北京航空航天大學(xué)劉強教授深耕數(shù)控加工及智能制造領(lǐng)域已三十余年，有深厚的專業(yè)積累。在本文中，劉強教授從工業(yè)化進程和技術(shù)發(fā)展的角度全面總結(jié)了機床進化史和數(shù)控機床發(fā)展歷程，分析了數(shù)控機床核心關(guān)鍵技術(shù)演進過程；系統(tǒng)介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展過程，并按階段梳理了數(shù)控機床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程以及發(fā)展進程中的重要事件；詳述了數(shù)控機床領(lǐng)域國際競爭態(tài)勢；給出了對該領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢的研判。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

本文作者：劉強，北京航空航天大學(xué)教授，博導(dǎo)。研究方向為智能數(shù)控技術(shù)、智能制造技術(shù)。本文做了適度刪減和調(diào)整，首發(fā)時間2021年4月16日。由【中國機械工程雜志社】原創(chuàng)首發(fā)，數(shù)字化企業(yè)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

引言：制造機器的機器

機床( machine tools )是指用來制造機器的機器，又被稱為“工作母機”或“工具機”。早在15世紀(jì)就已出現(xiàn)了早期的機床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認(rèn)為是世界上第1臺真正意義上的機床，它解決了瓦特蒸汽機的氣缸加工問題。至18世紀(jì)，各種類型機床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機床、臥式銑床、滾齒機等，為工業(yè)革命和建立現(xiàn)代工業(yè)奠定了制造工具的基礎(chǔ)。1952年，世界上第1臺數(shù)字控制(numerical control，NC )機床在美國麻省理工學(xué)院問世，標(biāo)志著機床數(shù)控時代的開始。數(shù)控機床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當(dāng)前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計算機實現(xiàn)，又稱為計算機數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置。

數(shù)控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機床分為數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機、汽車、航空發(fā)動機等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機床被加工零件的材料不再限于金屬材料，已擴展到復(fù)合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特種加工方法。此外，從功能和性能角度，又可將數(shù)控機床劃分為經(jīng)濟型、中檔(或普及型)和高檔三類。當(dāng)前對高檔數(shù)控機床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認(rèn)為：高檔數(shù)控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達(dá)到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指標(biāo)的數(shù)控機床。高檔數(shù)控機床是數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。

數(shù)控機床進化史

機床作為“工作母機“，全程伴隨了工業(yè)化的發(fā)展。18 世紀(jì)的工業(yè)革命后，機床隨著不同的工業(yè)時代發(fā)展而進化并呈現(xiàn)出各個時代的技術(shù)特點。如圖 1 所示，對應(yīng)于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時代，機床從機械驅(qū)動/手工操作(機床 1.0 )、電力驅(qū)動/數(shù)字控制(機床 2.0 )發(fā)展到計算機數(shù)字控制(機床3.0）并正在向賽博物理機床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機床 4.0 )演化發(fā)展。

圖1 工業(yè)化與機床進化史

而數(shù)控機床發(fā)展歷程，則經(jīng)歷了幾個重要拐點。

1952 年世界第 1 臺數(shù)控機床在美國麻省理工學(xué)院研制成功，這是制造技術(shù)的一次革命性跨越。數(shù)控機床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術(shù)，實現(xiàn)按照零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機床的軌跡運動和運行，從此 NC 技術(shù)就使得機床與電子、計算機、控制、信息等技術(shù)的發(fā)展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計算機代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關(guān)鍵技術(shù)，計算機輔助設(shè)計/制造 ( CAD /CAM )技術(shù)也隨之得到快速發(fā)展和普及應(yīng)用?？梢哉f，制造數(shù)字化肇始于數(shù)控機床及其核心數(shù)字控制技術(shù)的誕生。

正是由于數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結(jié)合、“機(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學(xué)科交叉，因而其后數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)的重大進步就一直與電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)聯(lián)(圖2)。

最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構(gòu)成計算單元，20 世紀(jì)40年代末晶體管發(fā)明，50年代末推出集成電路，至 60年代初期出現(xiàn)了采用集成電路和大規(guī)模集成電路的電子數(shù)字計算機，計算機在運算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進展，為數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展帶來第一個拐點——由基于分立元件的數(shù)字控制(NC)走向了計算機數(shù)字控制(CNC)，數(shù)控機床也開始進入實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

PC機的發(fā)展，給數(shù)控機床技術(shù)帶來了第二個拐點。20世紀(jì)80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個人微型計算機(personal computer，PC)，使得過去專用廠商開發(fā)數(shù)控裝置(包括硬件和軟件)，走向了通用的PC化計算機數(shù)控。與此同時，開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)也應(yīng)運而生，推動數(shù)控技術(shù)向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，高速機床、虛擬軸機床、復(fù)合加工機床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。

21世紀(jì)以來，數(shù)控機床的第三個拐點開始變得清晰起來。智能化數(shù)控技術(shù)也開始萌芽，當(dāng)前隨著新一代信息技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、云計算和人工智能等新技術(shù)與數(shù)控技術(shù)深度結(jié)合，數(shù)控技術(shù)將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數(shù)控。

圖2 數(shù)控機床發(fā)展歷程及重要拐點

在這個過程中，機床的加工效率和加工精度，得到了不斷的進展。先進制造技術(shù)的不斷進步及應(yīng)用大大縮短了加工時間，提高了加工效率，圖 7a 是被廣為引用的一個曲線圖，表示了先進制造技術(shù)發(fā)展與加工時間(效率)的進展情況。從發(fā)展趨勢來看，一方面，從1960年到2020年，制造生產(chǎn)中總的加工時間(包括切削時間、輔助時間和準(zhǔn)備時間)減少到原加工時間的16％，即加工效率顯著提升；另一方面，“切削時間、輔助時間、準(zhǔn)備時間”這三者之間的占比也逐漸趨向一致，因此，未來提高加工效率，不僅要著眼于工藝方法優(yōu)化改進和提高自動化程度，還需要從生產(chǎn)管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的角度，有效縮短待工時間。圖7b是20世紀(jì)80年代Taniguchi (谷口)給出的至2020年不同機床可達(dá)到的加工精度預(yù)測 (圖中2000年到2020年的精度提升虛線為筆者所加)，可以看到，各種加工工藝方法和機床(或裝備)技術(shù)的發(fā)展帶來了加工精度的持續(xù)提高，但機械加工領(lǐng)域不同于集成電路制造領(lǐng)域，沒有短周期可見效的摩爾定律(IC上可容納的晶體管數(shù)目每18~24個月增加1倍)，其精度提升是一個長時間技術(shù)累積和不斷迭代的過程(例如：精密加工提高 1個精度數(shù)量級的時間超過20年)。

圖3 加工效率和加工精度的進展

關(guān)鍵技術(shù)演進之機床結(jié)構(gòu)篇

數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)，可以分為機床結(jié)構(gòu)、主軸、伺服驅(qū)動裝置、數(shù)控裝置與插補技術(shù)。

機床結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：機床的各固定部分(如底座、床身、立柱、頭架等)、攜帶工件和刀具的運動部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機床基礎(chǔ)件和功能部件。

以常見的車削和銑削為例，典型的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)演進過程如圖4所示。數(shù)控車削機床結(jié)構(gòu)從早期的2軸進給平床身、2軸進給斜床身等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，發(fā)展到4軸進給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉(zhuǎn)體類零件高效率車削的加工中心結(jié)構(gòu)，進一步發(fā)展為可適應(yīng)復(fù)雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one)”的多功能車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)。數(shù)控銑削加工機床結(jié)構(gòu)從早期主要實現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動和主軸運動功能的經(jīng)典立/臥式銑床結(jié)構(gòu)，發(fā)展到帶刀庫和自動換刀機構(gòu)的3軸聯(lián)動立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)、帶交換工作臺的立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)，為滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率加工需求，又出現(xiàn)了4軸聯(lián)動和5軸聯(lián)動的銑削加工中心結(jié)構(gòu)，隨后以銑削/鏜削加工為主、兼有車削/鉆削加工功能的多功能銑車復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。在5軸聯(lián)動發(fā)展過程中，來自于機器人的并聯(lián)虛擬軸概念被引入到數(shù)控機床，出現(xiàn)了并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合5軸聯(lián)動的形式，但實際應(yīng)用有限。當(dāng)前，在同一臺數(shù)控機床上實現(xiàn)“增材加工＋切削加工”功能的增減材混合加工新型結(jié)構(gòu)機床已經(jīng)進入實用化發(fā)展階段。

在數(shù)控機床結(jié)構(gòu)發(fā)展演進過程中，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)布局(配置方案、優(yōu)化設(shè)計)和材料選用等方面的技術(shù)也不斷進步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩(wěn)定性、長壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對機床結(jié)構(gòu)的要求，研究者們先后提出了重心驅(qū)動(DCG)設(shè)計、箱中箱(BIB)、直接驅(qū)動(DDT)、熱平衡設(shè)計與補償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等設(shè)計原則和技術(shù)；在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；采用虛擬機床理念和方法，大大縮短了數(shù)控機床設(shè)計制造周期。數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土(礦物鑄件、人造大理石)、人造花崗巖以及天然大理石等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性。?

圖4 機床主機結(jié)構(gòu)的演進

關(guān)鍵技術(shù)之主軸和進給伺服驅(qū)動

主軸的作用是帶動刀(磨)具(鉆削/銑削/磨削)或工件(車削)按給定速度旋轉(zhuǎn)，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上實現(xiàn)材料去除。數(shù)控機床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動機經(jīng)主軸箱傳動的機械式主軸、電動機與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、高剛性大扭矩高速電主軸和智能式主軸等。

機床進給軸的伺服驅(qū)動方式從步進電機、電液比例伺服、晶閘管變流和PWM控制的直流電動機伺服等形式，發(fā)展到現(xiàn)在成為主流的矢量控制交流電動機伺服、雙電機重心驅(qū)動、直線電動機/力矩電動機直接驅(qū)動等形式，而且多采用帶有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)和“前饋＋濾波”的全閉環(huán)控制，為各坐標(biāo)軸進給提供高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)的運動控制。此外，伺服控制模式從模擬量控制，經(jīng)過“模擬量＋數(shù)字量”混合控制模式，發(fā)展為全數(shù)字式現(xiàn)場工業(yè)總線控制模式，如串行實時通信協(xié)議總線、實時以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)總線、過程現(xiàn)場總線等。

主軸和進給伺服軸驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展演進如圖5所示。

圖5 數(shù)控機床主軸和伺服驅(qū)動方式的發(fā)展演進

關(guān)鍵技術(shù)之?dāng)?shù)控裝置篇

數(shù)控裝置是數(shù)控機床控制的中樞，如前所述，數(shù)控裝置緊隨電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展而演變進化，其發(fā)展過程可分為7代(圖6)，第1、2、3代是分別采用電子管分立元件、晶體管、集成電路的數(shù)控裝置，處于數(shù)控裝置發(fā)展初期，體積和功耗大，可靠性低，實用性差。第4代為采用小型電子數(shù)字計算機的CNC裝置，相對于前幾代，其硬件平臺結(jié)構(gòu)緊湊、專用性強、可靠性大大提高，數(shù)控技術(shù)進入到計算機數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機床真正地進入到實用階段并加快了迭代和發(fā)展，此即為數(shù)控機床發(fā)展的第1個拐點，直接數(shù)控(DNC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等概念和系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。隨著超大規(guī)模集成電路微型中央處理器技術(shù)成熟，第5代數(shù)控裝置將基于微處理器的專用硬件或單板機用作其硬件平臺，進一步減小了硬件體積，降低了成本，但其硬件結(jié)構(gòu)的兼容性和開放性較差。20世紀(jì)80年代，第6代數(shù)控裝置中采用了個人微型計算機(PC)，帶來了數(shù)控機床發(fā)展的第2個拐點。借用PC成熟的軟/硬件平臺、豐富的應(yīng)用資源和通用的網(wǎng)絡(luò)化接口等特點，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉(zhuǎn)向以軟件算法實現(xiàn)各種功能，即進入到開放式、網(wǎng)絡(luò)化和軟件化數(shù)控階段。隨著工業(yè) 4.0發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第7代智能數(shù)控裝置及智能機床正在向我們走來，這將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個新拐點，甚至可能帶來一次新的革命。

圖6 數(shù)控裝置的演進

關(guān)鍵技術(shù)之多軸聯(lián)動與軌跡插補

多軸聯(lián)動控制技術(shù)是數(shù)控機床控制的核心技術(shù)之一。數(shù)控機床各進給軸(包括直線坐標(biāo)進給軸和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)進給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時運動稱為多軸聯(lián)動控制。高檔數(shù)控機床一般都具有3軸或3軸以上聯(lián)動控制功能，多為4軸聯(lián)動或5軸聯(lián)動。各個進給坐標(biāo)軸的運動一般由電動機在伺服驅(qū)動器控制下實現(xiàn)，因此，高性能的坐標(biāo)軸進給伺服裝置構(gòu)成了實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制的物理基礎(chǔ)。多軸聯(lián)動控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運動軌跡(即走刀軌跡)，通過軌跡插補和實時控制，在每個伺服控制周期給出各個聯(lián)動坐標(biāo)軸的運動增量，實時控制所有坐標(biāo)軸的同時運動(simultaneous motion)。

軌跡插補也是數(shù)控機床控制的核心技術(shù)之一。實現(xiàn)插補運算的裝置(或軟件模塊)稱為插補器，現(xiàn)代數(shù)控機床普遍采用數(shù)字計算機通過軟件實現(xiàn)軌跡插補。軌跡插補技術(shù)的發(fā)展過程如圖7所示。從實現(xiàn)的插補功能角度來看，2軸聯(lián)動的平面點位控制、平面直線和圓弧插補是最簡單的插補功能；2.5軸聯(lián)動插補實際上只有2軸聯(lián)動控制，其第3軸只能實現(xiàn)與另外2軸非聯(lián)動的控制，這樣的聯(lián)動插補方式可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應(yīng)性差；3軸聯(lián)動插補除了實現(xiàn)平面和空間的直線插補、圓弧插補功能外，高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補、拋物線插補等功能；5軸聯(lián)動插補可高效方便地實現(xiàn)各種復(fù)雜曲線和曲面插補的功能，并進一步發(fā)展樣條插補和先進的速度、加速度、加速度變化率(Jerk)等控制功能，是高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)加工的核心技術(shù)。筆者認(rèn)為，未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補功能(SDI)，并可望與基于人工智能和數(shù)字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結(jié)合，在考慮多軸聯(lián)動動力學(xué)模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實現(xiàn)由3D模型驅(qū)動的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動直接插補。

圖7 多軸聯(lián)動插補技術(shù)

我國數(shù)控機床發(fā)展概況

中國數(shù)控機床從無到有，到現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大的機床消費國和生產(chǎn)國。

從洋務(wù)運動到新中國建立前，中國機床工業(yè)處于萌芽階段。19 世紀(jì)洋務(wù)運動期間，曾國藩“訪募覃思之士、智巧之匠”，“覓制器之器與制器之人”。1863年容閎受曾國藩委派，歷時兩年從美國采購了第1 批機床設(shè)備，開始將西方現(xiàn)代機床工具引入中國。隨后，江南機器制造總局自制出一批機床。到20世紀(jì)上半葉陸續(xù)建立了重慶機床廠、長沙機床廠、中央機器廠等一批機床廠，20世紀(jì)40年代，東北、上海、江浙等地又建立了一批機床制造企業(yè)，后來成長為沈陽三機、上海機床、濟南一機、南京機床、無錫機床等國內(nèi)知名的機床廠。

從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規(guī)模建設(shè)階段。

1949年新中國成立后，中國機床工業(yè)開始進入快速發(fā)展時期?！耙晃濉睍r期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，第一機械工業(yè)部(簡稱“一機部”)按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè)，還建立了以北京金屬切削機床研究所(北京機床研究所的前身)為代表的被稱為“七所一院”的一批機床工具研究機構(gòu)。到1957年，一機部直屬企業(yè)在機床、工具、磨料磨具和機床附件方面的產(chǎn)品產(chǎn)量都占全國的 90％以上。相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量的國內(nèi)自給率達(dá) 80％左右。機床工具工業(yè)成為一個獨立的工業(yè)部門，為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這一時期是中國機床工業(yè)的奠基階段。

1958~1978年期間，中國機床工業(yè)進入大規(guī)模建設(shè)階段。60年代初期開展了高精度精密機床戰(zhàn)役，通過攻關(guān)累計掌握5類26種高精度精密機床技術(shù)，機床精度、質(zhì)量和工藝水平普遍提高。60年代中期開始的“三線建設(shè)”中，在川、黔、陜、甘、寧、青、豫西、鄂西等地區(qū)，由老廠老所遷建、包建了33個機床工具企業(yè)，改善了行業(yè)的地區(qū)布局，其中，為中國第二汽車制造廠(以下簡稱“二汽”)提供成套設(shè)備成為集機床工具行業(yè)技術(shù)能力和展示其發(fā)展水平的又一個全行業(yè)性大“戰(zhàn)役”，大大提升了行業(yè)技術(shù)水平和能力。與此同時，國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機床，以滿足國民經(jīng)濟建設(shè)之所需。

我國數(shù)控機床發(fā)展歷程，起步很早。我國機床產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了1949年前的萌芽階段后，在“一五”期間奠基并快速發(fā)展。1958 年第1臺國產(chǎn)數(shù)控機床研制成功，由此開始了數(shù)控機床的發(fā)展歷程，如圖8所示，這個歷程可以劃分為：初始發(fā)展階段、持續(xù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段、高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級階段。

圖8 我國數(shù)控機床發(fā)展歷程

在初始發(fā)展階段，這是相對封閉的技術(shù)研發(fā)期。在我國機床工業(yè)尚處在奠基發(fā)展的時期，美國于1952年研制出了世界上第1臺3軸聯(lián)動數(shù)字控制銑床，機床開始向數(shù)控化發(fā)展。1958年北京第一機床廠與清華大學(xué)合作研發(fā)出了中國第1臺數(shù)控銑床，僅比世界第1臺數(shù)控機床晚6年。到1972年我國能提供數(shù)控線切割機、非圓插齒機和劈錐銑等少數(shù)品種的數(shù)控機床產(chǎn)品。從第1臺國產(chǎn)數(shù)控機床研制成功到20世紀(jì)70年代中期，我國的數(shù)控機床處于初期技術(shù)研究探索階段，只進行了少量產(chǎn)品試制工作，尚未全面開展數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究和工業(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。70年代中后期，全面啟動了數(shù)控機床研制生產(chǎn)工作，1975年齊齊哈爾第二機床廠完成了國產(chǎn)第1臺數(shù)控龍門式銑床的研制。由于受到當(dāng)時國內(nèi)外形勢限制，缺乏與先進工業(yè)國家的技術(shù)交流，彼此數(shù)控機床技術(shù)的研究開發(fā)基本上處于封閉的狀態(tài)。

可以說，中國數(shù)控機床最早的研制工作幾乎是與世界同步的，雖然起步較早，但初期數(shù)控機床技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本上處于一種封閉狀態(tài)，從1958年到1978年改革開放前，數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。相對于美、日和歐洲先進工業(yè)國家在70年代末和80年代初就已實現(xiàn)了機床產(chǎn)品的數(shù)控化升級換代，我國的機床數(shù)控化進程到70年代末才剛剛開始，并且這一升級換代過程歷經(jīng)了多重曲折困難，直到30多年后，機床工業(yè)的產(chǎn)品數(shù)控化升級換代才得以全面實現(xiàn)。

1978年后，隨著國家的改革開放，我國數(shù)控機床進入一個新的發(fā)展時期，初步建立產(chǎn)業(yè)體系并推進產(chǎn)業(yè)化。80年代初期，通過引進數(shù)控系統(tǒng)、機床主機技術(shù)，并與國外公司聯(lián)合設(shè)計，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機床，例如：青海第一機床廠根據(jù)機械工業(yè)部安排與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第1臺臥式數(shù)控加工中心XH754 (1980年)；北京機床研究所與北京第三機床廠合作研制成功國內(nèi)首個JCS-FMC-1/2臥/立式加工柔性單元，北京機床所與日本FANUC合作研發(fā)的我國第1條回轉(zhuǎn)體加工柔性制造系統(tǒng)投入生產(chǎn)；南京機床廠與德國TRAUB公司合作生產(chǎn)TND360數(shù)控車床，成批量應(yīng)用于生產(chǎn)；北京航空航天大學(xué)研制的國內(nèi)首臺微型計算機數(shù)控系統(tǒng) CNC-4D 成批量成功應(yīng)用于航空企業(yè)XK5040銑床的數(shù)控化改造(1983年)?！傲濉逼陂g(1981~ 1985)，對數(shù)控機床采用直接從國外“引進技術(shù)”的方式，通過許可證貿(mào)易、合作生產(chǎn)、購進樣機等方式，引進數(shù)控機床及相關(guān)技術(shù)183項，開發(fā)出數(shù)控機床新品種81種，累計可供品種達(dá)113種，這成為我國數(shù)控機床從展品、樣機走向商品的一個分水嶺。

“七五”期間(1986~1990)，國家安排了數(shù)控機床科技攻關(guān)專題和以引進技術(shù)“消化吸收”為主要內(nèi)容的“數(shù)控一條龍”項目，包括5種機床主機和3種數(shù)控系統(tǒng)的消化吸收國產(chǎn)化。

“八五”期間(1991~1995)，以“自主開發(fā)”為重點支持國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開發(fā)，成功開發(fā)出了具有當(dāng)時國際先進技術(shù)水平的中華Ⅰ型(北京珠峰公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā))，華中Ⅰ型(武漢華中數(shù)控)和藍(lán)天Ⅰ型(沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心)等高檔數(shù)控系統(tǒng)。

“九五”期間(1996~2000)，以推進數(shù)控機床“產(chǎn)業(yè)化”為重點，在技術(shù)方面基于工業(yè) PC 平臺的普及型數(shù)控系統(tǒng)開始走向?qū)嵱?，并且攻克了開放式網(wǎng)絡(luò)化多通道多軸聯(lián)動技術(shù)；在產(chǎn)品方面，重點發(fā)展數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、數(shù)控電加工機床、數(shù)控鍛壓機床和數(shù)控重型機床等6大類產(chǎn)品，形成主機批量生產(chǎn)能力和關(guān)鍵配套能力，到2000年，我國數(shù)控機床品種達(dá)1500種，還研發(fā)出了5軸聯(lián)動數(shù)控加工中心并投入市場，但此期間機床工業(yè)的產(chǎn)值數(shù)控化率一直在20％左右徘徊，產(chǎn)量數(shù)控化率不足10％；在產(chǎn)業(yè)方面，國產(chǎn)數(shù)控機床面向市場競爭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐加快，開始進入市場競爭階段。

十五期間，中國機床進入了高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級階段，數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)品得到了快速普及和升級。

“十五”期間(2001~2005 )，隨著 2002 年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機床進入高速發(fā)展時期，國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量以超過30％的幅度逐年增長，國產(chǎn)5軸聯(lián)動加工中心和5面體龍門式加工中心為能源、汽車、航空航天等國家重點建設(shè)工程提供了關(guān)鍵裝備。這期間，在國家“863計劃”中還實施了“高精尖數(shù)控機床”重點專項，支持了航空、汽車等部分重點領(lǐng)域急需的高精尖數(shù)控裝備研制。

“十一五”期間(2006~2010)，我國機床工業(yè)保持持續(xù)穩(wěn)定高速發(fā)展，2007年沈陽機床和大連機床分別進入全球機床行業(yè)前 10強。一方面，一批機床企業(yè)“走出去”，到發(fā)達(dá)國家進行技術(shù)并購，如沈陽機床在德國設(shè)立技術(shù)研發(fā)中心，大連機床、沈陽機床、北一機床分別并購 Ingersoll(美國)、Schiess(德國)和 Waldrich-Coburg(德國)等。另一方面，國內(nèi)市場對中高檔數(shù)控機床需求急增，機床企業(yè)加大產(chǎn)品研發(fā)力度，“十一五”期間金屬切削機床中的數(shù)控機床產(chǎn)量達(dá)72.8萬臺，與“十五”期間相比，增長 281％，產(chǎn)量數(shù)控化率從15％(2006年)提高到30％(2010年)；一批民營數(shù)控機床企業(yè)開始快速發(fā)展，其產(chǎn)品在一些細(xì)分領(lǐng)域(如3C、汽車零部件和家電等)占有重要地位。從2009年開始，中國在金屬加工機床的生產(chǎn)、消費和進口三個方面均列世界第一，并保持到 2018年。2009年，國家出臺?裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃?，啟動實施“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(以下簡稱“04 專項”)，聚焦航空航天、汽車以及船舶、發(fā)電領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備的需求，進行重點支持。

“十二五”以來，總體來說國產(chǎn)數(shù)控機床市場競爭力不斷增強，在國內(nèi)中低端數(shù)控機床市場已占有明顯優(yōu)勢。04專項對高檔數(shù)控機床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動作用，加快了高檔數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的技術(shù)研發(fā)步伐，促進了機床企業(yè)與航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領(lǐng)域的用戶企業(yè)的結(jié)合；一批高檔數(shù)控機床(如車銑復(fù)合加工中心、大型龍門式 5 軸聯(lián)動加工中心、多主軸鏡像銑削機床等)實現(xiàn)了從“無”到“有”，并成功應(yīng)用于重點領(lǐng)域和重點工程的實際生產(chǎn)；濟南二機床已有9條用于大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線出口至福特汽車集團(美國)，并進一步拓展到日產(chǎn)汽車公司(日本)、標(biāo)致雪鐵龍集團(法國)，進入國際市場；5軸聯(lián)動數(shù)控機床精度測試“S試件”標(biāo)準(zhǔn)列入ISO 標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)我國在國際高檔數(shù)控機床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域“零”的突破。2015年，國家全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，“高檔數(shù)控機床和機器人”等10大領(lǐng)域被列為重點。2016年，我國機床工業(yè)的產(chǎn)出數(shù)控化率和機床市場的消費數(shù)控化率均接近 80％ 的水平，基本實現(xiàn)了機床產(chǎn)品的數(shù)控化升級。我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時，企業(yè)創(chuàng)新能力不足、核心技術(shù)缺失、專業(yè)人才不足、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡等深層次問題也逐漸顯現(xiàn)，2019年國內(nèi)機床行業(yè)兩大巨頭——大連機床和沈陽機床分別走向破產(chǎn)和重整，并被中國通用技術(shù)集團重組。與此同時，一批數(shù)控機床后起之秀異軍突起，以東部沿海地區(qū)為主形成了面向市場的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)聚集地區(qū)等。

“十八羅漢”變遷

中國機床的發(fā)展，經(jīng)歷了“十八羅漢”變遷和民營機床企業(yè)快速發(fā)展。

“一五”時期，我國由蘇聯(lián)及東歐國家援建了156項重點工程項目，其中涉及機床工業(yè)的項目有：新建沈陽第一機床廠和武漢重型機床廠、改建沈陽第二機床廠(即中捷友誼廠)，此外在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，一機部按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè)，這些企業(yè)及其專業(yè)產(chǎn)品分工見表1。

在計劃經(jīng)濟環(huán)境下，“十八羅漢”和“七所一院”快速建立了我國較完整的機床工具產(chǎn)業(yè)和科研體系，支撐了建國后直至1978年改革開放前我國的工業(yè)化發(fā)展，并為改革開放后制造業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，“十八羅漢”經(jīng)過多次改革，經(jīng)營機制、管理體制、所有制結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大變化。經(jīng)過40多年發(fā)展變遷，曾經(jīng)作為我國機床行業(yè)主力軍的“十八羅漢”企業(yè)中，一部分改革創(chuàng)新穩(wěn)定發(fā)展，如濟南二機床已發(fā)展為世界三大數(shù)控沖壓裝備制造商之一，同時還生產(chǎn)大重型金屬切削機床，成為“中國名牌”；一部分企業(yè)仍在改革調(diào)整之中，例如，沈陽機床、大連機床、齊二機床等已進入中國通用技術(shù)集團，并與集團下屬的北京機床研究所、哈爾濱量具刃具公司、天津一機床等共同組成了先進制造與技術(shù)服務(wù)主業(yè)中的機床板塊；少數(shù)企業(yè)已經(jīng)破產(chǎn)不再經(jīng)營，如長沙機床廠。

表1 “一五”時期布局的機床行業(yè)“十八羅漢”

而近10年來，一批民營數(shù)控機床企業(yè)異軍突起，在國內(nèi)外市場產(chǎn)生重要影響，如北京精雕、四川普什寧江、大連光洋/科德、上海拓璞、紐威數(shù)控(蘇州)、寧波海天精工、武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控等，它們是在數(shù)控機床行業(yè)國內(nèi)外市場競爭中崛起的后起之秀，成為中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外，以市場和用戶需求為導(dǎo)向，東部沿海地區(qū)則形成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，如山東滕州中小機床之都、江蘇泰州特種加工機床基地、浙江溫嶺工量具機床名城、浙江玉環(huán)經(jīng)濟型數(shù)控車床之都、浙江寧波模具之都、安徽博望刃具之鄉(xiāng)等，它們?yōu)閿?shù)控機床市場繁榮帶來了新鮮的活力和特色。

04專項的標(biāo)志性成果

2009年，對于中國機床發(fā)展具有重要意義和作用的04專項正式啟動?！笆晃濉逼陂g，通過支持8大類、57種主機產(chǎn)品部署課題任務(wù)，重點解決“有無”問題；“十二五”期間，聚焦高檔數(shù)控系統(tǒng)、功能部件及成套裝備和生產(chǎn)線的研發(fā)；“十三五”期間，進一步重點聚焦航空航天、汽車兩大領(lǐng)域，著力攻克數(shù)控系統(tǒng)與功能部件、可靠性和精度保持性技術(shù)、加工效率與工藝水平提升等問題?？傮w上，專項課題部署覆蓋了實施方案確定的重點任務(wù)，涵蓋了重點領(lǐng)域急需的關(guān)鍵制造裝備，部分先進企業(yè)在專項實施過程中充分了解用戶需求，由此催生出一批關(guān)鍵制造裝備，具備了一定的國際競爭實力。

在04專項支持下研制了一批高檔數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備，標(biāo)志性裝備及相關(guān)技術(shù)成果如下：

(1)航空領(lǐng)域大型關(guān)鍵成套制造裝備。成功研制一批典型航空結(jié)構(gòu)件加工所需的切削/成形裝備，如8萬噸(800MN)大型模鍛壓力機、龍門及臥式5軸聯(lián)動加工中心、大型翻板臥式加工中心、復(fù)合材料鋪帶機和鋪絲機等，填補了國內(nèi)空白，實現(xiàn)了進口替代。

(2)運載火箭大型特種制造裝備。多主軸鏡像銑削加工機床、大型龍門式 5軸加工中心、重型5軸龍門式攪拌摩擦焊裝備、自動化鉚接裝備等制造裝備得到示范應(yīng)用，掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了自主可控，為載人航天、空間站工程和新一代運載火箭提供了有力支撐。

(3)汽車大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線。形成了“汽車車身大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線”等優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)品，裝備了國內(nèi)幾乎所有自主品牌、合資品牌的汽車企業(yè)，國內(nèi)市場占有率達(dá)70％以上，國際市場占有率達(dá)30％，徹底擺脫了國產(chǎn)汽車高檔沖壓設(shè)備主要依賴進口的局面。

(4)動力總成(汽車發(fā)動機)關(guān)鍵加工裝備。面向動力總成的關(guān)鍵加工裝備精密臥式加工中心實現(xiàn)100％數(shù)字化設(shè)計，突破了熱誤差綜合補償技術(shù)，可靠性大幅提升，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和主要功能部件配套率顯著提高。

(5)發(fā)電設(shè)備重型制造裝備。成功研制3.6萬噸(360MN)黑色金屬垂直擠壓機、超重型立式車銑復(fù)合加工中心、重型橋式龍門 5軸聯(lián)動車銑復(fù)合機床等，為第三代核電提供了有效支撐。

(6)大型船舶制造裝備。成功研制 25m 數(shù)控立柱移動立式銑車機床、大型組合式曲軸車銑復(fù)合機床，解決了國家重大工程急需，填補國內(nèi)空白，我國船舶用高檔數(shù)控重型機床已可滿足船舶自主化制造的需求。

(7)光學(xué)元件超精密關(guān)鍵制造裝備。突破了超精密制造機床關(guān)鍵技術(shù)，研制出主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進水平的一批超精密加工關(guān)鍵裝備，構(gòu)建直接應(yīng)用于國家重大光學(xué)工程的 3 條示范生產(chǎn)線，完成國家重大工程所需的典型光學(xué)元件試制。

(8)高檔數(shù)控機床成套裝備。成功研制出箱體類零件加工 FMC50 柔性制造單元、航天發(fā)動機關(guān)重件 FMS 生產(chǎn)線、高壓油泵驅(qū)動單元凸輪軸智能生產(chǎn)線、汽車自動變速器齒輪(箱)數(shù)字制造工藝裝備鏈、螺紋/螺桿數(shù)字制造工藝裝備鏈、汽車輪轂智能制造島、五軸機床鋁合金肋板類臥式加工生產(chǎn)線等，在航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

(9)高檔數(shù)控系統(tǒng)。多通道、多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際主流產(chǎn)品技術(shù)水平，功能與之相當(dāng)，可靠性有效提升，打破國外數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，實現(xiàn)了在航空航天重點企業(yè)的批量示范應(yīng)用。

(10)高檔數(shù)控機床功能部件及配套體系。高速、高精、重載滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌產(chǎn)品性能及市場占有率均明顯提高，功能部件配套體系逐步完善。

(11)關(guān)鍵領(lǐng)域所需成套刀具及成套裝備。工具行業(yè)技術(shù)水平明顯提升，研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化能力明顯增強，在航空和汽車行業(yè)基本具備刀具整體配套能力。

全球機床態(tài)勢與中國

從全球來看，數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)主要集中在亞洲、歐盟、美洲三大區(qū)域，其中，中國、日本和德國是機床的主要生產(chǎn)國家，其區(qū)域結(jié)構(gòu)分布為(2019年)：日本32.1％、中國31.5％、德國17.2％、美國6.3％、意大利5.2％、韓國4.2％、其他3.5％。

根據(jù)《賽迪顧問|2019年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》，2019年規(guī)模排名全球前10位的數(shù)控機床制造商都來自于日本、德國和美國三個國家，分布如下：日本4家：山崎馬扎克(No.1 )、天田(No.5 )、大隈(No.6 )、牧野(No.7 )；德國占據(jù)4家，包括通快(No.2)、 DMGMORI (No.3)、格勞博集團(No.8)、埃馬克(No.10)；而美國有2家是馬格(No.4)和哈斯(No.9)。

2017~2019 年全球數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)總規(guī)模持續(xù)增長，2019年的總規(guī)模達(dá)到1492億美元，但增長率連續(xù)三年下降，從2017年的9.5％下降到2018年的7.0％、再到2019年的3.9％。此外，據(jù)財富商業(yè)洞察( Fortune Business Insight)的預(yù)測，2020~2027年全球機床產(chǎn)業(yè)的復(fù)合年增長率(CAGR )為4.5％。

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，按產(chǎn)品類型細(xì)分，2019年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)規(guī)律如下：數(shù)控金屬切削機床 783.3億美元(占比52.5％)，數(shù)控金屬成形機床 420.7億美元(占比28.2％)，數(shù)控特種加工機床265.6億美元(占比17.8％ )，其他 22.4 億美元(占比1.5％)。

就中國而言，2019年中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)3270億元，相比于2018年，總規(guī)模從多年的全球第一退居為第二，位于日本之后，出現(xiàn)了2.3％的負(fù)增長。同時，2019年數(shù)控金屬切削機床和數(shù)控金屬成形機床進口額均有所降低，同比下降分別為30.6％和約2.5％，但出口額均有所增加，同比增幅分別為9.0％和約16.4％。

從細(xì)分產(chǎn)業(yè)方面看，2019年數(shù)控金屬切削機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模1739.6億元，占比達(dá)到 53.2％；數(shù)控金屬成形機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模932億元，占比28.5％；數(shù)控特種加工機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模549.4億元，占比16.8％；其他數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模49億元，占比1.5％。

從區(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模和結(jié)構(gòu)看，華東地區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居第一，約為1805.0億元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模占比達(dá)到55.2％。中南和東北地區(qū)分列第二和第三，占比為19.1％和11.9％。

領(lǐng)先的日本機床

日本在機床工業(yè)尤其是在高檔數(shù)控機床領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，整體實力位于世界第一，擁有一批著名的機床企業(yè)和品牌，如山崎馬扎克、天田、大隈、森精機、捷太科特、牧野、三菱重工、沙迪克等，日本的機床企業(yè)眾多，技術(shù)領(lǐng)先。下面列出部分日本數(shù)控機床企業(yè)及產(chǎn)品、技術(shù)特點：

(1)日本精工(NSK)——軸承為其核心產(chǎn)品，并可全套開發(fā)及提供機床功能部件產(chǎn)品(如滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、電主軸等)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居日本第1、全球第3?？缮a(chǎn)Dmn值(軸承內(nèi)外圈平均直徑Dm×最高轉(zhuǎn)速 n )高達(dá)3000000m?r / min的滾動軸承及其配套的高速機床主軸(主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min)。服務(wù)于汽車零部件、精密機械組件、電子應(yīng)用等。

(2)山崎馬扎克(YAMAZAKI MAZAK)——主要產(chǎn)品有數(shù)控車床、復(fù)合車銑加工中心、立式加工中心、臥式加工中心、激光系統(tǒng)、FMS、CAD、CAM、CNC裝置和生產(chǎn)支持軟件等，產(chǎn)品以高速高精復(fù)合著稱。

(3)新日本工機(SNK)——專業(yè)生產(chǎn)大型龍門加工中心、車床、專機等，用于制造船舶引擎、客機主翼等大型部件，如其生產(chǎn)的5軸龍門精密鏜銑床大量用于發(fā)達(dá)國家航空工業(yè)。

(4)捷太科特(JTEKT)——生產(chǎn)超精密自由曲面金剛石加工機床，精度達(dá)較高水平(定位精度30nm、表面粗糙度Ra＝1nm)，可用于光學(xué)模具超精密車削及研磨。

(5)沙迪克(SODICK)——代表性產(chǎn)品是納米級精度慢走絲電火花加工機床，還推出了世界首臺“混合式水刀＋線切割”機床。

(6 )天田(AMADA)———數(shù)控沖床、折彎機、剪板機、激光切割等設(shè)備，其模具、備件、切削產(chǎn)品在該領(lǐng)域居全球市場No.1 (占比70％)地位。

(7)岡本(OKAMOTO)——生產(chǎn)世界最大龍門式平面磨床，可變靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)，拋光大尺寸半導(dǎo)體元件。

(8)大隈(OKUMA)——堅持從數(shù)控機床的核心部件(驅(qū)動器/編碼器/馬達(dá)/主軸等)到 NC操作系統(tǒng)到終端全部自主開發(fā)。

(9)牧野(MAKINO)——創(chuàng)造了日本機床的多個“No.1”，以立臥式加工中心、電加工機床(EDM)、磨床等為主打產(chǎn)品，服務(wù)于模具、汽車、航空、航天等行業(yè)。

機床強國的德國

德國是全球制造業(yè)大國及強國，尤其在機床工業(yè)領(lǐng)域擁有獨特的優(yōu)勢，經(jīng)過上百年的積淀，產(chǎn)生了一批聞名全球的機床制造企業(yè)。部分知名企業(yè)和產(chǎn)品情況如下：

(1)德瑪吉-森精機(DMG Mori)——擁有德國的德爾克、馬豪、吉特邁三大著名品牌，后又與日本森精機聯(lián)合，是全球領(lǐng)先和最大的金屬切削機床制造商，包括機床、服務(wù)及軟件解決方案，提供獨具特色的CELOS數(shù)字化生產(chǎn)管理和控制系統(tǒng)。

(2)通快(Trumpf)——工業(yè)激光領(lǐng)域技術(shù)及市場全球領(lǐng)導(dǎo)者，生產(chǎn)各類激光器、激光加工機床以及數(shù)控沖裁和折彎機床等。

(3)格勞博(Grob)——主要產(chǎn)品有各種機床、生產(chǎn)系統(tǒng)或切削線裝配單元、全自動裝配線，擅長發(fā)動機零部件整線交鑰匙工程，強調(diào)工藝/技術(shù)/資源/文化全球集成。

(4)埃瑪克(Emag)——工藝技術(shù)全面完善，提供加工盤類/軸/齒輪/箱體類加工機床和生產(chǎn)系統(tǒng)、激光焊接機等。倒立式機床獨具一格。

(5)舒勒(Schuler)——1852年即開始生產(chǎn)金屬加工機床，是金屬成形業(yè)的全球領(lǐng)先者，提供機床、生產(chǎn)線、自動化技術(shù)及相關(guān)服務(wù)，也為航空航天和鐵路提供解決方案。

(6)斯來福臨(KorberSchleifring)——平面及成形磨、內(nèi)外圓磨和工具磨機床，廣泛用于航空航天、汽車及其零部件、重工業(yè)等領(lǐng)域(已給全球提供了超過10萬臺磨床，其中中國6000臺)。

(7)因代克斯(Index)——1914年開始生產(chǎn)塔式自動車床，1975年生產(chǎn)多主軸自動車床。1992年推出了新一代模塊化部件的車銑復(fù)合中心。

(8)哈默(Hermle)——中小型五軸精密加工領(lǐng)域?qū)＜遥?軸高速立式加工中心技術(shù)國際領(lǐng)先，在德國本土中小型模具5軸機床市場占有率第1，已經(jīng)有超過1.7萬臺哈默生產(chǎn)的萬能銑床和加工中心在全世界使用。

聚集專業(yè)的瑞/法/奧/意機床

除了德國之外，瑞士、法國、意大利等歐洲國家在工業(yè)化發(fā)展過程中也產(chǎn)生了不少擁有技術(shù)優(yōu)勢和專長的機床企業(yè)，尤其是在面向細(xì)分領(lǐng)域的高精度和專業(yè)化機床及其整體解決方案方面，具有非常強的競爭力，這些企業(yè)包括：

(1)瑞士威力銘-馬科黛爾(Willemin-Macodel SA)——產(chǎn)品以立式和龍門式鉆銑加工中心為主，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá) 80000r/min ，軌跡精度2μm。

(2)瑞士托諾斯(Tornos)——主要生產(chǎn)高精度微型/小型零件加工機床、復(fù)合機床等，采用陶瓷主軸/雙主軸方案，具備主動切屑清除功能。

(3)瑞士GF-米克朗(GF MiKron)——專業(yè)生產(chǎn)大型龍門加工中心、車床、專機等，用于制造船舶引擎、客機主翼等大型部件，如5軸龍門精密鏜銑床。

(4)瑞士斯達(dá)拉格-?？铺?Starrag Heckert)——銑削/車削/鏜削/研磨等工藝方法用于金屬、復(fù)合材料、陶瓷等加工的高精度機床領(lǐng)軍企業(yè)，在航空發(fā)動機渦輪/葉片/結(jié)構(gòu)件加工方面獨具特色，近年還收購了以生產(chǎn)航空結(jié)構(gòu)件加工用虛擬軸數(shù)控機床ECOSpeed/EcoForce而知名的德國DST公司。

(5)瑞士利吉特(Liechti)——葉片加工解決方案全球領(lǐng)先，特別是專為航空發(fā)動機、燃?xì)廨啓C的葉盤、葉片復(fù)雜曲面提供高速數(shù)控機床和專用CAD/CAM 軟件。

(6)奧地利WFL——專注于多功能完整加工中心的制造商，開發(fā)的車銑復(fù)合加工中心廣泛應(yīng)用于航空航天、交通等領(lǐng)域。

(7)意大利法拉利(Ferrari)——專注于航空發(fā)動機、汽車領(lǐng)域復(fù)雜曲面零件加工機床，提供自動上下料的 5 軸聯(lián)動葉片加工中心、葉片加工專用CAM軟件。

(8)法國弗瑞斯特-里內(nèi)(Forest Line)——專注于用于航空航天大型結(jié)構(gòu)件加工的5軸龍門式加工中心和復(fù)合材料構(gòu)件鋪絲、鋪帶機床。

國內(nèi)外對比分析

數(shù)控機床，有著獨特的產(chǎn)業(yè)特點，在現(xiàn)代工業(yè)中是具有基礎(chǔ)性、復(fù)雜性和戰(zhàn)略性的物資。數(shù)控機床(特別是高檔數(shù)控機床)在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面有如下一些特點：

(1)技術(shù)密集、迭代積累。數(shù)控機床是一類將機械、電氣、液壓、控制、硬件、軟件、信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感等多學(xué)科、多專業(yè)的技術(shù)高度集成于一個實物載體的產(chǎn)品，技術(shù)高度密集，需要長期積累和迭代。

(2)工藝細(xì)分、品種繁多。涉及切削加工，成形加工，特種加工等不同的類別和工藝，工藝劃分較細(xì)，產(chǎn)品類別及型號繁多。

(3)市場量小、利潤較低。機床行業(yè)往往只是其服務(wù)的終端產(chǎn)品行業(yè)(如汽車、工程機械、飛機制造等)規(guī)模的百分之幾，它提供制造工具類的產(chǎn)品，產(chǎn)品功能和性能要求高但利潤低。

(4)勞動密集、工匠精神。由于運動精度、動態(tài)性能要求高但市場規(guī)模小，故難以進行大批量自動化生產(chǎn)，需要大量具有工匠精神的技能型工人。

(5)資本疏離、隱性壟斷。雖然機床行業(yè)總體來說在全球是一個充分競爭的行業(yè)，但在高檔數(shù)控機床領(lǐng)域，先入者往往基于自身技術(shù)積累而建立起強大的市場競爭優(yōu)勢，具有隱性壟斷的特征，即在該領(lǐng)域市場機制是局部失靈的。對于后發(fā)的工業(yè)化國家，投資高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)風(fēng)險很大，因此資本一般是疏離該領(lǐng)域的，需要依靠國家財政支持和產(chǎn)業(yè)政策傾斜。

在綜合分析多方面的資料基礎(chǔ)上，本文從市場需求、決策管理、產(chǎn)品定位與服務(wù)、創(chuàng)新體系、核心技術(shù)、人才教育及產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面，對中國、德國及瑞士等歐洲國家、日本進行了對比分析，具體情況如表2所示。德國和日本的做法，值得中國借鑒。

表2 數(shù)控機床領(lǐng)域國內(nèi)外對比分析

未來發(fā)展趨勢

在未來主要發(fā)展趨勢方面，筆者認(rèn)為，數(shù)控機床技術(shù)呈現(xiàn)出高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化的發(fā)展趨勢，即：

(1)高性能。數(shù)控機床發(fā)展過程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生產(chǎn)效率和可靠性。未來數(shù)控機床將通過進一步優(yōu)化的整機結(jié)構(gòu)、先進的控制系統(tǒng)和高效的數(shù)學(xué)算法等，實現(xiàn)復(fù)雜曲線曲面的高速高精直接插補和高動態(tài)響應(yīng)的伺服控制；通過數(shù)字化虛擬仿真、優(yōu)化的靜動態(tài)剛度設(shè)計、熱穩(wěn)定性控制、在線動態(tài)補償?shù)燃夹g(shù)大幅度提高可靠性和精度保持性。

(2)多功能。從不同切削加工工藝復(fù)合(如車銑、銑磨)向不同成形方法的組合(如增材制造、減材制造和等材制造等成形方法的組合或混合)，數(shù)控機床與機器人“機-機”融合與協(xié)同等方向發(fā)展；從“CAD-CAM-CNC”的傳統(tǒng)串行工藝鏈向基于3D實體模型的“CAD＋CAM＋CNC集成”一步式加工方向發(fā)展；從“機-機”互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化，向“人-機-物”互聯(lián)、邊緣/云計算支持的加工大數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展。

(3)定制化。根據(jù)用戶需求，在機床結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、專業(yè)編程、切削刀具、在機測量等方面提供定制化開發(fā)，在加工工藝、切削參數(shù)、故障診斷、運行維護等方面提供定制化服務(wù)。模塊化設(shè)計、可重構(gòu)配置、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、軟件定義制造、可移動制造等技術(shù)將為實現(xiàn)定制化提供技術(shù)支撐。

(4)智能化。通過傳感器和標(biāo)準(zhǔn)通信接口，感知和獲取機床狀態(tài)和加工過程的信號及數(shù)據(jù)，通過變換處理、建模分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)庸み^程進行學(xué)習(xí)，形成支持最優(yōu)決策的信息和指令，實現(xiàn)對機床及加工過程的監(jiān)測、預(yù)報和控制，滿足優(yōu)質(zhì)、高效、柔性和自適應(yīng)加工的要求。“感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策、自適應(yīng)”將成為數(shù)控機床智能化的主要功能特征，加工大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)、數(shù)字孿生、邊緣計算/云計算、深度學(xué)習(xí)等將有力助推未來智能機床技術(shù)的發(fā)展與進步。

(5)綠色化。技術(shù)面向未來可持續(xù)發(fā)展的需求，具有生態(tài)友好的設(shè)計、輕量化的結(jié)構(gòu)、節(jié)能環(huán)保的制造、最優(yōu)化能效管理、清潔切削技術(shù)、宜人化人機接口和產(chǎn)品全生命周期綠色化服務(wù)等。

切削機床是利用刀具或磨具通過機械能作用于工件，實現(xiàn)材料去除的各種工藝(如車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等)，其本質(zhì)問題可以歸結(jié)為兩點，一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文開篇所述，機床1.0是以蒸汽動力直接給機床提供機械能以實現(xiàn)各種切削工藝，控制方式是手動控制；機床 2.0將電能轉(zhuǎn)換為機械能以驅(qū)動機床，并帶來數(shù)字控制機床的出現(xiàn)，控制方式是自動控制；機床 3.0則是計算機和信息技術(shù)帶來的計算機數(shù)控機床，它改變了機床控制方式和生產(chǎn)組織方式，使其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

展望未來，機床4.0將面臨新的革命性變化，表現(xiàn)在一是材料去除過程直接所用的能量由以機械能為主變化為機械能、電能、光能、化學(xué)能等多種能場及其組合。二是能量使用的控制方式，一方面智能化控制是未來機床近期發(fā)展的最主要特征和趨勢，它使得機床更高(精度)、更快(效率)、更強(功能)、更省(綠色)；另一方面，即將出現(xiàn)的量子計算和量子計算機，就如同當(dāng)年電子計算機給數(shù)控機床帶來革命性跨越一樣，重新定義一代數(shù)控機床，催生出全新原理和全新概念的數(shù)控機床和生產(chǎn)過程。

機床作為工作母機，多年來為工業(yè)革命和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了制造工具和方法；未來工業(yè)發(fā)展和人類文明進步，仍然離不開數(shù)控機床的支撐和促進。展望未來，新的一輪工業(yè)革命給數(shù)控機床的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)和機遇，先進制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)及新一代人工智能融合，也給數(shù)控機床的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品換代和產(chǎn)業(yè)升級提供了技術(shù)支撐，數(shù)控機床將走向高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化，并擁抱未來的量子計算新技術(shù)，為新的工業(yè)革命和人類文明進步提供更強大、更便利和更有效的制造工具。

本文應(yīng)中國機械工程學(xué)會之邀作關(guān)于機床工業(yè)發(fā)展及趨勢的交流報告，遂促成了本文的寫作，特此致謝中國機械工程學(xué)會。一些認(rèn)識和思考純屬個人觀點，敬請批評指正。

機加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)特訓(xùn)營

專業(yè)培訓(xùn)，機會難得

e-works誠摯邀請您出席定于2023年6月28-29日在重慶舉行的“機加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)特訓(xùn)營”。機加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)包含識別與傳感、智能倉儲、智能物流、智能工藝裝備、工業(yè)機器人、高端數(shù)控、智能生產(chǎn)、智能企業(yè)管理等，智能制造因其具有較強綜合性，需多項關(guān)鍵技術(shù)深度融合與創(chuàng)新集成。

通過此次課程的學(xué)習(xí)，您將全面了解企業(yè)智能工廠建設(shè)推進從規(guī)劃到實踐、從技術(shù)到應(yīng)用過程中的關(guān)鍵點及難點，使企業(yè)在推進智能工廠建設(shè)時，能夠全局統(tǒng)籌規(guī)劃，順利推進智能工廠建設(shè)的有序落地，通過成熟實踐案例，幫助企業(yè)結(jié)合自身實際情況，更合理推進智能工廠、智能產(chǎn)線、機加工數(shù)字化、智能化建設(shè)等。

編輯：黃飛

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