数控机床发展的重要性

摘要

数控机床作为现代制造行业的重要装备之一，其也可以用来衡量一个国家的机械化和自动化水平。随着数控机床技术的不断革新和发展，越来越多的国家致力于开发高质量的数控机床，从而希望能够显著提升自身的制造能力。本文首先对数控机床及关键技术发展发展历程进行分析，在此基础上通过对我国数控机床初始发展、持续公关和产业化发展、高速发展和转型升级三个阶段进行论述，重点介绍数控机床、夹具、刀具、模具、测量装置及一些关键部件的新发展，阐述数控机床及工艺装备的重要性；最后对数控机床及工艺装备趋向于高性能、多功能、定制化及智能化发现进行展望。

　关键词：数控机床；工艺装备；发展重要性；创新

1引言

机床也可以称之为一种工作状态下的母机，其主要是用来制造一系列的机器。按照机床的类别来划分，可以将其分为成型、金属切削及特殊加工三种机床。随着机床的技术的不断革新，机床也逐渐转向组合、柔性机床等趋势。按照机床的加工方式，机床也可以分为车、磨、镗床等。也可以按照机床的控制系统来进行划分为普通和数控机床，其中数控机床的发展也表征着一个国家整体的制造业发展水平。

根据相关研究报道结果显示，我国经过多年的不懈发展，机床的发展已经成为全世界发展较为靠前的国家，且机床的生产出口已经位居全世界第三位。虽然我国实现了经济产业结构的转型和升级，但是鉴于我国整体的工业规模相对较大，这也导致了整体的技术水平并不是很高。从目前的数控机床产品结构发展程度来看，其整体水平也表征着一个国家的整体科技水平。但随着我国国内对数控机场整体需求量的不断转变，尤其是近年来对高端的数控机床需求量整体呈现出上升的趋势，这也表明了我国对数控机床的需求已逐渐由低需求转向高需求。但是目前鉴于我国整体的基数相对较大，这也导致普通机床整体的占比还是处于较大的比例。显然，我国的数控机床还是需要不断通过创新的方式来对关键部位进行研发，从而使得我国研发的数控机床在国际市场中能够获得较高的竞争力。

从产业发展维度来进行分析，我国机床的整体产品结构变化较为显著，尤其是国产的金属切削类的机床产量和质量整体呈现出向上的发展趋势，但是整体的数控化比率与发达国家相比较，还是处于较低的水平，这也表明了我国的数控机床还是与发达国家存在着较为明显的差距。此外，随着大量的国外先进的数控机床不断投放至我国市场中，而我国在国际上的数控机床主要是以普通数控机床为主，这也表明了我国的数控机场需要加速转型和升级。从技术角度来进行分析，目前我国数控机床的原创性还存在着较为明显的不足，尤其是属于自身的发明专利还存在着和一定的滞后现象，很多的都是实用新型类的专利，这也表明了我国需要在数控机床的创新性技术上进行突破。

总体上来分析，目前我国数控机床行业发展较为迅速，但是核心技术与世界领先国家相比较，依然还存在着较为明显的差距。因此，本文通过对数控机床及工艺装备发展重要性进行研究，将对整个制造业的持续发展据具有一定的现实意义。

2数控机床及加工技术的发展历程

　　2.1数控机床发展历程

根据相关资料显示，世界上首台的数控机床于1950年推出，可以说此次的数控机床制造技术是一次较为重大的技术变革。数控机床主要采用的是一种程序编程技术，来根据相关的零件图纸，并结合数字化的程序来使得机床可以通过自动控制进行运行，但这与其中所需要的计算机电子技术是息息相关的。在实际运行过程中发现，采用NC程序的时候会导致编程自动化问题，随后通过不断研究和创新，提出了一种APT技术方法，并结合计算机和制造技术相互融合，从而使得整个数控技术得到了显著的发展。也可以说，数控机床数字化是其核心技术。

数控机床随着数控技术的不断演变和革新，其也呈现出较为明显的特征，比如软硬件的相互融合、机械与电子技术的相互融合。可以说数控机床技术随着电子信息技术发展而发展。根据相关研究显示，数控装置最早是采用电子真空管来进行控制，随后随着晶体管的推出，数控机床也逐渐转变为大规模集成化电路方向发展，尤其是在处理计算过程中得到显著的提升，从而使得数控机床更加趋向小型化方向发展，且数控机床的可靠性也得到了显著的提升。

显然，此时的数控机床发展迎来了一个新的革新点，尤其是CNC控制技术的到来也使得数控机床逐渐进入了工业化生产环节。数控机床迎来第二个转折点是在IBM企业推出了一种小型的个人微型计算机，这也使得以往采用数控装置进行控制逐渐转变为PC来进行控制，且这一控制过程中伴随这CNC系统，也将整个的数控机床控制技术推向更高的层次，也使得机床逐渐趋向虚拟化和复合化发展及应用趋势。而在进入了21世纪，数控机床控制技术也逐渐趋向智能化，这也是新一代信息技术和人工智能技术的不断融合和发展，也使得数控机床及其核心技术迎来了新的拐点，从而形成看现如今的新一代智能数控机床。

2.2数控机床关键技术发展历程

　　2.2.1数控机床结构

数控机床的结构一般可以分为固定和运动两部分，其中固定部分是床身、头架部分；而运动部分是由刀具部分组成，这两部分也分别对应着数控机床的基础和功能两大核心部分。本文以较为常见的车削数控机床为例，其结构主要是由两轴进给的床身来逐渐发展到是由四轴进给的床身，且刀架也逐渐趋向多刀架趋势发展，进而使得整个回转体的零件也趋向高效加工，简单可以称之为一次装夹，能够实现最终的加工。随着数控机床技术的不断发展，其结构也逐渐趋向于复杂化，也由四轴转向五轴联动的趋势发展，这也使得数控机床的发展逐渐引入了虚拟轴，从而实现在同一数控机床上能够实现增加材料和切削同步加工的这种较为新型的数控机床结构，但是这一结构在实用阶段还是存在一定的阻力。

随着数控机床结构的不断升级和转变，也使得整个数控机床的配置结构逐渐趋向完善，尤其是在整体的精度、刚度及稳定性上保持着较高的优越性，且机床的整体结构也趋向人性化设计。随后诸多研究者也先后提出了基于BIB、DDT等设计，且随着这种新的数控机床结构设计技术的革新和不断被推出，也使得整体的数控机床机构技术在轻量化和仿生化等方面得到了进一步的优化。此外，还有数控机床采用的是虚拟的设计理念，这也在一定程度上缩短了整个机床设计和生产整个周期，且这一类的数控机床的制作材料也逐渐转向人造可再生材料，这种新型的环保材料也将使得数控机床的整体结构更加趋向轻量化，且还保持着较高的稳定性和刚度。

　2.2.2主轴和进给伺服驱动技术

主轴的主要作用是为了能够使得机床的刀具或者是工件能够按照设定的转速来进行旋转，从而使得能够满足在一定程度上实现对工件上的材料进行有效去除。在数控机床的主轴实际运行和发展过程中出现了多种类型的电主轴，比如有高速、高刚性、智能化的电主轴。数控机床在进给轴过程中还会涉及到伺服驱动技术，从而使得机床发展逐渐趋向以PWM、DCG方式为主电动机驱动形式，且这种方式是具有较为明显的电流和速度环，从而实现了以直线的方式来进行电动机驱动，从而为各个纵坐标实现运动控制。此外，主轴和进给伺服驱动技术也是可以实现数值和模拟量进行有效混合控制，从而实现了以数字化的方式来进行总线控制，并以通信协议、以太网等形式进行有效控制。

　2.2.3数控装置

数控装置作为数控机床的核心装置之一，其主要是随着计算机和电子信息技术的发展而变化，截止到目前为止已经演变成了第七代，前三代主要是数控装置的初始阶段，其整体的数控装置的性能相对较低，且体积较大；到了第四代数控装置逐渐趋向于第四代的CNC装置，其与前三代相比较，其在硬件上具有较为显著的优势，尤其是在体积结构上更趋向于紧凑型，且机床的可靠性和稳定性整体呈现较高的稳定性。随着数控机床技术逐渐趋向于计算机进行控制，这也使得数控机床发展直接进入了第一个拐点，随后也有柔性制造系统也逐渐出现。

随着大规模的集成电路处理技术趋向成熟化，也逐渐迎来了第五代数控装置的出现，尤其是专门的硬件系统也逐渐趋向于较小的体系，从而导致了成本的显著降低，也使得硬件结构也逐渐趋向开发性。之后在20世纪80年代，也随着第五代数控装置技术逐渐趋向成熟后，便开始采用了个人微型计算机形成了第六代的数控装置，这也是整个数控机床发展逐渐进入了第二个拐点。随后PC技术逐渐成熟，再加上网络化接口也逐渐趋向丰富化，整个数控装置的研究也演变为由算法来进行实现相关功能，这也预示着数控机床逐渐趋向软件数控化阶段。随着工业4.0的逐渐向上发展，也使得数控机床逐渐引入了大数据和人工智能技术，这也是第7代智能化数控装置，从而带来了又一次的新的革命。

2.2.4多轴联动与轨迹插补技术

多个轴进行联动是目前数控机床的主要核心控制技术，其本质是由数控机床向整个进给轴发出一系列的指令，从而使得多轴进行联动来实现对机床的有效控制。目前，较为高档的数控机床通常情况下是具有3轴以上来进行联动，也有的数控机床是4-5轴来进行联动。因此，在高性能的进给轴中其伺服装置是通过多个轴进行联动来实现对装置的物理控制，这种联动控制技术是为了能够实现对程序化的运动按照一定的轨迹来进行执行，从而实现实时对数控机床进行有效控制。而采用插补运算的装置是一种基于软件的插补器技术，随着现代数控机床的不断革新，其主要通过数字化计算机来实现轨迹的相互插补，从而实现了多轴的联动；而在五轴进行联动，其实际上只有两轴实现了联动来进行控制，而另外三轴则是作为一种非联动的形式来进行控制，这种方式可以实现了加工3D曲面的形式来进有效加工处理，但是这种轴联动的效率相对较低，且适应性比较差。

　3我国数控机床创新和发展

　　3.1我国数控机床发展历程

　　3.1.1初始发展阶段

随着我国机床工业的逐渐发展，其在受到外国多轴联动数字机床的影响，在1958年我国也研发出了第一台数控机床，但是与世界数控机床相比较研发时间整整推后了6年。随后，到了1972年我国便开始对数控机床进行多样化生产和革新，但是在这一时期，我国的数控机床整体还是处于研究初始阶段，也只有很少量的产品在处于试验阶段，对于数控机床核心的关键技术依然存在着一定的研发难度。到了20世纪70年代的后期，我国开始大力研发数控机床生产工作，这也在一定程度上加速了我国数控机床的研发进程，但是鉴于当时的社会因素的影响，国外先进的数控机床技术整体处于封闭的状态，这也使得我国的在研制数控机床过程中的难度较大，从而导致了关键技术在开发过程中存在着迟缓。尤其是与先进的欧美等国家相比较，其大部分在70年代便开始实现了数控机床的优化和升级，而我国指导21世纪才开始全面将数控机床进行升级换代。

　3.1.2持续攻关和产业化发展阶段

在改革开发之后，我国的数控机床的发展也进入了新的时期，比如在引入了数控系统之后开始与国外知名的公司进行相互联合生产和设计，从而逐渐研发生成数控机床。随后在1985年我国从国外引入了数控机床技术，根据相关资料统计显示，关于数控机床的相关技术高达183项，尤其是新开发的数控机床新品种也高达81种，这也在一定程度上使得数控机床逐渐从开始逐渐转向商品。在1986年后，国家也开始对数控机床相关核心技术进行吸收后再创新，从而使得数控机床的相关技术也逐渐演变为国产化趋势。但是这种通过自主开发技术的形式也使得我国的数控系统整体上了一个台阶，尤其是中华和蓝天I型的高端数控机床控制系统的推出，这也代表着我国整体的数控机床产业化技术趋向产业化，且采用了开放式的网络化控制技术实现了多轴之间的有效联动。

在数控产品端，数控机床逐渐演变为多种类型的数控机床发展趋势，其中最为关键的是生产能力和关键装备配套能力的有效结合，且到了2000年的时候我国数控机床的整体品种实现了1500多种，且还陆续研发出了多轴联动的数控加工系统，这也使得我国的机床整体工业的数控率呈现出较为显著的上升趋势，且一种稳定在20%左右。而在产业化发展方面，随着我国数控机床逐渐面向产业化发展趋势，也使得数控机床的发展阶段逐渐迈向市场竞争阶段。

　3.1.3高速发展和转型升级阶段

“十五”期间，随着我国正式加入到世贸组织，这在一定程度上使得我国的数控机床正式进入了高速发展的新阶段，尤其是数控机床产量呈现出新的发展趋势，其中以5轴进行联动的加工技术较为突出，尤其是在涉及到航空、新能源等国家重点的领域中，其发挥着重要的作用。这一时期，国家也逐渐开始了实施高端的数控机床产品研发项目，主要是为了后续的核心产业中能够提供源源不断的技术及装备要求。“十一五”期间，我国机床的整体发现逐渐趋向高速阶段，且在2007年，我国数控机床行业也逐渐趋向与全球前10强，究其原因是因为我国生产数控机床的相关企业逐渐开始将目光放在国际市场上，通过与国外先进的数控机床企业完成并购，从而实现自己的数控机床技术的整体稳定向上提高。

“十二五”以来，国产数控机床技术的不断革新，也使得产品的在市场中的核心竞争力也呈现出较为明显的上升趋势，这也使得高端的数控机床技术的相关研究开始逐渐加快步伐，尤其是涉及到汽车、航空、发电等领域，从而实现了高端的数控机床的生产，并将其成功应用与实际的生产过程中。目前，子啊我国济南的二机床便有高端的数控机床装置，其采用的是五轴进行联动的数控机床，主要是实现了我国在高端的数控机床上的突破。

在2015年，我国大力实施制造业的发展，尤其是涉及到高端的数控机床的发展也逐渐开始被引入至新的领域，且在2016年我国的数控化率也提升至80%的水平，承认过实现了较高程度上的数控机床产品升级。但是在数控机床产业不断向上发展的同时，我国的相关企业的创新能力出现了停滞的问题，再加上数控机床相关专业人才的缺失，也导致核心技术的创新程度较低，这些问题也是制约着我国数控机床产业的发展。比如，在2019年，我国知名的大连和沈阳机床逐渐走向破产重组，且也有新的数控机床企业逐渐凸起，且我国数控机床产业也逐渐趋向于东部沿海地区聚集和发展。

　3.2数控机床及工艺装备发展

　　3.2.1数控机床

数控机床在制造过程中核心是母机，其作为主要的核心部位，其需要在性能和可靠性上保持一定的要求，这样才能使得最终的产品能够符合市场和用户的需求。但是在数控机床逐渐进行创新和优化之后，也出现了复合型的数控机床，且是采用多轴进行相互联动来进行数字化控制。此外，数控机床也逐渐迈向高尖端化、环保化及智能化趋势发展，这样也是符合数控机床的市场的发展需求。

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3.2.2夹具

夹具作为一种数控机床中的核心装备之一，其需要通过不断创新和优化设计后，实现了精确定位，从而显著提高其精度和效率，这也是实现了整体适合实际应用过程中的需求。尤其是在采用较为先进的电磁技术来实现夹具的发展，从而实现了整体的可靠性和稳定性的显著提升。此外，随着夹具的工件数量的显著提升，这在一定程度上使得一致性的效率有显著的提升，从而逐渐缩短了加工所需的周期，从而做到降本增效，也在一定程度上有利于提高生产过程中的产能的显著提升。

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　3.2.3刀具

刀具作为金属在加工过程中成形的关键，且刀具的发展也逐渐趋向高精度。低成本的发展趋势，比如在最新的刀具中采用的是4个刀刃的双面刀片，且每个单面的刀片是采用ISO标准来实现的，且在投入市场过程中也深受客户的好评。

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　3.2.4模具

模具成形制造产品具有生产率高、节省原材料、操作工艺简单及对操作者技艺要求低、能制造出形状复杂的零件制品、精度高、尺寸稳定、有良好的互换性、制成的零件和制品不需进一步的机械加工、易于实现自动化生产、成本低，更适用于大批量生产的优点。特别是利用先进的电永磁技术后，再经创新优化设计，快速换模机和注塑机的性能得以大幅度提高，更彰显出模具成形技术的巨大优越性。即使是形状复杂、型腔复杂的高刚性、高塑性工程塑料件，也能利用三维立体仿真、注塑模具精密成形技术，一次注射成形，一次开模成功，保证零件一次设计制成成品。譬如快速换模机在汽车、家电等行业的广泛应用。

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　　3.2.5测量

测量是保证产品性能和精度的试金石。应不断通过创新、优化设计，改善测量仪器结构，提高精度、可靠性、准确性、灵敏度、分辨率、精度保持性、环保性、易操作性及拟人性，为产出高质量产品保驾护航。例如，滚动轴承中滚珠的在线精度检测，将直接决定轴承的精度。

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　3.2.6关键部件

随着智能化、高效、高精度、高可靠性、高服役性能、高耐用度、高环保性和高拟人性对机械制造设备的更高要求，再加之工业机器人的广泛应用，其中必然涉及到一些辅助设备及关键部件。

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4数控机床及工艺装备发展重要性

　　4.1高性能

数控机床发展过程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生产效率和可靠性。未来数控机床将通过进一步优化的整机结构、先进的控制系统和高效的数学算法等，实现复杂曲线曲面的高速高精直接插补和高动态响应的伺服控制；通过数字化虚拟仿真、优化的静动态刚度设计、热稳定性控制、在线动态补偿等技术大幅度提高可靠性和精度保持性。

　4.2多功能

从不同切削加工工艺复合向不同成形方法的组合，数控机床与机器人“机机”融合与协同等方向发展；从“CAD-CAM-CNC”的传统串行工艺链向基于3D实体模型的“CAD+CAM+CNC集成”一步式加工方向发展；从“机机”互联的网络化，向“人机物”互联、边缘/云计算支持的加工大数据处理方向发展。

　4.3定制化

根据用户需求，在机床结构、系统配置、专业编程、切削刀具、在机测量等方面提供定制化开发，在加工工艺、切削参数、故障诊断、运行维护等方面提供定制化服务。模块化设计、可重构配置、网络化协同、软件定义制造、可移动制造等技术将为实现定制化提供技术支撑。

　4.4智能化

通过传感器和标准通信接口，感知和获取机床状态和加工过程的信号及数据，通过变换处理、建模分析和数据挖掘对加工过程进行学习，形成支持最优决策的信息和指令，实现对机床及加工过程的监测、预报和控制，满足优质、高效、柔性和自适应加工的要求。

　4.5绿色化

技术面向未来可持续发展的需求，具有生态友好的设计、轻量化的结构、节能环保的制造、最优化能效管理、清洁切削技术、宜人化人机接口和产品全生命周期绿色化服务等。

　5结语

数控机床目前发展处在一个较为良好的时机，但也是存在着较为激励的竞争，这其中也存在着数控核心技术开发难的问题。国家也大力推出了一些的政策来使得我国的数控技术发展走向科学化和标准化。数控机床技术的创新和发展也与目前国家的科研技术发展息息相关，且随着国家大力投入资金、资源，这在一定程度上对数控机床产生了正向的影响。目前，我国在工厂和相关的企业在数控机床上具有一定的规模化有合适，但是在核心技术上还存在这一定的不足，这需要通过大力培养数控机床核心人才，尤其是技术类的专业人才是数控机床长续发展的关键。总体来说，数控机床作为一个较为复杂且成体系化的工程，这其中涉及到多个学科之间的相互融合，尤其是在数控机床中结构、功能等部件呈现出多样的发展趋势，比如目前各个数控机床的企业也陆续推出了新的数控机床产品，但是这些产品的核心部件依然未能做到创新，这也是限制了我国数控机床技术的发展，从而在一定程度上导致所生产的机床整体的品质还有待提升。此外，数控机床及工艺准备的发展也需要通过不断革新和优化，这样才能显著提升我国整体制造业的水平。

　参考文献

[1]吴义成.数控机床故障诊断技术中PLC应用现状及未来发展趋势研究[J].现代制造技术与装备,2021,57(12):190-192.

[2]刘强.数控机床发展历程及未来趋势[J].中国机械工程,2021,32(07):757-770.

[3]曾帅.国内数控机床与技术的发展及趋势研究[J].内燃机与配件,2021(04):95-96.

[4]李文化,牛石从,李树鹏,陈帅,王明智.数控机床发展趋势及发展策略分析[J].内燃机与配件,2021(01):71-73.

[5]桂林,李升.国内重型数控机床的现状及发展趋势[J].中国机械工程,2020,31(23):2780-2787.

[6]陶永亮,邱峰,王青青,田书竹.3D金属打印与数控机床复合加工的发展趋势[J].模具制造,2020,20(10):64-68.

[7]张贺,奚陈刚.数控机床发展趋势分析[J].湖北农机化,2020(11):118-119.

[8]杨晓东.机床数控技术的现状及发展趋势[J].湖北农机化,2020(06):49.

[9]王哲元.机床数控技术的发展现状与发展趋势探析[J].湖北农机化,2020(06):52.

[10]于铎,张鹏.数控机床进给轴现状及发展趋势[J].内燃机与配件,2020(05):72-73.

[11]杨晓东.机床数控技术的现状及发展趋势[J].湖北农机化,2020(05):12.

[12]王立鹏.数控机床几何误差测量研究现状及发展趋势[J].湖北农机化,2020(03):45.

[13]臧健.场景金融背景下小微企业设备直租业务的风控发展趋势分析——以数控机床业务为例[J].营销界,2020(05):152-154.

　　致谢

感谢在本科求学这两年中老师们给予我的关心和帮助，并且论文是在姚老师耐心的指导和陪伴中完成的，同时也预示着我将要告别这让我难忘得这两年大学生生活涯，在此真心感谢同学们和老师们。

研究结果与报告倾注了老师很多心血，同时也是老师这几个月对我的督促与指导，老师耐心的品性和严谨的教学方式影响着我，还有那平易近人，热心关怀的风格都让我学到很多。

我感谢我的老师和我的家人对我的鼓励，正是有他们的支持，我才能克服一个个难题与疑问。从开题到论文顺利完成，非常真心感谢他们！

最后，再次对帮助我的同学和老师们表示由衷的感谢！