的控制方式分，主要包括开环、半闭环和闭环数控机床。其中，
5、开环数控机床无位置反馈系统，加工精度低；半闭环数控机床带有位置反馈系统，并安装在滚珠丝杠或电机轴上，加工精度较高；闭环数控机床不仅带有位置反馈系统，而且将其安装在运动部件上，加工精度最高。 3）按工艺用途分，主要包括金属切削类、金属成形类和特种加工数控机床及其他类型数控机床。其中，金属切削类数控机床应用最为广泛，种类最多；金属成形类数控机床最近几年发展较快。 4）按数控机床的性能分，主要有高、中、低档三种数控机床。 1.3 数控机床及技术特点 数控机床作为一种先进的自动化机床，不仅具有较高的自动化程度，而且还具有广泛的通用性，综合运用了计算机技术、微电子技术、自动控制技术、机械结构和精密测量等
6、最新成就和技术，广泛应用于机械加工制造、国防军工产品生产、航空航天、交通运输等领域，其主要特点如下： 1）加工精度高，加工质量稳定、可靠性高； 2）加工过程无需人工干预，降低了工人的劳动强度； 3）当零件发生改变时，只需改变数控程序，即可继续加工，节省生产准备时间，提高生产率； 4）能实现多坐标的联动加工，能加工各种形状复杂的零件，加工范围广； 5）适应性强，适合加工单件和小批量复杂工件； 6）有利于实现机械加工的现代化管理。 2 数控机床及技术的发展概况 数控机床产业是国民经济发展的支柱产业，中国是世界制造大国，但不是制造强国。创新能力不强，基础薄弱，主要以低端产品为主，而制造业的发展主要依
7、赖于机床业的发展。为此，国家于 2005 年制定了国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年） ，同时将“高档数控机床与基础制造装备”确立为 16 个科技重大专项之一。通过国家计划支持，在数控关键技术方面取得较大突破，主要表现在如下几个方面：1）关键部件的技术水平和质量逐步提高，功能日趋完善，部分零部件的性能指标逐步达到国际先进水平。开发出了高速主轴控制单元、重载导轨、数控回转工作台、A/C 轴数控铣头、机械手和刀库装置和数字化量仪等部件和样机，并实现小批量生产规模。 2）中高档数控系统的研发取得了一定的成果。通过自主研发与国外合作，在中档数控系统研发上取得很大进展。解决了远程数
8、据传输和坐标联动的关键难题，相继又开发了伺服驱动系统，形成了系列化和标准化生产。 3）中高档数控机床研发有了较大的突破，在复合加工、五轴联动、高速加工和数字设计等方面取得了重大进展。 但与国外先进发达国家相比，差距还很大，还有很长的路要走，其不足主要有以下几点： 1）自主创新能力还不足，创新成分少，吸收和消化能力差。就目前情况来看，我国只是停留在掌握已有国外的先进技术上和提高国产化率上，没有形成自主研发和自主创新能力。要改变这种局面，不仅借助国外的先进技术作引导，还必须增强消化吸收能力，否则会更加依赖于国外技术。 2）功能部件发展滞后。由于数控机床是由若干功能部件在立柱和床身上进行组装而成。其
9、整体和功能部件之间是相互依赖，相互发展的，这些功能部件的发展也在一定程度上限制了数控机床的发展。3）产品的稳定性、可靠性不高。进口机床的平均无故障时间约为10，000 小时以上，国产为 3000-6000 小时左右。这种差距在一定程度上影响了国产机床在市场上的占有率。 4）网络化水平和技术较低。目前应用较多的还是 NC 传输、串口通讯技术和纸带阅读器，而远程故障排除、集成化和网络化水平有限。 5）产品可靠性、服务水平和产品质量等方面不强。国产机床的交货期、服务和质量等方面与国外的著名品牌差距较大，其数控系统的平均无故障时间差距也很大。另外，服务体系不完善，快速反应能力和成套技术服务满足不了现在
10、的多元化市场要求。 6）高档数控机床的需求量较大。尤其对高端数控机床的需求量较大，每年大约有 60%的固定资产用于购买机床。在“十二五”期间，随着汽车、高铁、航天工业、工程机械等行业投资增速、产业结构调整，对中高端数控机床需求量将继续增大。据分析，到 2020 年低中高档数控机床之比将达到 20：60：20，中高档数控机床年需求量在 12 万台左右。 7）体系结构不够完善和开放。用户接口不够完善，少数开放功能的产品，只停留在试验和试制阶段。 8）创新环境不完善。我国还未形成有利于企业创新的竞争环境，创新动力和创新意识不强。 3 数控机床及技术的发展趋势 数控技术不仅对传统的制造业带来了巨大的变
11、革，而且成为工业化的象征。随着数控技术的发展和应用领域的逐渐扩大，对国际民生的重要行业产生了极为重要的作用。从目前世界上数控技术及装备的发展趋势来看，主要体现在以下几个方面： 3.1 高精度化、高速化、高效性、高可靠性 世界各工业国家从精密到超精密加工，从微米级到亚微米级，再到纳米级发展，以适应现代科技的发展。通过高速化缩短切削时间，来提高生产率，实现高效发展。高的可靠性可以大大降低机床故障率，提高机床寿命。 3.2 开放式、智能化、网络化 开放式数控系统能在一个统一平台上，面向厂家和用户，通过增加、剪切和改变结构对象，实现产品的系列化。智能化主要是对产品质量、驱动性能、编程、人机对话、智能控
12、制、智能诊断等方面实现智能化。网络化是近年来的一大亮点，这一目标的实现可极大满足制造系统和制造企业对信息集成的需求，实现虚拟制造和敏捷制造等。 3.3 五轴联动加工和复合快速加工 采用五轴联动可实现对三维曲面零件的加工，效率高、加工质量好。但价格较高，编程难度较大，从而限制了五轴联动机床的发展。由于当前电主轴的快速发展，使五轴联动的复合主轴头结构大为简化，制造难度和成本降低，促进了五轴联动机床和复合加工机床的迅速发展。我国复合加工机床刚刚起步、国内首台复合加工机床是由沈阳机床集团与德国 MAX-MULLER 公司合作生产的车铣复合中心。 3.4 环保化 随着环境保护意识的增强，环保的要求也越来
13、越高。不仅在制造过程中不污染环境，在使用中也不产生二次污染。在这种环境下，装备制造领域对机床提出了无润滑液、无冷却液、无气味的环保要求。欧洲已有 10%-15%的加工实行了干切削或准干切削，如德国 HUELLER 的高速加工中心均采用了干切削技术；美国 HARDING 的 QUEST 系列车床；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷却技术；日本富士公司的数控车床采用了冷风冷却技术。 3.5 新技术规范和标准的建立 开放式数控系统有更好的适应性、扩展性、通用性和柔性。美国、欧共体和日本等国纷纷开始对开放式体系结构的数控系统新技术规范的研究和制定，这预示着数控技术的又一个新的变革时期的到来。我国在200
14、0 年也开始对中国的 ONC 数控系统的规范进行研究和制定。 4 结束语 我国是制造和生产大国，在世界产业转移中尽量接受前端而不是后端的转移。一方面，要努力掌握世界先进制造核心技术，缩短与先进国家之间的差距。重视数控人才的培养，加大对数控高端科技领域的拓展，加大经济的投入，实现由制造大国到制造强国的转变。另一方面，制造业还是我国就业人口最多的行业，可缓解当前就业的压力，提高人民的生活水平，保障社会的稳定。 参考文献： 1 林宝，单国栋.我国数控机床市场发展现状和趋势J.东方企业文化，2010（9）：121. 2 张玲. 数控加工编程M. 南京：南京大学出版社，2012.1. 3 胡俊，王宇晗，吴祖育等.数控技术的现状和发展趋势J.机械工程师，2000（3）：5-7. 4 苏宏志. 数控机床及应用M.青岛：中国海洋大学出版社，2010.9. 5 盛伯浩.我国机械加工装备的现状与发展J.机电新产品导报，2004（11）：63-68.
