智能制造視域下數控機床的應用價值與升級趨勢

摘 要：智能制造是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢，數控機床作為先進制造技術的關鍵裝備，對其實現(xiàn)起到了重要支撐。文章通過梳理文獻和分析案例，探討了數控機床在智能制造中的作用、應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。數控機床可實現(xiàn)自動化生產、保障加工精度與質量、提高生產柔性，并促進生產數字化、信息化及系統(tǒng)集成協(xié)同，國內外應用案例驗證了其顯著成效。目前，我國數控機床產業(yè)取得一定進步，但與發(fā)達國家仍有差距。未來，數控機床將向智能化、網絡化、綠色化及高精度高速化方向發(fā)展，我國需加大研發(fā)投入，助力制造業(yè)邁向全球產業(yè)鏈中高端。

關鍵詞：數控機床 智能制造 自動化生產 加工精度 生產柔性 數字化信息化

1 緒論

智能制造作為當今制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢，正深刻改變著傳統(tǒng)的生產模式和產業(yè)格局。數據控機床產業(yè)的技術水平是衡量一國工業(yè)發(fā)展水平的重要標志[1]。數控機床融合了計算機技術、自動化控制技術、精密機械制造技術等多學科領域的先進成果，具備高度的自動化、高精度和高柔性等特點，為智能制造的實現(xiàn)提供了堅實的基礎和有力支撐。通過對近年來相關文獻的研讀，本報告旨在深入探討數控機床在智能制造中的具體作用，分析其應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，為進一步推動智能制造發(fā)展提供參考。

2 數控機床的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

數控機床的發(fā)展始于 20 世紀中葉。1952 年，美國麻省理工學院成功研制全球首臺數控機床，推動制造業(yè)邁入自動化時代。此后，伴隨電子與計算機技術的持續(xù)革新，數控機床歷經電子管控制、晶體管控制，逐步發(fā)展到計算機數字控制（CNC）階段，性能、功能與應用領域均得到顯著提升與拓展。20 世紀 80 年代，在計算機和網絡技術高速發(fā)展的推動下，數控機床開始向智能化、網絡化方向邁進，智能制造雛形初現(xiàn)。

2.2 現(xiàn)狀

數控機床現(xiàn)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的關鍵裝備[2]，全球范圍內其產量與保有量持續(xù)攀升。德國、日本、美國等發(fā)達國家憑借先進技術，在數控機床領域長期占據領先地位，產品在精度、效率及智能化水平上優(yōu)勢突出。近年來，新興經濟體制造業(yè)的迅速崛起，極大拉動了數控機床的市場需求，進一步推動該產業(yè)在全球的拓展。在國內，歷經多年發(fā)展，我國數控機床產業(yè)取得長足進步，在多項關鍵技術領域實現(xiàn)突破，產品性能與質量顯著提升。但與發(fā)達國家相比，我國在高端產品研發(fā)及核心零部件自主供應方面，仍面臨較大挑戰(zhàn)。

3 數控機床在智能制造中的關鍵作用

3.1 實現(xiàn)自動化生產

生產過程高度自動化是智能制造的關鍵特征，數控機床便是這一特性的典型應用。通過預設程序，數控機床能夠自主完成零件加工，有效降低人工干預，進而顯著提升生產效率，保障產品質量穩(wěn)定性。以汽車制造行業(yè)為例，數控機床可對汽車零部件開展高精度自動化加工，從毛坯到成品的全流程，均可在由一臺或多臺數控機床搭建的生產線中自動實現(xiàn)。如某汽車制造企業(yè)引入數控機床自動化生產線后，生產效率較傳統(tǒng)模式提升超 30%，產品廢品率降低約 50%。由此可見，數控機床憑借自動化生產能力，不僅大幅提升生產效率，降低人工成本，也增強了企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢。

3.2 保證加工精度與質量

高精度加工是智能制造的核心要素之一。數控機床依托先進數控系統(tǒng)與精密機械結構，對加工流程展開精確調控，借此保障零件加工精度，其定位和重復定位精度可達微米乃至納米級，遠超傳統(tǒng)機床。以航空航天領域為例，該領域對關鍵零部件加工精度要求近乎嚴苛，如發(fā)動機葉片制造。數控機床憑借精準的刀具路徑規(guī)劃、實時誤差補償機制，滿足葉片加工的高精度設計要求。實際應用表明，五軸聯(lián)動數控機床加工的航空發(fā)動機葉片，型面精度較傳統(tǒng)工藝提升 50% 以上，顯著增強了發(fā)動機性能與可靠性?？梢?，數控機床的高精度加工為智能制造筑牢質量根基，有力助推制造業(yè)整體質量升級 。

3.3 提高生產柔性與靈活性

智能制造的顯著特征之一，在于能夠快速響應動態(tài)的市場需求，實現(xiàn)產品多樣化生產。數控機床高度柔性的特性，為達成這一目標提供了技術支撐。相較于傳統(tǒng)機床需進行大量工裝調整，數控機床僅需修改加工程序，便可便捷地切換不同零件的加工任務。以 3C 產品制造行業(yè)為例，該行業(yè)產品迭代迅速，零件類型復雜多樣。數控機床憑借靈活的加工優(yōu)勢，依據不同產品設計要求，迅速調整加工工藝與程序，實現(xiàn)快速生產。調研發(fā)現(xiàn)，某 3C 產品制造企業(yè)引入數控機床后，新產品試生產到批量生產的周期大幅縮短，產品研發(fā)周期減少約 40%，成功搶占市場先機?？梢钥闯?，數控機床的高柔性生產特性，契合了智能制造的發(fā)展需求，不僅幫助企業(yè)降低生產成本，還增強了企業(yè)對市場的快速響應能力，在提升企業(yè)競爭力方面發(fā)揮著不可忽視的作用 。

3.4 促進生產過程的數字化與信息化

智能制造以數字化和信息化為技術基石，構建新型生產模式。數控機床作為智能制造體系的關鍵一環(huán)，具備強大的生產數據采集與傳輸能力，可實時收集機床運行狀態(tài)、刀具磨損程度以及零件加工精度等信息，并借助網絡將這些數據傳輸至生產管理系統(tǒng)，為科學生產決策筑牢數據根基。同時，數控機床能夠接收設計部門提供的數字化模型與加工工藝信息，有效打破設計與制造環(huán)節(jié)之間的壁壘，實現(xiàn)兩者的無縫銜接。以數字化工廠場景為例，數控機床與企業(yè)的產品數據管理（PDM）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）深度集成，達成生產過程全方位的數字化與信息化管控。經研究分析，對數控機床生產數據實施實時監(jiān)測，能夠幫助企業(yè)及時洞察生產環(huán)節(jié)潛在問題，提前布局設備維護與工藝優(yōu)化。實際應用中，企業(yè)設備利用率因此提升 20% 以上。由此可見，數控機床極大地推動了生產過程數字化與信息化的融合，為智能制造的高效落地提供強勁助力。

3.5 助力智能制造系統(tǒng)的集成與協(xié)同

智能制造作為一項復雜的系統(tǒng)工程，高度依賴各類設備與系統(tǒng)之間的深度集成及高效協(xié)同。數控機床作為制造系統(tǒng)的核心，能與機器人、自動化物流系統(tǒng)、檢測設備等智能裝備緊密對接，構建起完備的智能制造生產線或車間體系。以智能工廠為應用場景，數控機床與工業(yè)機器人配合[3]，實現(xiàn)了零件的自動化上下料及加工；與自動化物流系統(tǒng)集成，物料的配送和運輸也實現(xiàn)自動化。在某智能制造車間的實踐中，將數控機床與其他智能裝備集成，實現(xiàn)了生產過程從原材料到成品交付的全自動化與智能化管理。經實際測算，這一模式使生產效率提升超過50%。不難發(fā)現(xiàn)，數控機床不僅能串聯(lián)起生產流程的各個環(huán)節(jié)，而且在智能制造系統(tǒng)的集成與協(xié)同過程中發(fā)揮著中樞作用，不僅提升生產的精細化管理水平，還驅動智能制造邁向更高層次，為制造業(yè)轉型升級注入強勁動力 。

4 數控機床在智能制造中的應用案例分析

4.1 案例一：德國某汽車制造企業(yè)的智能工廠

德國憑借深厚的制造業(yè)底蘊，在智能制造領域長期占據全球領先地位。以德國某汽車制造企業(yè)的智能工廠為例，其大規(guī)模引入先進的數控機床，并借助工業(yè)以太網，將這些機床與企業(yè)生產管理系統(tǒng)深度互聯(lián)，極大地推動了生產過程的自動化與信息化。在實際生產中，數控機床依據訂單信息自動調取加工程序，完成汽車零部件的精準加工。與此同時，機床實時收集刀具磨損、加工精度等關鍵數據，并上傳至生產管理系統(tǒng)。系統(tǒng)對數據進行深度分析后，及時優(yōu)化生產工藝與設備參數，有力保障了生產過程的高效與穩(wěn)定。該企業(yè)借助數控機床等智能裝備，革新了生產模式，顯著提升了生產效率與產品質量 。

4.2 案例二：國內某航空航天企業(yè)的數字化車間

為提升產品制造水平，國內某航空航天企業(yè)構建了數字化車間，配備五軸聯(lián)動加工中心、車銑復合加工機床等高性能數控機床。車間運行時，借助數字化設計制造一體化平臺，將產品設計模型直接轉化為數控機床加工程序，大幅提升設計與制造的協(xié)同效率。與此同時，車間運用傳感器技術實時監(jiān)測數控機床運行狀態(tài)，并借助數據分析開展設備預測性維護。以刀具管理為例，通過分析刀具磨損數據，提前更換刀具，可有效規(guī)避因刀具磨損引發(fā)的加工質量瑕疵與設備故障。數字化車間建成后，優(yōu)化了企業(yè)航空零部件的加工流程，顯著提升加工精度，縮短生產周期，進一步夯實了企業(yè)在行業(yè)內的核心競爭力。

5 數控機床在智能制造中的發(fā)展趨勢

5.1 更高的智能化水平

隨著技術的持續(xù)迭代，數控機床智能化將成為未來重要發(fā)展趨勢。一方面，未來機床將具備更敏銳的智能感知能力，可實時捕捉加工過程中的力、溫度和振動等物理量，并依據這些信息自主調控加工參數，以達成加工效能的最優(yōu)化。另一方面，機器學習、深度學習等人工智能技術將被深度嵌入數控機床[4]。通過對海量加工數據的挖掘與分析，機床不僅能夠實現(xiàn)對加工流程的智能決策，還可開展故障診斷，如自動甄別加工異常，并迅速采取應對舉措。數控機床智能化升級，將進一步凸顯其在智能制造體系中的核心地位，推動生產過程從自動化向智能化轉型，重塑制造業(yè)生產范式。

5.2 更緊密的網絡化與互聯(lián)互通

伴隨工業(yè)互聯(lián)網的深入發(fā)展，數控機床網絡化與互聯(lián)互通的趨勢愈發(fā)顯著[5]。未來，數控機床不僅能與企業(yè)內部各類設備和系統(tǒng)緊密聯(lián)動，還可跨越組織邊界，與外部供應商、客戶實現(xiàn)數據共享與協(xié)同作業(yè)。在原材料供應環(huán)節(jié)，機床可實時獲取庫存信息，依據生產規(guī)劃自動化安排采購，確保原材料供應的及時性。而在客戶服務方面，客戶能借助網絡實時跟蹤產品加工進度，掌握產品質量信息，有效提升客戶參與度。通過這種網絡化協(xié)同模式，數控機床打破企業(yè)內外部信息壁壘，重塑智能制造產業(yè)鏈的協(xié)同機制，打通從原材料供應到產品交付的各個環(huán)節(jié)，為智能制造生態(tài)系統(tǒng)的高效運轉提供強勁助力 ，也為產業(yè)高質量發(fā)展創(chuàng)造更多可能性。

5.3 綠色化與可持續(xù)發(fā)展

在全球綠色發(fā)展浪潮的推動下，數控機床的綠色化轉型已成必然趨勢。從技術革新來看，未來數控機床將配備節(jié)能型驅動系統(tǒng)，采用先進制造工藝，以此降低能源消耗與環(huán)境污染。與此同時，機床設計將更加注重全生命周期的可持續(xù)性，提升產品的可回收性與再利用性，從而有效降低生產和使用成本。以能源管理系統(tǒng)為例，采用新型節(jié)能電機和智能調控系統(tǒng)，可顯著降低機床能耗。這一舉措不僅符合當下節(jié)能減排的環(huán)保要求，還通過降低能耗、減少廢棄物排放，踐行了循環(huán)經濟理念。數控機床的綠色化轉型，既響應了可持續(xù)發(fā)展的時代訴求，也為智能制造的長遠發(fā)展筑牢了綠色根基，助力制造業(yè)在環(huán)境友好與經濟發(fā)展之間找到平衡點，推動產業(yè)邁向高質量發(fā)展新階段。

5.4 高精度與高速化

隨著高端制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，其對零件加工精度與效率提出了更為嚴苛的要求，在此背景下，數控機床向高精度、高速化方向的迭代升級成為必然趨勢。在提升精度上，數控機床借助先進的精密制造技術與誤差補償技術，能夠有效消除加工過程中產生的誤差，進一步提升定位和重復定位精度，有望達到亞微米甚至更高精度等級。在高速化發(fā)展層面，通過對機床主軸轉速、進給速度以及換刀速度的持續(xù)優(yōu)化，可大幅壓縮加工時間，顯著提升生產效率。二者協(xié)同發(fā)展，不僅契合智能制造對數控機床的性能要求，更能助力其精準對接高端產品的加工需求，賦能高端制造業(yè)的技術創(chuàng)新與產業(yè)升級 。

6 結論

對 2020 年后相關文獻的梳理以及實際案例剖析表明，數控機床在智能制造領域占據核心地位，發(fā)揮著不可替代的作用。在實際生產中，數控機床不僅實現(xiàn)生產自動化，保障加工精度與質量，提升生產柔性，還推動生產數字化、信息化，促進智能制造系統(tǒng)集成協(xié)同。國內外諸多應用案例顯示，企業(yè)引入數控機床后，生產效率、成本控制和產品質量均得到顯著優(yōu)化。展望未來，數控機床將向智能化、網絡化、綠色化、高精度高速化方向持續(xù)邁進。隨著技術迭代，其在智能制造中的影響力將愈發(fā)凸顯，為制造業(yè)轉型升級注入強勁動力。在此背景下，我國需加大數控機床技術研發(fā)投入，突破關鍵技術瓶頸，提升自主創(chuàng)新能力，這不僅有助于推動數控機床產業(yè)與智能制造的高質量發(fā)展，更能助力我國制造業(yè)在全球產業(yè)鏈中邁向中高端，搶占產業(yè)競爭制高點 。

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