數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)對(duì)政策

汪淑珍，賈 輝

(天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，甘肅 天水 310004)

1 機(jī)床的簡(jiǎn)介

現(xiàn)代機(jī)械制造中，精度要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件，一般都需在機(jī)床上用切削的方法進(jìn)行最終加工，機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用.

數(shù)字控制機(jī)床(Computer numerical control machine tools)即數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床.該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)并加工零件.20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了新的概念，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制，推動(dòng)了機(jī)床自動(dòng)化的發(fā)展.

與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量;可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件;加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間;機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的3～5倍;機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度;對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高［1］.

世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出來(lái)的，迄今為止數(shù)控機(jī)床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天以及軍事工業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無(wú)論在硬件和軟件方面都有飛速發(fā)展.

2 國(guó)內(nèi)外機(jī)床工業(yè)的發(fā)展情況

數(shù)控機(jī)床最早由美國(guó)制造出來(lái).從1960年開(kāi)始，一些工業(yè)國(guó)家，如德國(guó)、日本都陸續(xù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床.目前，歐、美、日等工業(yè)化國(guó)家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，而中國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始起步，仍處于發(fā)展階段.

2.1 美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史

美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù)，并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，網(wǎng)羅世界級(jí)人才，特別講究“效率”與“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研.因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等.由于美國(guó)首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先.當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航路等使用的也是高性能數(shù)控機(jī)床.但其存在的教訓(xùn)是，偏重于基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80年代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過(guò)，并大量進(jìn)口.從90年代起，糾正過(guò)去偏向數(shù)控機(jī)床技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升［2］.

2.2 德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史

德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植，于1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重.企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精［3］.德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界.尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床.德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列.如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用［4］.

2.3 日本的數(shù)控發(fā)展史

日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展.在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán).自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7，342臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5，688臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量 46，604臺(tái)，出口27，409臺(tái)，占59%).戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占領(lǐng)世界廣大市場(chǎng).在上世紀(jì)80年開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展.日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一.該公司現(xiàn)有職工3，674人，科研人員超過(guò)600人，月產(chǎn)能力7，000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國(guó)內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用［5］.

2.4 我國(guó)的數(shù)控發(fā)展情況

我國(guó)隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一.數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ).它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無(wú)限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng).“十五”期間，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展［6］.“十一五”期間，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)步入快速發(fā)展期，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機(jī)遇.在“十一五”期間，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)突破了大量技術(shù)難關(guān)，取得了許多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科研成果.但我們?nèi)詰?yīng)清楚地看到，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平還存在著不小的差距.

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的局面，特別是國(guó)家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人.究其原因，國(guó)內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比落后了5～10年;在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了10～15年［7］.同時(shí)中國(guó)在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定相對(duì)滯后，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒(méi)有形成品牌效應(yīng).同時(shí)，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場(chǎng)營(yíng)銷能力和經(jīng)營(yíng)管理水平也不高.更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

國(guó)外公司在我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80%以上是普及型數(shù)控系統(tǒng).如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略反擊.同時(shí)，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高我國(guó)的自主設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國(guó)產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高我國(guó)高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平［8］.

3 國(guó)家相關(guān)政策

國(guó)家對(duì)機(jī)床、工程機(jī)械和重型機(jī)械的扶持方向，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面.

1)鼓勵(lì)加快企業(yè)兼并重組促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí).近年來(lái)，行業(yè)需求總量的快速增長(zhǎng)掩蓋了分散的行業(yè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的產(chǎn)能過(guò)剩隱憂.但在全球金融危機(jī)的背景下，行業(yè)需求出現(xiàn)疲軟，迫切需要通過(guò)利用信貸、稅收、資本市場(chǎng)等支持和優(yōu)惠政策以及必要的行政協(xié)調(diào)，加快企業(yè)兼并重組，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的換代，支持骨干企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合重組，通過(guò)整合提高機(jī)械行業(yè)的集中度，發(fā)展一批具有工程總承包，系統(tǒng)集成、國(guó)際貿(mào)易和融資能力的大型企業(yè)集團(tuán).

2)加大技術(shù)與研發(fā)投入力度增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力.在目前我國(guó)機(jī)械行業(yè)高度分散的行業(yè)結(jié)構(gòu)下，企業(yè)的業(yè)務(wù)與技術(shù)的深度和廣度不足，由于在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品精細(xì)化程度上缺乏投入，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)以價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)為主，企業(yè)成長(zhǎng)只能靠單一品種的銷量增加，而在技術(shù)創(chuàng)新方面的增長(zhǎng)后勁不足.這就造成了在行業(yè)景氣度高時(shí)增收不增利，在行業(yè)景氣度低迷時(shí)出現(xiàn)盈利下滑甚至虧損的現(xiàn)狀.從此次振興規(guī)劃的出臺(tái)，可以看出政府已經(jīng)意識(shí)到技術(shù)與研發(fā)投入不足對(duì)行業(yè)及企業(yè)自主創(chuàng)新能力的不利影響，并在稅收、財(cái)政撥款以及組織結(jié)構(gòu)與形式方面給出相對(duì)具體的支持細(xì)則.

3)出口信貸支持出口風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償，鼓勵(lì)使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，擬通過(guò)增加出口信貸額度，支持裝備產(chǎn)品出口.此外，通過(guò)建立使用國(guó)產(chǎn)首臺(tái)(套)裝備風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)用戶使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備.由于一直以來(lái)采購(gòu)商對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備抱有不信任的態(tài)度，更多傾向于采購(gòu)進(jìn)口設(shè)備.此次風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制的建立，將直接提高客戶對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的采購(gòu)力度，在一定程度上刺激對(duì)國(guó)貨的需求，而擴(kuò)大出口有利于平滑國(guó)內(nèi)需求下降對(duì)企業(yè)的沖擊.

4)依托國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化和自主化.振興規(guī)劃中提及依托煤炭與金屬礦采掘、高速鐵路和城市軌道交通等領(lǐng)域重點(diǎn)工程，實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)裝備的國(guó)產(chǎn)化和自主化.從中可以看出，這對(duì)鐵路設(shè)備行業(yè)和重礦采掘設(shè)備行業(yè)具有方向性的指導(dǎo)意義.

5)夯實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，提高基礎(chǔ)配套件和基礎(chǔ)工藝水平.由于基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)件的差距和工藝水平的落后，我國(guó)機(jī)械行業(yè)在高端產(chǎn)品的制造方面一直難有較大突破，作為整合機(jī)械行業(yè)的發(fā)展根基，基礎(chǔ)配套件和基礎(chǔ)工藝水平的提高迫不及待.此次振興規(guī)劃涉及細(xì)分子行業(yè)主要是大型鑄鍛件、基礎(chǔ)部件、加工輔具、特種原材料等從事配套產(chǎn)品制造的細(xì)分行業(yè).振興規(guī)劃明確提出，對(duì)部分確有必要進(jìn)口的關(guān)鍵部件及原材料，免征關(guān)稅和進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅，這將提升產(chǎn)品毛利率.

4 機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，近幾年來(lái)，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績(jī).主要表現(xiàn)在:

1)機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展.隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑－車復(fù)合、車銑復(fù)合、車－鏜－鉆－齒輪加工等復(fù)合、車磨復(fù)合、成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高.“一臺(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢(shì)［9］.

2)智能化技術(shù)有新突破.數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn).如:自動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動(dòng)退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過(guò)程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì).

3)機(jī)器人使柔性化組合效率更高.機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高.機(jī)器人與加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用.

4)精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展.數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)(0.01 mm)提升到目前的微米級(jí)(0.001 mm)，有些品種已達(dá)到0.05μm左右.超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05μm左右，形狀精度可達(dá)0.01μm左右.采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)(0.001μm).通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代.

5)功能部件性能不斷提高.功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用.全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動(dòng)組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大地提高了數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平.

數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域取得的進(jìn)步可以看出，其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn):

(1)高精度

當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度的要求越來(lái)越高，特別是在航空航天等行業(yè)體現(xiàn)尤為突出.在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，各種加工精度補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用;機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，大大提升了加工表面質(zhì)量;同時(shí)，各種高性能新型材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)制造中的使用，使得數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度顯著提高［10］.

(2)高柔性

隨著對(duì)產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化需求的體現(xiàn)，無(wú)形中提高了機(jī)床的柔性加工要求.例如，將各種加工功能集成在同一臺(tái)機(jī)床上，這樣就實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)機(jī)床上只需一次裝夾就能完成對(duì)零件的不同加工，不但有利于提高加工精度，而且提高了加工效率，充分展示了機(jī)床加工的柔性化發(fā)展趨勢(shì).

(3)高自動(dòng)

傳統(tǒng)的自動(dòng)化僅限用于使用組合機(jī)床的大批量生產(chǎn)，而現(xiàn)在已逐步實(shí)現(xiàn)僅通過(guò)數(shù)控機(jī)床和加工中心，在大批量、小批量以及多品種產(chǎn)品加工中的自動(dòng)化生產(chǎn).

(4)高速度

提高生產(chǎn)效率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的永恒主題.隨著數(shù)控設(shè)備高柔性化及高自動(dòng)化的發(fā)展操作過(guò)程中，減少了“人”的介入，同時(shí)縮短了工件裝夾時(shí)間、換刀時(shí)間和托盤交換時(shí)間等非切削時(shí)間，大幅提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率.

(5)高人性化

對(duì)數(shù)控機(jī)床的改造，除完善其各項(xiàng)加工性能外，對(duì)外觀、顯示及操作人性化的設(shè)計(jì)同樣不容忽視.從按鍵操作到菜單選擇甚至對(duì)話框操作，從LED顯示到TFT液晶顯示，相關(guān)輔助設(shè)備的革新，使得機(jī)床操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，顯示信息越來(lái)越清晰、豐富.相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)及機(jī)床改造技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)控機(jī)床為核心的柔性制造系統(tǒng)，甚至無(wú)人工廠必將逐步取代現(xiàn)有的生產(chǎn)模式，成為機(jī)械加工行業(yè)的主導(dǎo)力量.

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