2022年數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹

1、2022年數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹機(jī)床是指制造機(jī)器的機(jī)器，亦稱作工業(yè)母機(jī)、工作母機(jī)或者工具機(jī)?，F(xiàn)代機(jī)械制 造中加工機(jī)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(xì)的零件，一般都需在機(jī)床上 用切削的方法進(jìn)行最終加工。在一般的機(jī)器制造中，機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占 機(jī)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(jī)床一般分為金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)床和木工機(jī)床等。從官方 統(tǒng)計(jì)口徑來看，機(jī)床行業(yè)主要包括金屬切削機(jī)床和金屬成形機(jī)床。其中，金屬切 削機(jī)床是機(jī)床工具行業(yè)中經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大、地位最顯著的領(lǐng)域。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)

2、據(jù)，2020 年我國金屬切削機(jī)床產(chǎn)量為 44.6 萬臺(tái)，金屬成形機(jī)床產(chǎn)量為 20.2 萬 臺(tái)，金屬切削機(jī)床是金屬成形機(jī)床產(chǎn)量的 2 倍以上。另外，機(jī)床按是否使用數(shù)控 系統(tǒng)，可以分為數(shù)控機(jī)床和非數(shù)控機(jī)床，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床數(shù)控化率 已成為衡量制造業(yè)實(shí)力的重要指標(biāo)。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（Computer Numerical Control：CNC）裝置。數(shù)控機(jī)床可按加工工藝、運(yùn)動(dòng)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)，

3、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)控金屬成型機(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(dòng)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，又可以劃分為經(jīng)濟(jì)型、中檔（或普及型）和高檔三類。 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，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。圖：低中高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平主要?jiǎng)澐忠罁?jù)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

4、點(diǎn)，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(dòng)/手工操作（機(jī)床 1.0）、電力驅(qū)動(dòng)/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-physicalmachine）/云解決方案（機(jī)床 4.0）演化 發(fā)展。1952 年世界第臺(tái)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(dòng)控制機(jī)床的軌跡運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行，從此 NC 技術(shù) 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(dòng)化問題，采用計(jì)算機(jī)代

5、替手工的自動(dòng)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。可以說，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)。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(jì)算機(jī)，計(jì)

6、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。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)，給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來了第二個(gè)拐點(diǎn)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(jì)算機(jī)數(shù)控，同時(shí)開放式結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，推動(dòng)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(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，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

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(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。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(dòng)部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機(jī)床基礎(chǔ)件和功能部件。主軸的作用是帶動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)主軸箱傳動(dòng)的機(jī)械式 主軸、電動(dòng)機(jī)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(jī)床進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)伺服、 雙電機(jī)重心驅(qū)動(dòng)（DCG）、直線電動(dòng)機(jī)/力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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（SERCOS）總線、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制自動(dòng)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(jī)床控制的中樞，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，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(tái)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

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(jī)用作其硬件平臺(tái)，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(tái)、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)的第代 智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個(gè)新拐點(diǎn)，甚至可能

11、帶來一次 新的革命。圖：數(shù)控裝置的演進(jìn)多軸聯(lián)動(dòng)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)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(dòng)稱為多軸聯(lián) 動(dòng)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(dòng)控制功能，多為 4 軸聯(lián) 動(dòng)或 5 軸聯(lián)動(dòng)。各個(gè)進(jìn)給坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)一般由電動(dòng)機(jī)在伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制的物理基礎(chǔ)。多軸 聯(lián)動(dòng)控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運(yùn)動(dòng)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(dòng)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)增量，實(shí)時(shí)控制所有坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)。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

12、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)。從實(shí)現(xiàn) 的插補(bǔ)功能角度來看，2 軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)插補(bǔ)實(shí)際上只有 2 軸聯(lián)動(dòng)控制，其第 3 軸只能實(shí)現(xiàn)與另 外 2 軸非聯(lián)動(dòng)的控制，這樣的聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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、加速度變化率等控制功能，是高速度、高精度、高動(dòng)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(bǔ)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(dòng)動(dòng)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(dòng)的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動(dòng)直接插補(bǔ)。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。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