數控機床發(fā)展狀況綜述

樂偉偉

摘 要：數控機床是技術密集的現(xiàn)代制造裝備，是組成制造系統(tǒng)的基本單元。近年來，隨著數控機床、特別是中高檔數控機床功能的不斷增強，先進功能的維持能力--可靠性問題越加重要。目前，國產數控機床的功能與國際先進水平的差距不斷減小，但可靠性技術落后，差距明顯，已經成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸，同時也引起了行業(yè)和學術界的高度關注。本文闡述了數控機床的發(fā)展歷程及國內外的研究現(xiàn)狀，為相關專業(yè)科研人員研究提供了參考。

關鍵詞：數控系統(tǒng)；機床；發(fā)展歷程；

國際信息處理聯(lián)盟（IFIP）對數控機床作了如下定義：數控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能夠邏輯的處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序，定義中的控制系統(tǒng)即是數控系統(tǒng)。

1數控機床的發(fā)展歷程

電子技術的進步帶動了數控機床的行業(yè)發(fā)展。隨著電子技術的不斷更新，數控機床也發(fā)生著日新月異的變化，但是可靠性一直是困擾數控機床發(fā)展的主要問題之一。1952年，帕森斯公司與麻省理工學院為研制飛機螺旋槳葉片輪廓，成功試制了世界上第一臺電子管三坐標數控銑床。自此，制造領域數控加工的時代拉開了帷幕。

在數控機床發(fā)展初期，機床主要控制單元是由大量電子管組成，而其電子管元件體積龐大，功耗較高，價格昂貴，可靠性差，除了在軍工、航空部門使用，幾乎沒有在其他行業(yè)應用。

上世紀50年代末期，晶體管和印刷電路板的出現(xiàn)，使數控裝置進入了第二代（即點位控制的數控機床），體積縮小，成本下降，使數控機床開始在民用機械制造業(yè)初步推廣。此時的數控機床只能進行簡易的加工，可靠性還有待提高。

1965年，集成電路代替了晶體管和印刷電路板，標志著數控機床進入了第三代，體積小、耗能低，性價比高，同時，可靠性較以往產品有所提高，這也促進了數控機床品種和產量的發(fā)展。值得一提的是，在這一時期還成功開發(fā)了世界上第一臺加工中心，這是數控機床領域的重大發(fā)展，使加工復雜結構工件成為可能，截止到目前為止，工業(yè)發(fā)達國家的加工中心產量幾乎占據數控機床產量的四分之一。

1974年，大規(guī)模集成電路技術將微處理器（CPU）直接用于數控系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實，芯片的高度集成，將數控機床的從硬件控制帶入了計算機控制的時代。計算速度的提高，推動了數控技術的發(fā)展，同時，也擴大了數控機床的功能，體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。70年代后期，在數控加工中心的基礎上，又發(fā)展了五面體加工中心，提高了復雜型面零件的加工精度，減少了切削準備時間和測量時間。

80年代初，計算機技術的發(fā)展，實現(xiàn)了友好的人機對話自動編程的數控系統(tǒng)，出現(xiàn)了柔性制造單元（FMC），它和柔性制造系統(tǒng)組成了最初計算機集成制造系統(tǒng)CIMS使以信息技術為核心的集成制造技術在工業(yè)領域發(fā)揮了作用。數控裝置的體積縮小到直接可以安裝在機床是，自動化程度進一步提高，使機床具有了自動監(jiān)控自動檢測等功能，作為數控機床的指揮中心——數控系統(tǒng)的MTBF已由70年代的大于3000h，提高到90年代初的大于30000h。

90年代至今，敏捷化制造系統(tǒng)作為機械加工裝備的主體，為實現(xiàn)以虛擬技術為核心的數字制造技術成為可能。以數字化為特征的數控機床成為柔性化制造系統(tǒng)和敏捷化制造系統(tǒng)的基礎裝備，正朝著高精化、高效化、智能化、柔性化、復合化的趨勢發(fā)展。

六桿數控機床（即虛擬軸機床）是20世紀數控機床結構的重大突破。個人計算機平臺所操控的數控系統(tǒng)大大增加了控制軸的數量，而且，數控功能不止控制刀具運動軌跡和機床動作，還能完成自動編程、檢測、故障診斷與通訊等多種功能。而在進入了日本遠洲株式會社在2002年便提出為汽車行業(yè)提供的加工中心目標是MTBF達到5000小時以上。

21世紀以后，各企業(yè)對數控機床的可靠性要求則是已經上升到具體目標的階段，如縱觀數控機床60多年的歷史，除了數控裝置的快速發(fā)展，高性能功能部件的研發(fā)及專業(yè)生產，也成為了數控機床技術進步和品質提升的重要條件之一。電主軸、雙擺主軸頭、數控動力刀架、快速換刀裝置等功能部件的出現(xiàn)，不僅縮短了機床開發(fā)周期，降低制造成本，還將促進數控機床復合化加工的擴展，推動新一代可重構機床的出現(xiàn)。但是，相比數控系統(tǒng)來說，結構件的可靠性則較低。

2數控機床的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

機床工業(yè)強，則國家強，反之則弱。美國、德國和日本，作為當今世界制造業(yè)發(fā)達國家的同時，也同時擁有最尖端的數控機床技術。他們憑借優(yōu)厚的研發(fā)實力，嚴格的質量控制，精湛的產品品質，使本國的數控機床產品一直引領著該行業(yè)的發(fā)展。領先的數控機床水平，使這些國家的不管是軍事產品，還是民用產品都處于世界領先地位。尤其是日本，數控機床行業(yè)經歷了僅僅十幾年時間，從起步到迅猛發(fā)展，從1978年到2008年，一直以高可靠性和高性價比的產品優(yōu)勢占據著數控機床年產量世界第一的位置。

中國機床工業(yè)是伴隨著新中國的成立而起步的，經歷了整整六十一年。1958年，我國初步開展了數控機床的開發(fā)與研制工作。自1980年改革開放以后，機床工業(yè)大量引進、消化和吸收了日德美先進數控機床技術，使我國數控機床在技術上、產量上得到迅猛發(fā)展和進步。特別是2001年以后，我國數控機床產量穩(wěn)步上升，截止到2010年，數控機床產量已經達到22.39萬臺，與2001年1.75萬臺的產量相比，增長了將近13倍。即使在2008年，我國機床行業(yè)產量在一定程度上受到經濟危機影響，可在隨后的2年，生產量卻奮起直追，尤其是在2010年，同比增長55.39%，使生產總量一躍成為世界第一。

雖然近30年來，我國數控機床產量上有較大提高，但是由于自主研發(fā)能力相對發(fā)達國家還有很大差距，并未深入系統(tǒng)的科研工作，沒有充分掌握國外數控機床產品的關鍵技術，長期仿制的工作模式，使我國數控機床與工業(yè)發(fā)達國家的先進水平形成了鮮明的對比。而國產數控機床的可靠性與國外相比明顯偏低，一度造成了中國機床的口碑較差的尷尬局面。從2009-2010年世界各國機床的進出口數據以及美國GardnerPublication公司的調查報告可以看出，德國和日本是機床出口大國，并且以高精尖高檔數控機床為主；同時，國外機床大國新生產的機床有35%銷往中國fall。而我國雖然有大量的機床消費量，但是，進口量占較大比例，即高檔數控機床還是依賴與進口。究其根本原因，數控機床可靠性是造成該問題的主要因素。因此，為了改善中國機床所面臨的難題，縮小與世界先進水平的差距，提高產品可靠性已刻不容緩。

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