2022年數控機床行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹

1、2022年數控機床行業(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?，F(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)中經濟規(guī)模最大、地位最顯著的領域。根據國家統(tǒng)計局數

2、據，2020 年我國金屬切削機床產量為 44.6 萬臺，金屬成形機床產量為 20.2 萬 臺，金屬切削機床是金屬成形機床產量的 2 倍以上。另外，機床按是否使用數控 系統(tǒng)，可以分為數控機床和非數控機床，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，機床數控化率 已成為衡量制造業(yè)實力的重要指標。數控機床是一種裝有數字控制系統(tǒng)（簡稱“數控系統(tǒng)”）的機床，數控系統(tǒng)包括 數控裝置和伺服裝置兩大部分，當前數控裝置主要采用電子數字計算機實現(xiàn)，又 稱為計算機數控（Computer Numerical Control：CNC）裝置。數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)上通常將數控機床分為數控金屬切 削機床、數控金屬成型機床兩大類。近年來，由于復雜產品（如飛機、汽車、航 空發(fā)動機等）中新型材料應用日益增加，數控機床被加工零件的材料不再限于金 屬材料，已擴展到復合材料、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，又可以劃分為經濟型、中檔（或普及型）和高檔三類。 高檔數控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達到相應功能及性能技術指 標的數控機床，是數控機床產業(yè)技術水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。圖：低中高檔數控機床技術水平主要劃分依據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 的技術特

4、點，對應于工業(yè) 1.0-工業(yè) 4.0 時代，機床從機械驅動/手工操作（機床 1.0）、電力驅動/數字控制（機床 2.0）發(fā)展到計算機數字控制（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 年世界第臺數控機床在美國麻省理工學院研制成功，這是制造技術的一 次革命性跨越。數控機床采用數字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術，實現(xiàn)按照 零件圖樣編制的數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 使得機床與電子、計算機、控制、信息等技術的發(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 法成為關鍵技術，計算機輔助設計/制造（CAD/CAM）技術也隨之得到快速發(fā)展 和普及應用。可以說，制造數字化肇始于數控機床及其核心數字控制技術的誕生。正是由于數控機床和數控技術在誕生伊始就具有的幾大特點數字控制思想和 方法、“軟（件）硬（件）”相結合、“機（械）電（子）控（制）信（息）” 多學科交叉，因而其后數控機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(fā)展直接關聯(lián)。最早的數控裝置是采用電子真空管構成計算單元，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，為數控機床技術發(fā)展帶來第一個拐點由基于分 立元件的數字控制（NC）走向計算機數字控制（CNC），數控機床也開始進入 實際工業(yè)生產應用。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，給數控機床技術帶來了第二個拐點由過去專用廠商開發(fā)數控裝置 （包括硬件和軟件）走向采用通用的 PC 化計算機數控，同時開放式結構的 CNC 系統(tǒng)應運而生，推動數控技術向更高層次的數字化、網絡化發(fā)展，高速機床、虛 擬軸機床、復合加工機床等新技術快速迭代并應用。21 世紀以來，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

7、人工智能技術的發(fā)展，智能 傳感、物聯(lián)網、大數據、數字孿生、賽博物理系統(tǒng)、云計算和人工智能等新技術 與數控技術深度結合，數控技術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控。機床結構主要包括兩大部分：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，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。 數控機床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調速的交流電動機經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、 雙電機重心驅動（DCG）、直線電動機/力矩電動機直接驅動等形式，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)響應的運動控制。此外，伺服控制模式從模擬量 控制，經過“模擬量數字量”混合控制模式，發(fā)展為全數字式現(xiàn)場工業(yè)總線控 制模式，如串行實時通信協(xié)議（SERCOS）總線、實時以太網控制自動化技術 （EtherCAT）總線、過程現(xiàn)場總線（PROFI

9、BUS）等。數控裝置是數控機床控制的中樞，數控裝置緊隨電子技術、計算機技術、信息技 術的發(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、集成電路的數控裝置，處于數控裝置發(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字計算機的 CNC 裝置， 相對于前幾代，其硬件平臺結構緊湊、專用性強、可靠性大大提高，數控技術進 入到計算機數控的新軌道，從而使數控機床真正地進入到實用階段并加快了迭代 和發(fā)展，此即為數控機床發(fā)展的第個拐點。直接數控（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、術成 熟，第 5 代數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，但其硬件結構的兼容性和開放性較差。20 世 紀 80 年代，第 6 代數控裝置中采用了個人微型計算機（PC），帶來了數控機床 發(fā)展的第 2 個拐點。借用 PC 成熟的軟/硬件平臺、豐富的應用資源和通用的網 絡化接口等特點，數控裝置的研究開發(fā)轉向以軟件算法實現(xiàn)各種功能，即進入到 開放式、網絡化和軟件化數控階段。隨著工業(yè) 4.0 發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網 /工業(yè)互聯(lián)網、大數據、云計算、人工智能、數字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第代 智能數控裝置及智能機床將給數控技術發(fā)展帶來一個新拐點，甚至可能

11、帶來一次 新的革命。圖：數控裝置的演進多軸聯(lián)動控制技術是數控機床控制的核心技術之一。數控機床各進給軸（包括直 線坐標和回轉坐標進給軸）在數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動器控制下實現(xiàn)， 因此，高性能的坐標軸進給伺服裝置構成了實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制的物理基礎。多軸 聯(lián)動控制就是根據數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。軌跡插補也是數控機床控制的核心技術之一。實現(xiàn)插

12、補運算的裝置（或軟件模塊） 稱為插補器，現(xiàn)代數控機床普遍采用數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)響應加工的核心技 術。未來的數控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補功能，并可望與基于人工智能和 數字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結合，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。先進制造技術的不斷進步及應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