2022年數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹

1、2022年數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹機床是指制造機器的機器，亦稱作工業(yè)母機、工作母機或者工具機。現(xiàn)代機械制 造中加工機械零件的方法很多：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、 擠壓等，但凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件，一般都需在機床上 用切削的方法進行最終加工。在一般的機器制造中，機床所擔負的加工工作量占 機器制造工作總量的 40%-60%，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要基石。具體分類看，機床一般分為金屬切削機床、金屬成形機床和木工機床等。從官方 統(tǒng)計口徑來看，機床行業(yè)主要包括金屬切削機床和金屬成形機床。其中，金屬切 削機床是機床工具行業(yè)中經(jīng)濟規(guī)模最大、地位最顯著的領(lǐng)域。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)

2、據(jù)，2020 年我國金屬切削機床產(chǎn)量為 44.6 萬臺，金屬成形機床產(chǎn)量為 20.2 萬 臺，金屬切削機床是金屬成形機床產(chǎn)量的 2 倍以上。另外，機床按是否使用數(shù)控 系統(tǒng)，可以分為數(shù)控機床和非數(shù)控機床，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，機床數(shù)控化率 已成為衡量制造業(yè)實力的重要指標。數(shù)控機床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”）的機床，數(shù)控系統(tǒng)包括 數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計算機實現(xiàn)，又 稱為計算機數(shù)控（Computer Numerical Control：CNC）裝置。數(shù)控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象（零件）表面形成工藝特點，

3、傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機床分為數(shù)控金屬切 削機床、數(shù)控金屬成型機床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機、汽車、航 空發(fā)動機等）中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機床被加工零件的材料不再限于金 屬材料，已擴展到復(fù)合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特 種加工方法。此外，從功能和性能角度，又可以劃分為經(jīng)濟型、中檔（或普及型）和高檔三類。 高檔數(shù)控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指 標的數(shù)控機床，是數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。圖：低中高檔數(shù)控機床技術(shù)水平主要劃分依據(jù)18 世紀的工業(yè)革命后，機床隨著不同的工業(yè)時代發(fā)展而進化并呈現(xiàn)出各個時代 的技術(shù)特

4、點，對應(yīng)于工業(yè) 1.0-工業(yè) 4.0 時代，機床從機械驅(qū)動/手工操作（機床 1.0）、電力驅(qū)動/數(shù)字控制（機床 2.0）發(fā)展到計算機數(shù)字控制（機床 3.0），并 正在向賽博物理機床（Cyber-physicalmachine）/云解決方案（機床 4.0）演化 發(fā)展。1952 年世界第臺數(shù)控機床在美國麻省理工學院研制成功，這是制造技術(shù)的一 次革命性跨越。數(shù)控機床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術(shù)，實現(xiàn)按照 零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機床的軌跡運動和運行，從此 NC 技術(shù) 使得機床與電子、計算機、控制、信息等技術(shù)的發(fā)展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計算機代

5、替手工的自動編程工具（APT）和方 法成為關(guān)鍵技術(shù)，計算機輔助設(shè)計/制造（CAD/CAM）技術(shù)也隨之得到快速發(fā)展 和普及應(yīng)用?？梢哉f，制造數(shù)字化肇始于數(shù)控機床及其核心數(shù)字控制技術(shù)的誕生。正是由于數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點數(shù)字控制思想和 方法、“軟（件）硬（件）”相結(jié)合、“機（械）電（子）控（制）信（息）” 多學科交叉，因而其后數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)的重大進步就一直與電子技術(shù)和信息 技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)聯(lián)。最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構(gòu)成計算單元，20 世紀 40 年代末晶體管被發(fā)明，50 年代末推出集成電路，至 60 年代初期出現(xiàn)了采 用集成電路和大規(guī)模集成電路的電子數(shù)字計算機，計

6、算機在運算處理能力、小型 化和可靠性方面的突破性進展，為數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展帶來第一個拐點由基于分 立元件的數(shù)字控制（NC）走向計算機數(shù)字控制（CNC），數(shù)控機床也開始進入 實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。20 世紀 80 年代 IBM 公司推出采用 16 位微處理器的個人微 型計算機，給數(shù)控機床技術(shù)帶來了第二個拐點由過去專用廠商開發(fā)數(shù)控裝置 （包括硬件和軟件）走向采用通用的 PC 化計算機數(shù)控，同時開放式結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)應(yīng)運而生，推動數(shù)控技術(shù)向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，高速機床、虛 擬軸機床、復(fù)合加工機床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。21 世紀以來，智能化數(shù)控 技術(shù)也開始萌芽，當前隨著新一代信息技術(shù)和新一代

7、人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能 傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、云計算和人工智能等新技術(shù) 與數(shù)控技術(shù)深度結(jié)合，數(shù)控技術(shù)將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越走向賽 博物理融合的新一代智能數(shù)控。機床結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：機床的各固定部分（如底座、床身、立柱、頭架等）、 攜帶工件和刀具的運動部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機床基礎(chǔ)件和功能部件。主軸的作用是帶動刀（磨）具（鉆削/銑削/磨削）或工件（車削）按給定速度旋 轉(zhuǎn)，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀（磨）具在工件上實現(xiàn)材料去除。 數(shù)控機床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動機經(jīng)主軸箱傳動的機械式 主軸、電動機與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、

8、高剛性大扭矩高速電主軸和 智能式主軸等。機床進給軸的伺服驅(qū)動方式從步進電機、電液比例伺服、晶閘管變流和 PWM 控 制的直流電動機伺服等形式，發(fā)展到現(xiàn)在成為主流的矢量控制交流電動機伺服、 雙電機重心驅(qū)動（DCG）、直線電動機/力矩電動機直接驅(qū)動等形式，而且多采 用帶有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)和“前饋+濾波”的全閉環(huán)控制，為各坐標軸進 給提供高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)的運動控制。此外，伺服控制模式從模擬量 控制，經(jīng)過“模擬量數(shù)字量”混合控制模式，發(fā)展為全數(shù)字式現(xiàn)場工業(yè)總線控 制模式，如串行實時通信協(xié)議（SERCOS）總線、實時以太網(wǎng)控制自動化技術(shù) （EtherCAT）總線、過程現(xiàn)場總線（PROFI

9、BUS）等。數(shù)控裝置是數(shù)控機床控制的中樞，數(shù)控裝置緊隨電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技 術(shù)的發(fā)展而演變進化，其發(fā)展過程可分為 7 代，第 1、2、3 代是分別采用電子 管分立元件、晶體管、集成電路的數(shù)控裝置，處于數(shù)控裝置發(fā)展初期，體積和功 耗大，可靠性低，實用性差。第 4 代為采用小型電子數(shù)字計算機的 CNC 裝置， 相對于前幾代，其硬件平臺結(jié)構(gòu)緊湊、專用性強、可靠性大大提高，數(shù)控技術(shù)進 入到計算機數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機床真正地進入到實用階段并加快了迭代 和發(fā)展，此即為數(shù)控機床發(fā)展的第個拐點。直接數(shù)控（DNC）、柔性制造系統(tǒng) （FMS）等概念和系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，隨著超大規(guī)模集成電路微型中央處理器技

10、術(shù)成 熟，第 5 代數(shù)控裝置將基于微處理器的專用硬件或單板機用作其硬件平臺，進一 步減小了硬件體積，降低了成本，但其硬件結(jié)構(gòu)的兼容性和開放性較差。20 世 紀 80 年代，第 6 代數(shù)控裝置中采用了個人微型計算機（PC），帶來了數(shù)控機床 發(fā)展的第 2 個拐點。借用 PC 成熟的軟/硬件平臺、豐富的應(yīng)用資源和通用的網(wǎng) 絡(luò)化接口等特點，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉(zhuǎn)向以軟件算法實現(xiàn)各種功能，即進入到 開放式、網(wǎng)絡(luò)化和軟件化數(shù)控階段。隨著工業(yè) 4.0 發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng) /工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第代 智能數(shù)控裝置及智能機床將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個新拐點，甚至可能

11、帶來一次 新的革命。圖：數(shù)控裝置的演進多軸聯(lián)動控制技術(shù)是數(shù)控機床控制的核心技術(shù)之一。數(shù)控機床各進給軸（包括直 線坐標和回轉(zhuǎn)坐標進給軸）在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時運動稱為多軸聯(lián) 動控制。高檔數(shù)控機床一般都具有 3 軸或 3 軸以上聯(lián)動控制功能，多為 4 軸聯(lián) 動或 5 軸聯(lián)動。各個進給坐標軸的運動一般由電動機在伺服驅(qū)動器控制下實現(xiàn)， 因此，高性能的坐標軸進給伺服裝置構(gòu)成了實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制的物理基礎(chǔ)。多軸 聯(lián)動控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運動軌跡，通過軌跡插補和實時控制，在每 個伺服控制周期給出各個聯(lián)動坐標軸的運動增量，實時控制所有坐標軸的聯(lián)動。軌跡插補也是數(shù)控機床控制的核心技術(shù)之一。實現(xiàn)插

12、補運算的裝置（或軟件模塊） 稱為插補器，現(xiàn)代數(shù)控機床普遍采用數(shù)字計算機通過軟件實現(xiàn)軌跡插補。從實現(xiàn) 的插補功能角度來看，2 軸聯(lián)動的平面點位控制、平面直線和圓弧插補是最簡單 的插補功能；2.5 軸聯(lián)動插補實際上只有 2 軸聯(lián)動控制，其第 3 軸只能實現(xiàn)與另 外 2 軸非聯(lián)動的控制，這樣的聯(lián)動插補方式可加工 3D 的曲線和曲面，但效率低、 適應(yīng)性差；3 軸聯(lián)動插補除了實現(xiàn)平面和空間的直線插補、圓弧插補功能外，高 檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補、拋物線插補等功能；5 軸聯(lián)動插補可高效方便地 實現(xiàn)各種復(fù)雜曲線和曲面插補的功能，并進一步發(fā)展樣條插補和先進的速度、加 速度、加速度變化率等控制功能，是高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)加工的核心技 術(shù)。未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補功能，并可望與基于人工智能和 數(shù)字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結(jié)合，在考慮多軸聯(lián)動動力學模型以及軌跡誤差和速 度約束條件下，實現(xiàn)由 3D 模型驅(qū)動的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動直接插補。先進制造技術(shù)的不斷進步及應(yīng)用大大縮短了加工時間，提高了加工效率。從發(fā)展 趨勢來看，一方面，從 1960 年到 2020 年，制造生產(chǎn)中總的加工時間（包括切 削時間、輔助時間和準備時間）減少到原加工時間的 16，即加工效率顯著提 升；另一方面，“切削時間、輔助時間、準備時間”這三者之間的占比也逐漸趨 向一致，因此，未來提高加工效率，不僅