數控機床發展過程及未來趨勢

機床(machinetools)是指用於制造機器的機器，又被稱為“工作母機”或“工具機”。早在15世紀就已出現早期的機床，1774年英國人威爾金森發明的一種炮筒鏜床被認為是世界上第1台真正意義上的機床，它克服了瓦特蒸汽機的汽缸加工難題。至18世紀，多種類型機床陸續發生並迅速cnc companies發展，如螺紋車床、龍門式機床、臥式銑床、滾齒機等，為科技革命和創建現代工業奠定了制造工具的基本。1952年，世界上第1台數字控制(numericalcontrol，NC)機床在美國麻省理工學院面世，意味著機床數控時代的開始。數控車床是一種配有數字控制系統(簡稱“數控系統”)的機床，數控系統包含數控裝置和伺服設備兩大部分，當前數控裝置主要采用電子數字計算機完成，又稱為計算機數控(computerizednumericalcontrol，CNC)設備。

數控車床可按制作工藝、運動方式、伺服控制方法、機床特性等進行分類。從加工目標(零件)表層產生工藝特點，傳統上一般將數控車床分成數控金屬切削機床、數控金屬成形機床兩大類。近些年，因為繁雜商品(如飛機、車輛、飛機發動機等)中新型材料運用日益提升，數控車床被加工零件的材料不再限於金屬材料，已擴展到複合材料、結構陶瓷等非金屬材質，並且制作工藝也包括了特種加工方式。此外，從功能和性能視角，又可將數控車床劃分為經濟型、中等(或普及型)和高端三類。當前對高檔數控機床尚無明確、統一的定義，筆者認為：高檔數控機床是具有高性能、智能化和高價值特點並達到相應作用及特性性能指標的數控車床。高檔數控機床是數控車床產業技術水平和裝備制造業競爭能力的典型代表。

數控車床進化史

1952年世界第1台數控車床在美國麻省理工學院研制，這是生產技術的一次革命性跨越。數控車床選用數字編程、程序執行、伺服控制等技術，完成依照零件樣圖編制的數字化加工程序自動控制機床的軌跡運動和運作，從此NC技術就促使機床與電子、計算機、控制、信息等技術發展密不可分。隨後，為了解決NC程序編制的自動化難題，選用計算機替代手工的自動編程工具(APT)和方法變成核心技術，計算機輔助設計/制造(CAD/CAM)技術也隨之獲得迅速發展和普及運用。可以說，制造智能化肇始於數控車床以及關鍵數據控制系統的誕生。

正是由於數控車床和數控技術在問世伊始就具有的幾個特性——數字控制觀念和方法、“軟(件)-硬(件)”相結合、“機(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學科交叉，因此之後數控車床和數控技術的重大進步就一直與電子技術和信息技術的發展直接關系(圖2)。

最早的數控裝置是采用電子真空管組成計算單元，20世紀40年代末晶體管發明，50年代末發布集成電路，至60年代前期出現選用集成電路和大規模集成電路的電子數字計算機，計算機在計算處理能力、微型化和穩定性方面的突破性進展，為數控機床技術發展帶來第一個拐點——由基於分立元件的數字控制(NC)走向了計算機數字控制(CNC)，數控車床也開始進入具體工業生產運用。

PC機的發展，給數控機床技術增添了第二個拐點。20世紀80時代IBM企業發布選用16位微控制器的個人微型計算機(personalcomputer，PC)，促使以往專用廠商cnc machined part開發數控裝置(包含硬件和軟件)，走向了通用的PC化計算機數控。此外，開放式結構的CNC系統也應時而生，促進數控技術向更高層次的智能化、網絡化發展，在此基礎上，高速機床、虛擬軸機床、複合加工機床等新技術快速迭代並運用。

21世紀以來，數控車床的第三個拐點開始變得清楚起來。智能化數控技術也開始萌芽，當前隨著新一代信息技術和新一代人工智能應用的發展，智能傳感、物聯網、大數據、數字孿生、賽博物理系統、雲計算和人工智能等新技術與數控技術深層融合，數控技術將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越——邁向賽博物理結合的新一代智能數控。

在這個過程中，機床的加工效率和加工精度，獲得了不斷的進展。先進制造技術的不斷發展及應用大大縮短了加工時間，提升了加工效率，圖7a是被廣泛引用的一個趨勢圖，表示了先進制造技術發展與加工時間(效率)的工作進展。從發展趨勢來看，一方面，從1960年到2020年，制造生產中總的加工時間(包含切削時間、輔助時間和准備時間)減少到原加工時間的16%，即加工效率明顯提高;另一方面，“切削時間、輔助時間、准備時間”這三者間的占比也逐漸趨於一致，因而，將來提升加工效率，不僅要著眼於工藝方式提升改善和提高自動化程度，還要從生產管理的智能化、網絡化和智能化的視角，有效減少待工時間。圖7b是20世紀80時代Taniguchi(穀口)給出的至2020年不同機床可達到的加工精度預測(圖上2000年到2020年的精度提高虛線為小編所加)，能夠看見，各種制作工藝方法和機床(或裝備)技術發展增添了加工精度的持續提升，但機械加工行業有別於集成電路制造行業，沒有短周期可見效的摩爾定律(IC上可容下的晶體管數量每18~24個月提升1倍)，其精度提高是一個長期技術累積和不斷迭代的過程(比如：精密加工提升1個精度量級的

關鍵技術演進之機床結構篇

以常見的車削和切削為例，典型的數控車床構造演變過程如圖4所示。數控車削機床結構從早期的2軸走刀平床體、2軸走刀斜床體等經典構造，發展到4軸走刀和雙刀架、多主軸和多刀等用以回轉體類零件效率高車削的加工中心構造，進一步發展為可適應複雜零件“一次夾裝、全部竣工(doneinone)”的多功能車銑複合加工中心構造。數控銑削加工機床構造從初期關鍵完成坐標軸聯動和主軸運動功能的經典立/臥式銑床構造，發展到帶刀庫和自動換刀機構的3軸聯動立/立式銑削加工中心構造、帶互換操作台的立/立式銑削加工中心構造，為滿足繁雜零部件效率高加工要求，又出現了4軸聯動和5軸聯動的銑削加工中心構造，隨後以切削/鏜削加工為主、兼具車削/鑽削加工作用的多功能銑車複合加工中心構造獲得迅速發展和應用。在5軸聯動發展過程中，來自於機器人的並接虛擬軸概念被引入到數控車床，出現並接或串car bumper molding並聯融合5軸聯動的方式，但實踐應用有限。當前，在同一台數控車床上實現“增材加工+切削加工”功能的調整材混合加工新式構造機床已經進入產品化發展階段。