北京航空航天大學(xué)劉強(qiáng)教授深耕數(shù)控加工及智能制造領(lǐng)域已三十余年，有深厚的專業(yè)積累。在本文中，劉強(qiáng)教授從工業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)發(fā)展的角度全面總結(jié)了機(jī)床進(jìn)化史和數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程，分析了數(shù)控機(jī)床核心關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)過程；系統(tǒng)介紹了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程，并按階段梳理了數(shù)控機(jī)床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程以及發(fā)展進(jìn)程中的重要事件；詳述了數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域國際競爭態(tài)勢；給出了對該領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢的研判。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

本文作者：劉強(qiáng)，北京航空航天大學(xué)教授，博導(dǎo)。研究方向?yàn)橹悄軘?shù)控技術(shù)、智能制造技術(shù)。本文做了適度刪減和調(diào)整，首發(fā)時(shí)間2021年4月16日。由【中國機(jī)械工程雜志社】原創(chuàng)首發(fā)，數(shù)字化企業(yè)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

引言：制造機(jī)器的機(jī)器

機(jī)床( machine tools )是指用來制造機(jī)器的機(jī)器，又被稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)”。早在15世紀(jì)就已出現(xiàn)了早期的機(jī)床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認(rèn)為是世界上第1臺真正意義上的機(jī)床，它解決了瓦特蒸汽機(jī)的氣缸加工問題。至18世紀(jì)，各種類型機(jī)床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機(jī)床、臥式銑床、滾齒機(jī)等，為工業(yè)革命和建立現(xiàn)代工業(yè)奠定了制造工具的基礎(chǔ)。1952年，世界上第1臺數(shù)字控制(numerical control，NC )機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院問世，標(biāo)志著機(jī)床數(shù)控時(shí)代的開始。數(shù)控機(jī)床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當(dāng)前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，又稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置。

數(shù)控機(jī)床可按加工工藝、運(yùn)動方式、伺服控制方式、機(jī)床性能等進(jìn)行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點(diǎn)，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機(jī)床分為數(shù)控金屬切削機(jī)床、數(shù)控金屬成形機(jī)床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機(jī)、汽車、航空發(fā)動機(jī)等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機(jī)床被加工零件的材料不再限于金屬材料，已擴(kuò)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，又可將數(shù)控機(jī)床劃分為經(jīng)濟(jì)型、中檔(或普及型)和高檔三類。當(dāng)前對高檔數(shù)控機(jī)床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認(rèn)為：高檔數(shù)控機(jī)床是具有高性能、智能化和高價(jià)值特征并達(dá)到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指標(biāo)的數(shù)控機(jī)床。高檔數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)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。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)化史

機(jī)床作為“工作母機(jī)“，全程伴隨了工業(yè)化的發(fā)展。18 世紀(jì)的工業(yè)革命后，機(jī)床隨著不同的工業(yè)時(shí)代發(fā)展而進(jìn)化并呈現(xiàn)出各個(gè)時(shí)代的技術(shù)特點(diǎn)。如圖 1 所示，對應(yīng)于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時(shí)代，機(jī)床從機(jī)械驅(qū)動/手工操作(機(jī)床 1.0 )、電力驅(qū)動/數(shù)字控制(機(jī)床 2.0 )發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(機(jī)床3.0）并正在向賽博物理機(jī)床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機(jī)床 4.0 )演化發(fā)展。

圖1 工業(yè)化與機(jī)床進(jìn)化史

而數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程，則經(jīng)歷了幾個(gè)重要拐點(diǎn)。

1952 年世界第 1 臺數(shù)控機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院研制成功，這是制造技術(shù)的一次革命性跨越。數(shù)控機(jī)床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按照零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機(jī)床的軌跡運(yùn)動和運(yùn)行，從此 NC 技術(shù)就使得機(jī)床與電子、計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/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(jī)床及其核心數(shù)字控制技術(shù)的誕生。

正是由于數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點(diǎn)——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結(jié)合、“機(jī)(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學(xué)科交叉，因而其后數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)的重大進(jìn)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)(圖2)。

最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構(gòu)成計(jì)算單元，20 世紀(jì)40年代末晶體管發(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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進(jìn)展，為數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展帶來第一個(gè)拐點(diǎn)——由基于分立元件的數(shù)字控制(NC)走向了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)，數(shù)控機(jī)床也開始進(jìn)入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

PC機(jī)的發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來了第二個(gè)拐點(diǎn)。20世紀(jì)80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個(gè)人微型計(jì)算機(jī)(personal computer，PC)，使得過去專用廠商開發(fā)數(shù)控裝置(包括硬件和軟件)，走向了通用的PC化計(jì)算機(jī)數(shù)控。與此同時(shí)，開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)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，在此基礎(chǔ)上，高速機(jī)床、虛擬軸機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。

21世紀(jì)以來，數(shù)控機(jī)床的第三個(gè)拐點(diǎn)開始變得清晰起來。智能化數(shù)控技術(shù)也開始萌芽，當(dāng)前隨著新一代信息技術(shù)和新一代人工智能技術(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(jì)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(gè)新的拐點(diǎn)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。

圖2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及重要拐點(diǎn)

在這個(gè)過程中，機(jī)床的加工效率和加工精度，得到了不斷的進(jìn)展。先進(jìn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步及應(yīng)用大大縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率，圖 7a 是被廣為引用的一個(gè)曲線圖，表示了先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展與加工時(shí)間(效率)的進(jìn)展情況。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(shí)間(包括切削時(shí)間、輔助時(shí)間和準(zhǔn)備時(shí)間)減少到原加工時(shí)間的16％，即加工效率顯著提升；另一方面，“切削時(shí)間、輔助時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)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，不僅要著眼于工藝方法優(yōu)化改進(jìn)和提高自動化程度，還需要從生產(chǎn)管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的角度，有效縮短待工時(shí)間。圖7b是20世紀(jì)80年代Taniguchi (谷口)給出的至2020年不同機(jī)床可達(dá)到的加工精度預(yù)測 (圖中2000年到2020年的精度提升虛線為筆者所加)，可以看到，各種加工工藝方法和機(jī)床(或裝備)技術(shù)的發(fā)展帶來了加工精度的持續(xù)提高，但機(jī)械加工領(lǐng)域不同于集成電路制造領(lǐng)域，沒有短周期可見效的摩爾定律(IC上可容納的晶體管數(shù)目每18~24個(gè)月增加1倍)，其精度提升是一個(gè)長時(shí)間技術(shù)累積和不斷迭代的過程(例如：精密加工提高 1個(gè)精度數(shù)量級的時(shí)間超過20年)。

圖3 加工效率和加工精度的進(jìn)展

關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)之機(jī)床結(jié)構(gòu)篇

數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，可以分為機(jī)床結(jié)構(gòu)、主軸、伺服驅(qū)動裝置、數(shù)控裝置與插補(bǔ)技術(shù)。

機(jī)床結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：機(jī)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(yùn)動部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機(jī)床基礎(chǔ)件和功能部件。

以常見的車削和銑削為例，典型的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)演進(jìn)過程如圖4所示。數(shù)控車削機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期的2軸進(jìn)給平床身、2軸進(jìn)給斜床身等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，發(fā)展到4軸進(jìn)給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉(zhuǎn)體類零件高效率車削的加工中心結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展為可適應(yīng)復(fù)雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one)”的多功能車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)。數(shù)控銑削加工機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期主要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動和主軸運(yùn)動功能的經(jīng)典立/臥式銑床結(jié)構(gòu)，發(fā)展到帶刀庫和自動換刀機(jī)構(gòu)的3軸聯(lián)動立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)、帶交換工作臺的立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)，為滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率加工需求，又出現(xiàn)了4軸聯(lián)動和5軸聯(lián)動的銑削加工中心結(jié)構(gòu)，隨后以銑削/鏜削加工為主、兼有車削/鉆削加工功能的多功能銑車復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。在5軸聯(lián)動發(fā)展過程中，來自于機(jī)器人的并聯(lián)虛擬軸概念被引入到數(shù)控機(jī)床，出現(xiàn)了并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合5軸聯(lián)動的形式，但實(shí)際應(yīng)用有限。當(dāng)前，在同一臺數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)“增材加工＋切削加工”功能的增減材混合加工新型結(jié)構(gòu)機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段。

在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)展演進(jìn)過程中，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)布局(配置方案、優(yōu)化設(shè)計(jì))和材料選用等方面的技術(shù)也不斷進(jìn)步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩(wěn)定性、長壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求，研究者們先后提出了重心驅(qū)動(DCG)設(shè)計(jì)、箱中箱(BIB)、直接驅(qū)動(DDT)、熱平衡設(shè)計(jì)與補(bǔ)償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則和技術(shù)；在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；采用虛擬機(jī)床理念和方法，大大縮短了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造周期。數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土(礦物鑄件、人造大理石)、人造花崗巖以及天然大理石等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性。?

圖4 機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

關(guān)鍵技術(shù)之主軸和進(jìn)給伺服驅(qū)動

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(shí)現(xiàn)材料去除。數(shù)控機(jī)床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動機(jī)經(jīng)主軸箱傳動的機(jī)械式主軸、電動機(jī)與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、高剛性大扭矩高速電主軸和智能式主軸等。

機(jī)床進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動方式從步進(jìn)電機(jī)、電液比例伺服、晶閘管變流和PWM控制的直流電動機(jī)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(jī)伺服、雙電機(jī)重心驅(qū)動、直線電動機(jī)/力矩電動機(jī)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(biāo)軸進(jìn)給提供高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)的運(yùn)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(shí)時(shí)通信協(xié)議總線、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)總線、過程現(xiàn)場總線等。

主軸和進(jìn)給伺服軸驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)如圖5所示。

圖5 數(shù)控機(jī)床主軸和伺服驅(qū)動方式的發(fā)展演進(jìn)

關(guān)鍵技術(shù)之?dāng)?shù)控裝置篇

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床控制的中樞，如前所述，數(shù)控裝置緊隨電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展而演變進(jìn)化，其發(fā)展過程可分為7代(圖6)，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(shí)用性差。第4代為采用小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)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(qiáng)、可靠性大大提高，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機(jī)床真正地進(jìn)入到實(shí)用階段并加快了迭代和發(fā)展，此即為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第1個(gè)拐點(diǎn)，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(jī)用作其硬件平臺，進(jìn)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(jì)80年代，第6代數(shù)控裝置中采用了個(gè)人微型計(jì)算機(jī)(PC)，帶來了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第2個(gè)拐點(diǎn)。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(diǎn)，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉(zhuǎn)向以軟件算法實(shí)現(xiàn)各種功能，即進(jìn)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(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第7代智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床正在向我們走來，這將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個(gè)新拐點(diǎn)，甚至可能帶來一次新的革命。

圖6 數(shù)控裝置的演進(jìn)

關(guān)鍵技術(shù)之多軸聯(lián)動與軌跡插補(bǔ)

多軸聯(lián)動控制技術(shù)是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸(包括直線坐標(biāo)進(jìn)給軸和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時(shí)運(yùn)動稱為多軸聯(lián)動控制。高檔數(shù)控機(jī)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(gè)進(jìn)給坐標(biāo)軸的運(yùn)動一般由電動機(jī)在伺服驅(qū)動器控制下實(shí)現(xiàn)，因此，高性能的坐標(biāo)軸進(jìn)給伺服裝置構(gòu)成了實(shí)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(yùn)動軌跡(即走刀軌跡)，通過軌跡插補(bǔ)和實(shí)時(shí)控制，在每個(gè)伺服控制周期給出各個(gè)聯(lián)動坐標(biāo)軸的運(yùn)動增量，實(shí)時(shí)控制所有坐標(biāo)軸的同時(shí)運(yùn)動(simultaneous motion)。

軌跡插補(bǔ)也是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算的裝置(或軟件模塊)稱為插補(bǔ)器，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍采用數(shù)字計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)軌跡插補(bǔ)。軌跡插補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展過程如圖7所示。從實(shí)現(xiàn)的插補(bǔ)功能角度來看，2軸聯(lián)動的平面點(diǎn)位控制、平面直線和圓弧插補(bǔ)是最簡單的插補(bǔ)功能；2.5軸聯(lián)動插補(bǔ)實(shí)際上只有2軸聯(lián)動控制，其第3軸只能實(shí)現(xiàn)與另外2軸非聯(lián)動的控制，這樣的聯(lián)動插補(bǔ)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(bǔ)除了實(shí)現(xiàn)平面和空間的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能外，高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)等功能；5軸聯(lián)動插補(bǔ)可高效方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲線和曲面插補(bǔ)的功能，并進(jìn)一步發(fā)展樣條插補(bǔ)和先進(jìn)的速度、加速度、加速度變化率(Jerk)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)。筆者認(rèn)為，未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補(bǔ)功能(SDI)，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(xué)模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實(shí)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(bǔ)。

圖7 多軸聯(lián)動插補(bǔ)技術(shù)

我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況

中國數(shù)控機(jī)床從無到有，到現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大的機(jī)床消費(fèi)國和生產(chǎn)國。

從洋務(wù)運(yùn)動到新中國建立前，中國機(jī)床工業(yè)處于萌芽階段。19 世紀(jì)洋務(wù)運(yùn)動期間，曾國藩“訪募覃思之士、智巧之匠”，“覓制器之器與制器之人”。1863年容閎受曾國藩委派，歷時(shí)兩年從美國采購了第1 批機(jī)床設(shè)備，開始將西方現(xiàn)代機(jī)床工具引入中國。隨后，江南機(jī)器制造總局自制出一批機(jī)床。到20世紀(jì)上半葉陸續(xù)建立了重慶機(jī)床廠、長沙機(jī)床廠、中央機(jī)器廠等一批機(jī)床廠，20世紀(jì)40年代，東北、上海、江浙等地又建立了一批機(jī)床制造企業(yè)，后來成長為沈陽三機(jī)、上海機(jī)床、濟(jì)南一機(jī)、南京機(jī)床、無錫機(jī)床等國內(nèi)知名的機(jī)床廠。

從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機(jī)床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規(guī)模建設(shè)階段。

1949年新中國成立后，中國機(jī)床工業(yè)開始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。“一五”時(shí)期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，第一機(jī)械工業(yè)部(簡稱“一機(jī)部”)按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機(jī)床企業(yè)，還建立了以北京金屬切削機(jī)床研究所(北京機(jī)床研究所的前身)為代表的被稱為“七所一院”的一批機(jī)床工具研究機(jī)構(gòu)。到1957年，一機(jī)部直屬企業(yè)在機(jī)床、工具、磨料磨具和機(jī)床附件方面的產(chǎn)品產(chǎn)量都占全國的 90％以上。相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量的國內(nèi)自給率達(dá) 80％左右。機(jī)床工具工業(yè)成為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)部門，為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這一時(shí)期是中國機(jī)床工業(yè)的奠基階段。

1958~1978年期間，中國機(jī)床工業(yè)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段。60年代初期開展了高精度精密機(jī)床戰(zhàn)役，通過攻關(guān)累計(jì)掌握5類26種高精度精密機(jī)床技術(shù)，機(jī)床精度、質(zhì)量和工藝水平普遍提高。60年代中期開始的“三線建設(shè)”中，在川、黔、陜、甘、寧、青、豫西、鄂西等地區(qū)，由老廠老所遷建、包建了33個(gè)機(jī)床工具企業(yè)，改善了行業(yè)的地區(qū)布局，其中，為中國第二汽車制造廠(以下簡稱“二汽”)提供成套設(shè)備成為集機(jī)床工具行業(yè)技術(shù)能力和展示其發(fā)展水平的又一個(gè)全行業(yè)性大“戰(zhàn)役”，大大提升了行業(yè)技術(shù)水平和能力。與此同時(shí)，國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機(jī)床，以滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)之所需。

我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程，起步很早。我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了1949年前的萌芽階段后，在“一五”期間奠基并快速發(fā)展。1958 年第1臺國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床研制成功，由此開始了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程，如圖8所示，這個(gè)歷程可以劃分為：初始發(fā)展階段、持續(xù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段、高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級階段。

圖8 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程

在初始發(fā)展階段，這是相對封閉的技術(shù)研發(fā)期。在我國機(jī)床工業(yè)尚處在奠基發(fā)展的時(shí)期，美國于1952年研制出了世界上第1臺3軸聯(lián)動數(shù)字控制銑床，機(jī)床開始向數(shù)控化發(fā)展。1958年北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作研發(fā)出了中國第1臺數(shù)控銑床，僅比世界第1臺數(shù)控機(jī)床晚6年。到1972年我國能提供數(shù)控線切割機(jī)、非圓插齒機(jī)和劈錐銑等少數(shù)品種的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。從第1臺國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床研制成功到20世紀(jì)70年代中期，我國的數(shù)控機(jī)床處于初期技術(shù)研究探索階段，只進(jìn)行了少量產(chǎn)品試制工作，尚未全面開展數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究和工業(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。70年代中后期，全面啟動了數(shù)控機(jī)床研制生產(chǎn)工作，1975年齊齊哈爾第二機(jī)床廠完成了國產(chǎn)第1臺數(shù)控龍門式銑床的研制。由于受到當(dāng)時(shí)國內(nèi)外形勢限制，缺乏與先進(jìn)工業(yè)國家的技術(shù)交流，彼此數(shù)控機(jī)床技術(shù)的研究開發(fā)基本上處于封閉的狀態(tài)。

可以說，中國數(shù)控機(jī)床最早的研制工作幾乎是與世界同步的，雖然起步較早，但初期數(shù)控機(jī)床技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本上處于一種封閉狀態(tài)，從1958年到1978年改革開放前，數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。相對于美、日和歐洲先進(jìn)工業(yè)國家在70年代末和80年代初就已實(shí)現(xiàn)了機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)控化升級換代，我國的機(jī)床數(shù)控化進(jìn)程到70年代末才剛剛開始，并且這一升級換代過程歷經(jīng)了多重曲折困難，直到30多年后，機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)品數(shù)控化升級換代才得以全面實(shí)現(xiàn)。

1978年后，隨著國家的改革開放，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，初步建立產(chǎn)業(yè)體系并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。80年代初期，通過引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床主機(jī)技術(shù)，并與國外公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，例如：青海第一機(jī)床廠根據(jù)機(jī)械工業(yè)部安排與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第1臺臥式數(shù)控加工中心XH754 (1980年)；北京機(jī)床研究所與北京第三機(jī)床廠合作研制成功國內(nèi)首個(gè)JCS-FMC-1/2臥/立式加工柔性單元，北京機(jī)床所與日本FANUC合作研發(fā)的我國第1條回轉(zhuǎn)體加工柔性制造系統(tǒng)投入生產(chǎn)；南京機(jī)床廠與德國TRAUB公司合作生產(chǎn)TND360數(shù)控車床，成批量應(yīng)用于生產(chǎn)；北京航空航天大學(xué)研制的國內(nèi)首臺微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) CNC-4D 成批量成功應(yīng)用于航空企業(yè)XK5040銑床的數(shù)控化改造(1983年)?！傲濉逼陂g(1981~ 1985)，對數(shù)控機(jī)床采用直接從國外“引進(jìn)技術(shù)”的方式，通過許可證貿(mào)易、合作生產(chǎn)、購進(jìn)樣機(jī)等方式，引進(jìn)數(shù)控機(jī)床及相關(guān)技術(shù)183項(xiàng)，開發(fā)出數(shù)控機(jī)床新品種81種，累計(jì)可供品種達(dá)113種，這成為我國數(shù)控機(jī)床從展品、樣機(jī)走向商品的一個(gè)分水嶺。

“七五”期間(1986~1990)，國家安排了數(shù)控機(jī)床科技攻關(guān)專題和以引進(jìn)技術(shù)“消化吸收”為主要內(nèi)容的“數(shù)控一條龍”項(xiàng)目，包括5種機(jī)床主機(jī)和3種數(shù)控系統(tǒng)的消化吸收國產(chǎn)化。

“八五”期間(1991~1995)，以“自主開發(fā)”為重點(diǎn)支持國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開發(fā)，成功開發(fā)出了具有當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)技術(shù)水平的中華Ⅰ型(北京珠峰公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā))，華中Ⅰ型(武漢華中數(shù)控)和藍(lán)天Ⅰ型(沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心)等高檔數(shù)控系統(tǒng)。

“九五”期間(1996~2000)，以推進(jìn)數(shù)控機(jī)床“產(chǎn)業(yè)化”為重點(diǎn)，在技術(shù)方面基于工業(yè) PC 平臺的普及型數(shù)控系統(tǒng)開始走向?qū)嵱茫⑶夜タ肆碎_放式網(wǎng)絡(luò)化多通道多軸聯(lián)動技術(shù)；在產(chǎn)品方面，重點(diǎn)發(fā)展數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控鍛壓機(jī)床和數(shù)控重型機(jī)床等6大類產(chǎn)品，形成主機(jī)批量生產(chǎn)能力和關(guān)鍵配套能力，到2000年，我國數(shù)控機(jī)床品種達(dá)1500種，還研發(fā)出了5軸聯(lián)動數(shù)控加工中心并投入市場，但此期間機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)值數(shù)控化率一直在20％左右徘徊，產(chǎn)量數(shù)控化率不足10％；在產(chǎn)業(yè)方面，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床面向市場競爭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐加快，開始進(jìn)入市場競爭階段。

十五期間，中國機(jī)床進(jìn)入了高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級階段，數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)品得到了快速普及和升級。

“十五”期間(2001~2005 )，隨著 2002 年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量以超過30％的幅度逐年增長，國產(chǎn)5軸聯(lián)動加工中心和5面體龍門式加工中心為能源、汽車、航空航天等國家重點(diǎn)建設(shè)工程提供了關(guān)鍵裝備。這期間，在國家“863計(jì)劃”中還實(shí)施了“高精尖數(shù)控機(jī)床”重點(diǎn)專項(xiàng)，支持了航空、汽車等部分重點(diǎn)領(lǐng)域急需的高精尖數(shù)控裝備研制。

“十一五”期間(2006~2010)，我國機(jī)床工業(yè)保持持續(xù)穩(wěn)定高速發(fā)展，2007年沈陽機(jī)床和大連機(jī)床分別進(jìn)入全球機(jī)床行業(yè)前 10強(qiáng)。一方面，一批機(jī)床企業(yè)“走出去”，到發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)并購，如沈陽機(jī)床在德國設(shè)立技術(shù)研發(fā)中心，大連機(jī)床、沈陽機(jī)床、北一機(jī)床分別并購 Ingersoll(美國)、Schiess(德國)和 Waldrich-Coburg(德國)等。另一方面，國內(nèi)市場對中高檔數(shù)控機(jī)床需求急增，機(jī)床企業(yè)加大產(chǎn)品研發(fā)力度，“十一五”期間金屬切削機(jī)床中的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)72.8萬臺，與“十五”期間相比，增長 281％，產(chǎn)量數(shù)控化率從15％(2006年)提高到30％(2010年)；一批民營數(shù)控機(jī)床企業(yè)開始快速發(fā)展，其產(chǎn)品在一些細(xì)分領(lǐng)域(如3C、汽車零部件和家電等)占有重要地位。從2009年開始，中國在金屬加工機(jī)床的生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)口三個(gè)方面均列世界第一，并保持到 2018年。2009年，國家出臺?裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃?，啟動實(shí)施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(以下簡稱“04 專項(xiàng)”)，聚焦航空航天、汽車以及船舶、發(fā)電領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的需求，進(jìn)行重點(diǎn)支持。

“十二五”以來，總體來說國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場競爭力不斷增強(qiáng)，在國內(nèi)中低端數(shù)控機(jī)床市場已占有明顯優(yōu)勢。04專項(xiàng)對高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動作用，加快了高檔數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的技術(shù)研發(fā)步伐，促進(jìn)了機(jī)床企業(yè)與航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領(lǐng)域的用戶企業(yè)的結(jié)合；一批高檔數(shù)控機(jī)床(如車銑復(fù)合加工中心、大型龍門式 5 軸聯(lián)動加工中心、多主軸鏡像銑削機(jī)床等)實(shí)現(xiàn)了從“無”到“有”，并成功應(yīng)用于重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程的實(shí)際生產(chǎn)；濟(jì)南二機(jī)床已有9條用于大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線出口至福特汽車集團(tuán)(美國)，并進(jìn)一步拓展到日產(chǎn)汽車公司(日本)、標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)(法國)，進(jìn)入國際市場；5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床精度測試“S試件”標(biāo)準(zhǔn)列入ISO 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)我國在國際高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域“零”的突破。2015年，國家全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”等10大領(lǐng)域被列為重點(diǎn)。2016年，我國機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)出數(shù)控化率和機(jī)床市場的消費(fèi)數(shù)控化率均接近 80％ 的水平，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)控化升級。我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)，企業(yè)創(chuàng)新能力不足、核心技術(shù)缺失、專業(yè)人才不足、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡等深層次問題也逐漸顯現(xiàn)，2019年國內(nèi)機(jī)床行業(yè)兩大巨頭——大連機(jī)床和沈陽機(jī)床分別走向破產(chǎn)和重整，并被中國通用技術(shù)集團(tuán)重組。與此同時(shí)，一批數(shù)控機(jī)床后起之秀異軍突起，以東部沿海地區(qū)為主形成了面向市場的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)聚集地區(qū)等。

“十八羅漢”變遷

中國機(jī)床的發(fā)展，經(jīng)歷了“十八羅漢”變遷和民營機(jī)床企業(yè)快速發(fā)展。

“一五”時(shí)期，我國由蘇聯(lián)及東歐國家援建了156項(xiàng)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，其中涉及機(jī)床工業(yè)的項(xiàng)目有：新建沈陽第一機(jī)床廠和武漢重型機(jī)床廠、改建沈陽第二機(jī)床廠(即中捷友誼廠)，此外在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，一機(jī)部按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機(jī)床企業(yè)，這些企業(yè)及其專業(yè)產(chǎn)品分工見表1。

在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，“十八羅漢”和“七所一院”快速建立了我國較完整的機(jī)床工具產(chǎn)業(yè)和科研體系，支撐了建國后直至1978年改革開放前我國的工業(yè)化發(fā)展，并為改革開放后制造業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，“十八羅漢”經(jīng)過多次改革，經(jīng)營機(jī)制、管理體制、所有制結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大變化。經(jīng)過40多年發(fā)展變遷，曾經(jīng)作為我國機(jī)床行業(yè)主力軍的“十八羅漢”企業(yè)中，一部分改革創(chuàng)新穩(wěn)定發(fā)展，如濟(jì)南二機(jī)床已發(fā)展為世界三大數(shù)控沖壓裝備制造商之一，同時(shí)還生產(chǎn)大重型金屬切削機(jī)床，成為“中國名牌”；一部分企業(yè)仍在改革調(diào)整之中，例如，沈陽機(jī)床、大連機(jī)床、齊二機(jī)床等已進(jìn)入中國通用技術(shù)集團(tuán)，并與集團(tuán)下屬的北京機(jī)床研究所、哈爾濱量具刃具公司、天津一機(jī)床等共同組成了先進(jìn)制造與技術(shù)服務(wù)主業(yè)中的機(jī)床板塊；少數(shù)企業(yè)已經(jīng)破產(chǎn)不再經(jīng)營，如長沙機(jī)床廠。

表1 “一五”時(shí)期布局的機(jī)床行業(yè)“十八羅漢”

而近10年來，一批民營數(shù)控機(jī)床企業(yè)異軍突起，在國內(nèi)外市場產(chǎn)生重要影響，如北京精雕、四川普什寧江、大連光洋/科德、上海拓璞、紐威數(shù)控(蘇州)、寧波海天精工、武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控等，它們是在數(shù)控機(jī)床行業(yè)國內(nèi)外市場競爭中崛起的后起之秀，成為中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外，以市場和用戶需求為導(dǎo)向，東部沿海地區(qū)則形成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，如山東滕州中小機(jī)床之都、江蘇泰州特種加工機(jī)床基地、浙江溫嶺工量具機(jī)床名城、浙江玉環(huán)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床之都、浙江寧波模具之都、安徽博望刃具之鄉(xiāng)等，它們?yōu)閿?shù)控機(jī)床市場繁榮帶來了新鮮的活力和特色。

04專項(xiàng)的標(biāo)志性成果

2009年，對于中國機(jī)床發(fā)展具有重要意義和作用的04專項(xiàng)正式啟動?！笆晃濉逼陂g，通過支持8大類、57種主機(jī)產(chǎn)品部署課題任務(wù)，重點(diǎn)解決“有無”問題；“十二五”期間，聚焦高檔數(shù)控系統(tǒng)、功能部件及成套裝備和生產(chǎn)線的研發(fā)；“十三五”期間，進(jìn)一步重點(diǎn)聚焦航空航天、汽車兩大領(lǐng)域，著力攻克數(shù)控系統(tǒng)與功能部件、可靠性和精度保持性技術(shù)、加工效率與工藝水平提升等問題?？傮w上，專項(xiàng)課題部署覆蓋了實(shí)施方案確定的重點(diǎn)任務(wù)，涵蓋了重點(diǎn)領(lǐng)域急需的關(guān)鍵制造裝備，部分先進(jìn)企業(yè)在專項(xiàng)實(shí)施過程中充分了解用戶需求，由此催生出一批關(guān)鍵制造裝備，具備了一定的國際競爭實(shí)力。

在04專項(xiàng)支持下研制了一批高檔數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備，標(biāo)志性裝備及相關(guān)技術(shù)成果如下：

(1)航空領(lǐng)域大型關(guān)鍵成套制造裝備。成功研制一批典型航空結(jié)構(gòu)件加工所需的切削/成形裝備，如8萬噸(800MN)大型模鍛壓力機(jī)、龍門及臥式5軸聯(lián)動加工中心、大型翻板臥式加工中心、復(fù)合材料鋪帶機(jī)和鋪絲機(jī)等，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。

(2)運(yùn)載火箭大型特種制造裝備。多主軸鏡像銑削加工機(jī)床、大型龍門式 5軸加工中心、重型5軸龍門式攪拌摩擦焊裝備、自動化鉚接裝備等制造裝備得到示范應(yīng)用，掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主可控，為載人航天、空間站工程和新一代運(yùn)載火箭提供了有力支撐。

(3)汽車大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線。形成了“汽車車身大型快速高效全自動沖壓生產(chǎn)線”等優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)品，裝備了國內(nèi)幾乎所有自主品牌、合資品牌的汽車企業(yè)，國內(nèi)市場占有率達(dá)70％以上，國際市場占有率達(dá)30％，徹底擺脫了國產(chǎn)汽車高檔沖壓設(shè)備主要依賴進(jìn)口的局面。

(4)動力總成(汽車發(fā)動機(jī))關(guān)鍵加工裝備。面向動力總成的關(guān)鍵加工裝備精密臥式加工中心實(shí)現(xiàn)100％數(shù)字化設(shè)計(jì)，突破了熱誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，可靠性大幅提升，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和主要功能部件配套率顯著提高。

(5)發(fā)電設(shè)備重型制造裝備。成功研制3.6萬噸(360MN)黑色金屬垂直擠壓機(jī)、超重型立式車銑復(fù)合加工中心、重型橋式龍門 5軸聯(lián)動車銑復(fù)合機(jī)床等，為第三代核電提供了有效支撐。

(6)大型船舶制造裝備。成功研制 25m 數(shù)控立柱移動立式銑車機(jī)床、大型組合式曲軸車銑復(fù)合機(jī)床，解決了國家重大工程急需，填補(bǔ)國內(nèi)空白，我國船舶用高檔數(shù)控重型機(jī)床已可滿足船舶自主化制造的需求。

(7)光學(xué)元件超精密關(guān)鍵制造裝備。突破了超精密制造機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)，研制出主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平的一批超精密加工關(guān)鍵裝備，構(gòu)建直接應(yīng)用于國家重大光學(xué)工程的 3 條示范生產(chǎn)線，完成國家重大工程所需的典型光學(xué)元件試制。

(8)高檔數(shù)控機(jī)床成套裝備。成功研制出箱體類零件加工 FMC50 柔性制造單元、航天發(fā)動機(jī)關(guān)重件 FMS 生產(chǎn)線、高壓油泵驅(qū)動單元凸輪軸智能生產(chǎn)線、汽車自動變速器齒輪(箱)數(shù)字制造工藝裝備鏈、螺紋/螺桿數(shù)字制造工藝裝備鏈、汽車輪轂智能制造島、五軸機(jī)床鋁合金肋板類臥式加工生產(chǎn)線等，在航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

(9)高檔數(shù)控系統(tǒng)。多通道、多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際主流產(chǎn)品技術(shù)水平，功能與之相當(dāng)，可靠性有效提升，打破國外數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，實(shí)現(xiàn)了在航空航天重點(diǎn)企業(yè)的批量示范應(yīng)用。

(10)高檔數(shù)控機(jī)床功能部件及配套體系。高速、高精、重載滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌產(chǎn)品性能及市場占有率均明顯提高，功能部件配套體系逐步完善。

(11)關(guān)鍵領(lǐng)域所需成套刀具及成套裝備。工具行業(yè)技術(shù)水平明顯提升，研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化能力明顯增強(qiáng)，在航空和汽車行業(yè)基本具備刀具整體配套能力。

全球機(jī)床態(tài)勢與中國

從全球來看，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)主要集中在亞洲、歐盟、美洲三大區(qū)域，其中，中國、日本和德國是機(jī)床的主要生產(chǎn)國家，其區(qū)域結(jié)構(gòu)分布為(2019年)：日本32.1％、中國31.5％、德國17.2％、美國6.3％、意大利5.2％、韓國4.2％、其他3.5％。

根據(jù)《賽迪顧問|2019年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》，2019年規(guī)模排名全球前10位的數(shù)控機(jī)床制造商都來自于日本、德國和美國三個(gè)國家，分布如下：日本4家：山崎馬扎克(No.1 )、天田(No.5 )、大隈(No.6 )、牧野(No.7 )；德國占據(jù)4家，包括通快(No.2)、 DMGMORI (No.3)、格勞博集團(tuán)(No.8)、埃馬克(No.10)；而美國有2家是馬格(No.4)和哈斯(No.9)。

2017~2019 年全球數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)總規(guī)模持續(xù)增長，2019年的總規(guī)模達(dá)到1492億美元，但增長率連續(xù)三年下降，從2017年的9.5％下降到2018年的7.0％、再到2019年的3.9％。此外，據(jù)財(cái)富商業(yè)洞察( Fortune Business Insight)的預(yù)測，2020~2027年全球機(jī)床產(chǎn)業(yè)的復(fù)合年增長率(CAGR )為4.5％。

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，按產(chǎn)品類型細(xì)分，2019年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)律如下：數(shù)控金屬切削機(jī)床 783.3億美元(占比52.5％)，數(shù)控金屬成形機(jī)床 420.7億美元(占比28.2％)，數(shù)控特種加工機(jī)床265.6億美元(占比17.8％ )，其他 22.4 億美元(占比1.5％)。

就中國而言，2019年中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)3270億元，相比于2018年，總規(guī)模從多年的全球第一退居為第二，位于日本之后，出現(xiàn)了2.3％的負(fù)增長。同時(shí)，2019年數(shù)控金屬切削機(jī)床和數(shù)控金屬成形機(jī)床進(jìn)口額均有所降低，同比下降分別為30.6％和約2.5％，但出口額均有所增加，同比增幅分別為9.0％和約16.4％。

從細(xì)分產(chǎn)業(yè)方面看，2019年數(shù)控金屬切削機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)模1739.6億元，占比達(dá)到 53.2％；數(shù)控金屬成形機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)模932億元，占比28.5％；數(shù)控特種加工機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)模549.4億元，占比16.8％；其他數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)規(guī)模49億元，占比1.5％。

從區(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模和結(jié)構(gòu)看，華東地區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居第一，約為1805.0億元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模占比達(dá)到55.2％。中南和東北地區(qū)分列第二和第三，占比為19.1％和11.9％。

領(lǐng)先的日本機(jī)床

日本在機(jī)床工業(yè)尤其是在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，整體實(shí)力位于世界第一，擁有一批著名的機(jī)床企業(yè)和品牌，如山崎馬扎克、天田、大隈、森精機(jī)、捷太科特、牧野、三菱重工、沙迪克等，日本的機(jī)床企業(yè)眾多，技術(shù)領(lǐng)先。下面列出部分日本數(shù)控機(jī)床企業(yè)及產(chǎn)品、技術(shù)特點(diǎn)：

(1)日本精工(NSK)——軸承為其核心產(chǎn)品，并可全套開發(fā)及提供機(jī)床功能部件產(chǎn)品(如滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、電主軸等)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居日本第1、全球第3?？缮a(chǎn)Dmn值(軸承內(nèi)外圈平均直徑Dm×最高轉(zhuǎn)速 n )高達(dá)3000000m?r / min的滾動軸承及其配套的高速機(jī)床主軸(主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min)。服務(wù)于汽車零部件、精密機(jī)械組件、電子應(yīng)用等。

(2)山崎馬扎克(YAMAZAKI MAZAK)——主要產(chǎn)品有數(shù)控車床、復(fù)合車銑加工中心、立式加工中心、臥式加工中心、激光系統(tǒng)、FMS、CAD、CAM、CNC裝置和生產(chǎn)支持軟件等，產(chǎn)品以高速高精復(fù)合著稱。

(3)新日本工機(jī)(SNK)——專業(yè)生產(chǎn)大型龍門加工中心、車床、專機(jī)等，用于制造船舶引擎、客機(jī)主翼等大型部件，如其生產(chǎn)的5軸龍門精密鏜銑床大量用于發(fā)達(dá)國家航空工業(yè)。

(4)捷太科特(JTEKT)——生產(chǎn)超精密自由曲面金剛石加工機(jī)床，精度達(dá)較高水平(定位精度30nm、表面粗糙度Ra＝1nm)，可用于光學(xué)模具超精密車削及研磨。

(5)沙迪克(SODICK)——代表性產(chǎn)品是納米級精度慢走絲電火花加工機(jī)床，還推出了世界首臺“混合式水刀＋線切割”機(jī)床。

(6 )天田(AMADA)———數(shù)控沖床、折彎機(jī)、剪板機(jī)、激光切割等設(shè)備，其模具、備件、切削產(chǎn)品在該領(lǐng)域居全球市場No.1 (占比70％)地位。

(7)岡本(OKAMOTO)——生產(chǎn)世界最大龍門式平面磨床，可變靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)，拋光大尺寸半導(dǎo)體元件。

(8)大隈(OKUMA)——堅(jiān)持從數(shù)控機(jī)床的核心部件(驅(qū)動器/編碼器/馬達(dá)/主軸等)到 NC操作系統(tǒng)到終端全部自主開發(fā)。

(9)牧野(MAKINO)——創(chuàng)造了日本機(jī)床的多個(gè)“No.1”，以立臥式加工中心、電加工機(jī)床(EDM)、磨床等為主打產(chǎn)品，服務(wù)于模具、汽車、航空、航天等行業(yè)。

機(jī)床強(qiáng)國的德國

德國是全球制造業(yè)大國及強(qiáng)國，尤其在機(jī)床工業(yè)領(lǐng)域擁有獨(dú)特的優(yōu)勢，經(jīng)過上百年的積淀，產(chǎn)生了一批聞名全球的機(jī)床制造企業(yè)。部分知名企業(yè)和產(chǎn)品情況如下：

(1)德瑪吉-森精機(jī)(DMG Mori)——擁有德國的德爾克、馬豪、吉特邁三大著名品牌，后又與日本森精機(jī)聯(lián)合，是全球領(lǐng)先和最大的金屬切削機(jī)床制造商，包括機(jī)床、服務(wù)及軟件解決方案，提供獨(dú)具特色的CELOS數(shù)字化生產(chǎn)管理和控制系統(tǒng)。

(2)通快(Trumpf)——工業(yè)激光領(lǐng)域技術(shù)及市場全球領(lǐng)導(dǎo)者，生產(chǎn)各類激光器、激光加工機(jī)床以及數(shù)控沖裁和折彎機(jī)床等。

(3)格勞博(Grob)——主要產(chǎn)品有各種機(jī)床、生產(chǎn)系統(tǒng)或切削線裝配單元、全自動裝配線，擅長發(fā)動機(jī)零部件整線交鑰匙工程，強(qiáng)調(diào)工藝/技術(shù)/資源/文化全球集成。

(4)?，斂?Emag)——工藝技術(shù)全面完善，提供加工盤類/軸/齒輪/箱體類加工機(jī)床和生產(chǎn)系統(tǒng)、激光焊接機(jī)等。倒立式機(jī)床獨(dú)具一格。

(5)舒勒(Schuler)——1852年即開始生產(chǎn)金屬加工機(jī)床，是金屬成形業(yè)的全球領(lǐng)先者，提供機(jī)床、生產(chǎn)線、自動化技術(shù)及相關(guān)服務(wù)，也為航空航天和鐵路提供解決方案。

(6)斯來福臨(KorberSchleifring)——平面及成形磨、內(nèi)外圓磨和工具磨機(jī)床，廣泛用于航空航天、汽車及其零部件、重工業(yè)等領(lǐng)域(已給全球提供了超過10萬臺磨床，其中中國6000臺)。

(7)因代克斯(Index)——1914年開始生產(chǎn)塔式自動車床，1975年生產(chǎn)多主軸自動車床。1992年推出了新一代模塊化部件的車銑復(fù)合中心。

(8)哈默(Hermle)——中小型五軸精密加工領(lǐng)域?qū)＜遥?軸高速立式加工中心技術(shù)國際領(lǐng)先，在德國本土中小型模具5軸機(jī)床市場占有率第1，已經(jīng)有超過1.7萬臺哈默生產(chǎn)的萬能銑床和加工中心在全世界使用。

聚集專業(yè)的瑞/法/奧/意機(jī)床

除了德國之外，瑞士、法國、意大利等歐洲國家在工業(yè)化發(fā)展過程中也產(chǎn)生了不少擁有技術(shù)優(yōu)勢和專長的機(jī)床企業(yè)，尤其是在面向細(xì)分領(lǐng)域的高精度和專業(yè)化機(jī)床及其整體解決方案方面，具有非常強(qiáng)的競爭力，這些企業(yè)包括：

(1)瑞士威力銘-馬科黛爾(Willemin-Macodel SA)——產(chǎn)品以立式和龍門式鉆銑加工中心為主，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá) 80000r/min ，軌跡精度2μm。

(2)瑞士托諾斯(Tornos)——主要生產(chǎn)高精度微型/小型零件加工機(jī)床、復(fù)合機(jī)床等，采用陶瓷主軸/雙主軸方案，具備主動切屑清除功能。

(3)瑞士GF-米克朗(GF MiKron)——專業(yè)生產(chǎn)大型龍門加工中心、車床、專機(jī)等，用于制造船舶引擎、客機(jī)主翼等大型部件，如5軸龍門精密鏜銑床。

(4)瑞士斯達(dá)拉格-?？铺?Starrag Heckert)——銑削/車削/鏜削/研磨等工藝方法用于金屬、復(fù)合材料、陶瓷等加工的高精度機(jī)床領(lǐng)軍企業(yè)，在航空發(fā)動機(jī)渦輪/葉片/結(jié)構(gòu)件加工方面獨(dú)具特色，近年還收購了以生產(chǎn)航空結(jié)構(gòu)件加工用虛擬軸數(shù)控機(jī)床ECOSpeed/EcoForce而知名的德國DST公司。

(5)瑞士利吉特(Liechti)——葉片加工解決方案全球領(lǐng)先，特別是專為航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的葉盤、葉片復(fù)雜曲面提供高速數(shù)控機(jī)床和專用CAD/CAM 軟件。

(6)奧地利WFL——專注于多功能完整加工中心的制造商，開發(fā)的車銑復(fù)合加工中心廣泛應(yīng)用于航空航天、交通等領(lǐng)域。

(7)意大利法拉利(Ferrari)——專注于航空發(fā)動機(jī)、汽車領(lǐng)域復(fù)雜曲面零件加工機(jī)床，提供自動上下料的 5 軸聯(lián)動葉片加工中心、葉片加工專用CAM軟件。

(8)法國弗瑞斯特-里內(nèi)(Forest Line)——專注于用于航空航天大型結(jié)構(gòu)件加工的5軸龍門式加工中心和復(fù)合材料構(gòu)件鋪絲、鋪帶機(jī)床。

國內(nèi)外對比分析

數(shù)控機(jī)床，有著獨(dú)特的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中是具有基礎(chǔ)性、復(fù)雜性和戰(zhàn)略性的物資。數(shù)控機(jī)床(特別是高檔數(shù)控機(jī)床)在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面有如下一些特點(diǎn)：

(1)技術(shù)密集、迭代積累。數(shù)控機(jī)床是一類將機(jī)械、電氣、液壓、控制、硬件、軟件、信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感等多學(xué)科、多專業(yè)的技術(shù)高度集成于一個(gè)實(shí)物載體的產(chǎn)品，技術(shù)高度密集，需要長期積累和迭代。

(2)工藝細(xì)分、品種繁多。涉及切削加工，成形加工，特種加工等不同的類別和工藝，工藝劃分較細(xì)，產(chǎn)品類別及型號繁多。

(3)市場量小、利潤較低。機(jī)床行業(yè)往往只是其服務(wù)的終端產(chǎn)品行業(yè)(如汽車、工程機(jī)械、飛機(jī)制造等)規(guī)模的百分之幾，它提供制造工具類的產(chǎn)品，產(chǎn)品功能和性能要求高但利潤低。

(4)勞動密集、工匠精神。由于運(yùn)動精度、動態(tài)性能要求高但市場規(guī)模小，故難以進(jìn)行大批量自動化生產(chǎn)，需要大量具有工匠精神的技能型工人。

(5)資本疏離、隱性壟斷。雖然機(jī)床行業(yè)總體來說在全球是一個(gè)充分競爭的行業(yè)，但在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，先入者往往基于自身技術(shù)積累而建立起強(qiáng)大的市場競爭優(yōu)勢，具有隱性壟斷的特征，即在該領(lǐng)域市場機(jī)制是局部失靈的。對于后發(fā)的工業(yè)化國家，投資高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)很大，因此資本一般是疏離該領(lǐng)域的，需要依靠國家財(cái)政支持和產(chǎn)業(yè)政策傾斜。

在綜合分析多方面的資料基礎(chǔ)上，本文從市場需求、決策管理、產(chǎn)品定位與服務(wù)、創(chuàng)新體系、核心技術(shù)、人才教育及產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面，對中國、德國及瑞士等歐洲國家、日本進(jìn)行了對比分析，具體情況如表2所示。德國和日本的做法，值得中國借鑒。

表2 數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域國內(nèi)外對比分析

未來發(fā)展趨勢

在未來主要發(fā)展趨勢方面，筆者認(rèn)為，數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)出高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化的發(fā)展趨勢，即：

(1)高性能。數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生產(chǎn)效率和可靠性。未來數(shù)控機(jī)床將通過進(jìn)一步優(yōu)化的整機(jī)結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的控制系統(tǒng)和高效的數(shù)學(xué)算法等，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線曲面的高速高精直接插補(bǔ)和高動態(tài)響應(yīng)的伺服控制；通過數(shù)字化虛擬仿真、優(yōu)化的靜動態(tài)剛度設(shè)計(jì)、熱穩(wěn)定性控制、在線動態(tài)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)大幅度提高可靠性和精度保持性。

(2)多功能。從不同切削加工工藝復(fù)合(如車銑、銑磨)向不同成形方法的組合(如增材制造、減材制造和等材制造等成形方法的組合或混合)，數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人“機(jī)-機(jī)”融合與協(xié)同等方向發(fā)展；從“CAD-CAM-CNC”的傳統(tǒng)串行工藝鏈向基于3D實(shí)體模型的“CAD＋CAM＋CNC集成”一步式加工方向發(fā)展；從“機(jī)-機(jī)”互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化，向“人-機(jī)-物”互聯(lián)、邊緣/云計(jì)算支持的加工大數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展。

(3)定制化。根據(jù)用戶需求，在機(jī)床結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、專業(yè)編程、切削刀具、在機(jī)測量等方面提供定制化開發(fā)，在加工工藝、切削參數(shù)、故障診斷、運(yùn)行維護(hù)等方面提供定制化服務(wù)。模塊化設(shè)計(jì)、可重構(gòu)配置、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、軟件定義制造、可移動制造等技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)定制化提供技術(shù)支撐。

(4)智能化。通過傳感器和標(biāo)準(zhǔn)通信接口，感知和獲取機(jī)床狀態(tài)和加工過程的信號及數(shù)據(jù)，通過變換處理、建模分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)庸み^程進(jìn)行學(xué)習(xí)，形成支持最優(yōu)決策的信息和指令，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床及加工過程的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和控制，滿足優(yōu)質(zhì)、高效、柔性和自適應(yīng)加工的要求?！案兄⒒ヂ?lián)、學(xué)習(xí)、決策、自適應(yīng)”將成為數(shù)控機(jī)床智能化的主要功能特征，加工大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)、數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算/云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等將有力助推未來智能機(jī)床技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

(5)綠色化。技術(shù)面向未來可持續(xù)發(fā)展的需求，具有生態(tài)友好的設(shè)計(jì)、輕量化的結(jié)構(gòu)、節(jié)能環(huán)保的制造、最優(yōu)化能效管理、清潔切削技術(shù)、宜人化人機(jī)接口和產(chǎn)品全生命周期綠色化服務(wù)等。

切削機(jī)床是利用刀具或磨具通過機(jī)械能作用于工件，實(shí)現(xiàn)材料去除的各種工藝(如車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等)，其本質(zhì)問題可以歸結(jié)為兩點(diǎn)，一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文開篇所述，機(jī)床1.0是以蒸汽動力直接給機(jī)床提供機(jī)械能以實(shí)現(xiàn)各種切削工藝，控制方式是手動控制；機(jī)床 2.0將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以驅(qū)動機(jī)床，并帶來數(shù)字控制機(jī)床的出現(xiàn)，控制方式是自動控制；機(jī)床 3.0則是計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)帶來的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，它改變了機(jī)床控制方式和生產(chǎn)組織方式，使其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

展望未來，機(jī)床4.0將面臨新的革命性變化，表現(xiàn)在一是材料去除過程直接所用的能量由以機(jī)械能為主變化為機(jī)械能、電能、光能、化學(xué)能等多種能場及其組合。二是能量使用的控制方式，一方面智能化控制是未來機(jī)床近期發(fā)展的最主要特征和趨勢，它使得機(jī)床更高(精度)、更快(效率)、更強(qiáng)(功能)、更省(綠色)；另一方面，即將出現(xiàn)的量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)，就如同當(dāng)年電子計(jì)算機(jī)給數(shù)控機(jī)床帶來革命性跨越一樣，重新定義一代數(shù)控機(jī)床，催生出全新原理和全新概念的數(shù)控機(jī)床和生產(chǎn)過程。

機(jī)床作為工作母機(jī)，多年來為工業(yè)革命和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了制造工具和方法；未來工業(yè)發(fā)展和人類文明進(jìn)步，仍然離不開數(shù)控機(jī)床的支撐和促進(jìn)。展望未來，新的一輪工業(yè)革命給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)及新一代人工智能融合，也給數(shù)控機(jī)床的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品換代和產(chǎn)業(yè)升級提供了技術(shù)支撐，數(shù)控機(jī)床將走向高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化，并擁抱未來的量子計(jì)算新技術(shù)，為新的工業(yè)革命和人類文明進(jìn)步提供更強(qiáng)大、更便利和更有效的制造工具。

本文應(yīng)中國機(jī)械工程學(xué)會之邀作關(guān)于機(jī)床工業(yè)發(fā)展及趨勢的交流報(bào)告，遂促成了本文的寫作，特此致謝中國機(jī)械工程學(xué)會。一些認(rèn)識和思考純屬個(gè)人觀點(diǎn)，敬請批評指正。

機(jī)加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)特訓(xùn)營

專業(yè)培訓(xùn)，機(jī)會難得

e-works誠摯邀請您出席定于2023年6月28-29日在重慶舉行的“機(jī)加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)特訓(xùn)營”。機(jī)加工智能制造關(guān)鍵技術(shù)包含識別與傳感、智能倉儲、智能物流、智能工藝裝備、工業(yè)機(jī)器人、高端數(shù)控、智能生產(chǎn)、智能企業(yè)管理等，智能制造因其具有較強(qiáng)綜合性，需多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)深度融合與創(chuàng)新集成。

通過此次課程的學(xué)習(xí)，您將全面了解企業(yè)智能工廠建設(shè)推進(jìn)從規(guī)劃到實(shí)踐、從技術(shù)到應(yīng)用過程中的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)，使企業(yè)在推進(jìn)智能工廠建設(shè)時(shí)，能夠全局統(tǒng)籌規(guī)劃，順利推進(jìn)智能工廠建設(shè)的有序落地，通過成熟實(shí)踐案例，幫助企業(yè)結(jié)合自身實(shí)際情況，更合理推進(jìn)智能工廠、智能產(chǎn)線、機(jī)加工數(shù)字化、智能化建設(shè)等。

編輯：黃飛

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