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鑫菱机床浅谈我国数控机床发展现状
阅读：1822 发布时间：2013-11-20
一、我国数控机床发展现状
我国数控机床及技术也起步于1958年，当时是从电子管着手的，20世纪60年代中期，由于国外的技术封锁和我国的基础条件，我国机床车体设计实力差、各种机、电、液、气配套基础元部件、数控系统不过关，工作不可靠，故障频繁，且由于发展数控机床整个方针、政策、方法、步骤、措施错误以致我国的数控机床还处于研制开发阶段。直到70年代开始，数控技术在车、铣、齿轮加工、电加工等领域全面发展，数控加工中心在上海北京研制成功，在这一时期，数控车削、点位加工和加工中心及三坐标数控加工的自动编程系统和语言，有的还在生产中得到了较好的应用。20世纪80年代，我国从日本引进了数控系统和直流伺服电动机等制造技术。与此同时，还自行研发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电动机驱动的同步数控系统和新品种的伺服电动机，使得我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。现在我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。一些较次的数控系统，如5轴联动数控系统、6轴数控高速滚齿机等高精度数控机床、加工中心也相继研制成功并投入商用。进入20世纪90年代以来，国内企业不断推出自行开发的新产品。在国家政策的大力扶持下，近几年国内数控机床发展迅猛。2007年，我国数控机床产量达到12.3万台，提前三年超额完成“十一五”规划年产10万台的目标，数控机床年产量已居世界*。行业规模不断壮大，国产数控机床明显进步，国产中数控系统取得重大突破，这些都充分说明，我国数控机床整体水平得到了全面提升。
二、我国数控机床发展存在的问题
（一）数控化水平低
与发达国家相比，我国机床数控化率不高，目前生产产值数控化率不到30%；消费值数控化率不到50%，而发达国家大多在70%左右。次数控机床及配套部件还只能依靠进口。国产数控车床到2000年可供品种700多种。接近数控机床品种的50%，其中占产量50%的是经济型数控车床。zui高转速一般在2000r/min，个别转速达8000r/min，坐标定位精度一般为0.01mm，重复定位精度在0.005mm，工作精度圆度在0.01～0.005mm之间，表面粗糙在Ra0.8～1.6μm。长城机床厂CK7815C主轴zui高转速3500r/min，快速行程X轴9m/min，Z轴12m/min，定位精度X轴0.025mm，工作精度圆度0.007mm，表面粗糙度Ra<1.6μm。
（二）产品水平不高
首先是精度普遍不够高，对国产加工中心刀库机械手、数控车床刀架，用户不放心，定位精度，特别是重复定位精度也有待提高。只有少数产品达到欧洲标准定位精度；其次，高精度、静刚度主机结构和整机性能开发有差距，普遍采用龙门式、框式、O型整体结构，箱中箱式结构，L型床身，三轴移动移出机身，侧挂箱式卧式加工中心等我国则大多还未开发；再次，产品在主轴转速，快移速度、换刀速度、加速度等机床性能指标上与国外有较大差距。zui后，可靠性有待提高。国产数控系统zui常平均*时间（MTBF）大都可超过1万h，但上*企业数控系统MTBF已达8万h。国产数控车床、加工中心MTBF虽有少数厂达500h，但上*水平已达800h。至于外观、漏油等老问题仍与工业发达*有差距。
（三）功能部件发展的问题
数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。功能部件技术水平的高低、性能的优劣及整体的社会配套水平，直接决定和影响数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。但功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60%左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。国产功能部件产品档次不高，且形不成规模，造价相对并不低，采用进口功能部件价格昂贵，从而使整机价格攀升，国产数控机床的价格优势丧失殆尽，同等水平的数控机床，其价格与一些国家和地区的产品趋于持平。目前，国产数控机床大量选购境外功能部件，一面是由于国内还没有形成社会配套的能力，产品质量和水平上存在着一定差距；另一方面是主机厂应用户要求，而选用外国公司的功能部件。
（四）应用技术方面的差距
国外已经普及的远程服务技术，我国尚待开发，如交钥匙工程——从机床选择、工艺装备（刀、夹、附、检具）配置与提供到切削用量的确定。国内的高速机床，普遍不能做硬切削、干切削表演，高速切削机理及切削数据库的研究我国近乎空白，我国尚不能提供高速切削软件包等。产品的可操作性、外观、内在质量方面也与工业发达国家相比的有很大差距。
三、数控机床的发展趋势
目前，*制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：
（一）高速度、高精度化
速度和精度是数控机床的两个重要指标，高速数控车床和高精数控车床直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。
为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。
（二）多功能化
配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。
（三）智能化
现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持*工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。
（四）数控编程自动化
随着计算机应用技术的发展，目前CAD／CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD／CAPP／CAM集成的全自动编程方式，它与CAD／CAM系统编程的zui大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。
（五）可靠性zui大化
数控机床的可靠性一直是用户zui关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。
（六）控制系统小型化
数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。
四、未来五年我国数控机床产业发展的任务
（一）加快数控机床品种开发
为了缩短与*水平的差距，提升我国机床工具行业整体水平，“十一五”期间对市场急需的数控机床品种，要集中力量，重点突破。未来五年要加大科技投入，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力。要促进重点企业技术开发能力建设，加快数控机床品种开发。掌握一批数控关键产品开发的核心技术，推出一批数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育数控机床市场。
（二）积极促进功能部件产业化
“十一五”期间，要培育一批功能部件的。加大政策支持力度，重点发展数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发展。
（三）进一步发展普及型数控机床
国产普及型数控机床产品技术已经成熟，产业化迫在眉睫。急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场。以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。
（四）努力提高国产数控机床*
提高国产数控机床*是“十一五”期间行业发展的重中之重。要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口。争取在五年内国产数控机床国内*有较大提高。
我国数控机床及技术也起步于1958年，当时是从电子管着手的，20世纪60年代中期，由于国外的技术封锁和我国的基础条件，我国机床车体设计实力差、各种机、电、液、气配套基础元部件、数控系统不过关，工作不可靠，故障频繁，且由于发展数控机床整个方针、政策、方法、步骤、措施错误以致我国的数控机床还处于研制开发阶段。直到70年代开始，数控技术在车、铣、齿轮加工、电加工等领域全面发展，数控加工中心在上海北京研制成功，在这一时期，数控车削、点位加工和加工中心及三坐标数控加工的自动编程系统和语言，有的还在生产中得到了较好的应用。20世纪80年代，我国从日本引进了数控系统和直流伺服电动机等制造技术。与此同时，还自行研发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电动机驱动的同步数控系统和新品种的伺服电动机，使得我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。现在我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。一些较次的数控系统，如5轴联动数控系统、6轴数控高速滚齿机等高精度数控机床、加工中心也相继研制成功并投入商用。进入20世纪90年代以来，国内企业不断推出自行开发的新产品。在国家政策的大力扶持下，近几年国内数控机床发展迅猛。2007年，我国数控机床产量达到12.3万台，提前三年超额完成“十一五”规划年产10万台的目标，数控机床年产量已居世界*。行业规模不断壮大，国产数控机床明显进步，国产中数控系统取得重大突破，这些都充分说明，我国数控机床整体水平得到了全面提升。
二、我国数控机床发展存在的问题
（一）数控化水平低
与发达国家相比，我国机床数控化率不高，目前生产产值数控化率不到30%；消费值数控化率不到50%，而发达国家大多在70%左右。次数控机床及配套部件还只能依靠进口。国产数控车床到2000年可供品种700多种。接近数控机床品种的50%，其中占产量50%的是经济型数控车床。zui高转速一般在2000r/min，个别转速达8000r/min，坐标定位精度一般为0.01mm，重复定位精度在0.005mm，工作精度圆度在0.01～0.005mm之间，表面粗糙在Ra0.8～1.6μm。长城机床厂CK7815C主轴zui高转速3500r/min，快速行程X轴9m/min，Z轴12m/min，定位精度X轴0.025mm，工作精度圆度0.007mm，表面粗糙度Ra<1.6μm。
（二）产品水平不高
首先是精度普遍不够高，对国产加工中心刀库机械手、数控车床刀架，用户不放心，定位精度，特别是重复定位精度也有待提高。只有少数产品达到欧洲标准定位精度；其次，高精度、静刚度主机结构和整机性能开发有差距，普遍采用龙门式、框式、O型整体结构，箱中箱式结构，L型床身，三轴移动移出机身，侧挂箱式卧式加工中心等我国则大多还未开发；再次，产品在主轴转速，快移速度、换刀速度、加速度等机床性能指标上与国外有较大差距。zui后，可靠性有待提高。国产数控系统zui常平均*时间（MTBF）大都可超过1万h，但上*企业数控系统MTBF已达8万h。国产数控车床、加工中心MTBF虽有少数厂达500h，但上*水平已达800h。至于外观、漏油等老问题仍与工业发达*有差距。
（三）功能部件发展的问题
数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。功能部件技术水平的高低、性能的优劣及整体的社会配套水平，直接决定和影响数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。但功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60%左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。国产功能部件产品档次不高，且形不成规模，造价相对并不低，采用进口功能部件价格昂贵，从而使整机价格攀升，国产数控机床的价格优势丧失殆尽，同等水平的数控机床，其价格与一些国家和地区的产品趋于持平。目前，国产数控机床大量选购境外功能部件，一面是由于国内还没有形成社会配套的能力，产品质量和水平上存在着一定差距；另一方面是主机厂应用户要求，而选用外国公司的功能部件。
（四）应用技术方面的差距
国外已经普及的远程服务技术，我国尚待开发，如交钥匙工程——从机床选择、工艺装备（刀、夹、附、检具）配置与提供到切削用量的确定。国内的高速机床，普遍不能做硬切削、干切削表演，高速切削机理及切削数据库的研究我国近乎空白，我国尚不能提供高速切削软件包等。产品的可操作性、外观、内在质量方面也与工业发达国家相比的有很大差距。
三、数控机床的发展趋势
目前，*制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：
（一）高速度、高精度化
速度和精度是数控机床的两个重要指标，高速数控车床和高精数控车床直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。
为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。
（二）多功能化
配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。
（三）智能化
现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持*工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。
（四）数控编程自动化
随着计算机应用技术的发展，目前CAD／CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD／CAPP／CAM集成的全自动编程方式，它与CAD／CAM系统编程的zui大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。
（五）可靠性zui大化
数控机床的可靠性一直是用户zui关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。
（六）控制系统小型化
数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。
四、未来五年我国数控机床产业发展的任务
（一）加快数控机床品种开发
为了缩短与*水平的差距，提升我国机床工具行业整体水平，“十一五”期间对市场急需的数控机床品种，要集中力量，重点突破。未来五年要加大科技投入，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力。要促进重点企业技术开发能力建设，加快数控机床品种开发。掌握一批数控关键产品开发的核心技术，推出一批数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育数控机床市场。
（二）积极促进功能部件产业化
“十一五”期间，要培育一批功能部件的。加大政策支持力度，重点发展数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发展。
（三）进一步发展普及型数控机床
国产普及型数控机床产品技术已经成熟，产业化迫在眉睫。急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场。以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。
（四）努力提高国产数控机床*
提高国产数控机床*是“十一五”期间行业发展的重中之重。要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口。争取在五年内国产数控机床国内*有较大提高。