数控机床发展（数控机床发展历程及未来趋势）
数控机床发展（数控机床发展过程及未来趋势）
引言：制作机器的机器
机床( machine tools )是指用来制作机器的机器，又被称为“工作母机”或“工具机”。早在15世纪就已涌现了早期的机床，1774年英国人威尔金森创造的一种炮筒镗床被以为是世界上第1台真正意义上的机床，它解决了瓦特蒸汽机的气缸加工问题。至18世纪，各种类型机床相继涌现并迅速发展，如螺纹车床、龙门式机床、卧式铣床、滚齿机等，为工业革命和树立现代工业奠定了制作工具的基本。1952年，世界上第1台数字掌握(numerical control，NC )机床在美国麻省理工学院问世，标记着机床数控时期的开端。数控机床是一种装有数字掌握体系(简称“数控体系”)的机床，数控体系包含数控装置和伺服装置两大部分，当前数控装置重要采取电子数字盘算机实现，又称为盘算机数控(computerized numerical control，CNC )装置。
数控机床可按加工工艺、活动方法、伺服掌握方法、机床性能等进行分类。从加工对象(零件)表面形成工艺特色，传统上通常将数控机床分为数控金属切削机床、数控金属成形机床两大类。近年来，由于庞杂产品(如飞机、汽车、航空动员机等)中新型材质运用日益增长，数控机床被加工零件的材质不再限于金属材质，已扩大到复合材质、陶瓷材质等非金属材质，而且加工工艺也包含了特种加工办法。此外，从功效和性能角度，又可将数控机床划分为经济型、中档(或普及型)和高级三类。当前对高级数控机床尚无明白、统一的定义，笔者以为：高级数控机床是具有高性能、智能化和高价值特点并到达相应功效及性能技巧指标的数控机床。高级数控机床是数控机床产业技巧程度和设备制作业竞争才能的典范代表。
数控机床进化史
机床作为“工作母机“，全程随同了工业化的发展。18 世纪的工业革命后，机床随着不同的工业时期发展而进化并出现出各个时期的技巧特色。如图 1 所示，对应于工业 1.0~ 工业 4.0 时期，机床从机械驱动/手工操作(机床 1.0 )、电力驱动/数字掌握(机床 2.0 )发展到盘算机数字掌握(机床3.0）并正在向赛博物理机床 （Cyber-physical machine )/云解决计划(机床 4.0 )演变发展。
图1 工业化与机床进化史
而数控机床发展过程，则阅历了几个主要拐点。
1952 年世界第 1 台数控机床在美国麻省理工学院研制胜利，这是制作技巧的一次革命性跨越。数控机床采取数字编程、程序履行、伺服掌握等技巧，实现依照零件图样编制的数字化加工程序主动掌握机床的轨迹活动和运行，从此 NC 技巧就使得机床与电子、盘算机、掌握、信息等技巧的发展密不可分。随后，为懂得决 NC 程序编制的主动化问题，采取盘算机取代手工的主动编程工具(APT )和办法成为症结技巧，盘算机帮助设计/制作 ( CAD /CAM )技巧也随之得到迅速发展和普及运用。可以说，制作数字化肇始于数控机床及其核心数字掌握技巧的出生。
正是由于数控机床和数控技巧在出生伊始就具有的几大特色——数字掌握思想和办法、“软(件)-硬(件)”相联合、“机(械资源网)-电(子)-控(制)-信(息)”多学科交叉，因而其后数控机床和数控技巧的重大提高就一直与电子技巧和信息技巧的发展直接关联(图2)。
最早的数控装置是采取电子真空管构成盘算单元，20 世纪40年代末晶体管创造，50年代末推出集成电路，至 60年代初期涌现了采取集成电路和大范围集成电路的电子数字盘算机，盘算机在运算处置才能、小型化和可靠性方面的突破性进展，为数控机床技巧发展带来第一个拐点——由基于分立元件的数字掌握(NC)走向了盘算机数字掌握(CNC)，数控机床也开端进入实际工业生产运用。
PC机的发展，给数控机床技巧带来了第二个拐点。20世纪80年代IBM公司推出采取16位微处置器的个人微型盘算机(personal computer，PC)，使得过去专用厂商开发数控装置(包含硬件和软件)，走向了通用的PC化盘算机数控。与此同时，开放式构造的CNC体系也应运而生，推进数控技巧向更高层次的数字化、网络化发展，在此基本上，高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技巧迅速迭代并运用。
21世纪以来，数控机床的第三个拐点开端变得清楚起来。智能化数控技巧也开端萌芽，当前随着新一代信息技巧和新一代人工智能技巧的发展，智能传感、物联网、大数据、数字孪生、赛博物理体系、云盘算和人工智能等新技巧与数控技巧深度联合，数控技巧将迎来一个新的拐点甚至可能是新跨越——走向赛博物理融会的新一代智能数控。
图2 数控机床发展过程及主要拐点
在这个进程中，机床的加工效力和加工精度，得到了不断的进展。先进制作技巧的不断提高及运用大大缩短了加工时光，进步了加工效力，图 7a 是被广为引用的一个曲线图，表现了先进制作技巧发展与加工时光(效力)的进展情形。从发展趋势来看，一方面，从1960年到2020年，制作生产中总的加工时光(包含切削时光、帮助时光和预备时光)减少到原加工时光的16％，即加工效力明显晋升；另一方面，“切削时光、帮助时光、预备时光”这三者之间的占比也逐渐趋向一致，因此，未来进步加工效力，不仅要着眼于工艺办法优化改良和进步主动化水平，还须要从生产管理的数字化、网络化和智能化的角度，有效缩短待工时光。图7b是20世纪80年代Taniguchi (谷口)给出的至2020年不同机床可到达的加工精度预测 (图中2000年到2020年的精度晋升虚线为笔者所加)，可以看到，各种加工工艺办法和机床(或设备)技巧的发展带来了加工精度的连续进步，但机械加工范畴不同于集成电路制作范畴，没有短周期可见效的摩尔定律(IC上可容纳的晶体管数量每18~24个月增长1倍)，其精度晋升是一个长时光技巧累积和不断迭代的进程(例如：精密加工进步 1个精度数目级的时光超过20年)。
图3 加工效力和加工精度的进展
症结技巧演进之机床构造篇
数控机床的症结技巧，可以分为机床构造、主轴、伺服驱动装置、数控装置与插补技巧。
机床构造重要包含两大部分：机床的各固定部分(如底座、床身、立柱、头架等)、携带工件和刀具的活动部分，这两部分现在通称为机床基本件和功效部件。
以常见的车削和铣削为例，典范的数控机床构造演进进程如图4所示。数控车削机床构造从早期的2轴进给平床身、2轴进给斜床身等经典构造，发展到4轴进给和双刀架、多主轴和多刀等用于回转体类零件高效力车削的加工中心构造，进一步发展为可适应庞杂零件“一次装夹、全体完工(done in one)”的多功效车铣复合加工中心构造。数控铣削加工机床构造从早期重要实现坐标轴联动和主轴活动功效的经典立/卧式铣床构造，发展到带刀库和主动换刀机构的3轴联动立/卧式铣削加工中心构造、带交流工作台的立/卧式铣削加工中心构造，为满足庞杂构造件高效力加工需求，又涌现了4轴联动和5轴联动的铣削加工中心构造，随后以铣削/镗削加工为主、兼有车削/钻削加工功效的多功效铣车复合加工中心构造得到迅速发展和运用。在5轴联动发展进程中，来自于机器人的并联虚拟轴概念被引入到数控机床，涌现了并联或串并联联合5轴联动的情势，但实际运用有限。当前，在同一台数控机床上实现“增材加工＋切削加工”功效的增减材混杂加工新型构造机床已经进入适用化发展阶段。
在数控机床构造发展演进进程中，数控机床构造布局(配置计划、优化设计)和材质选用等方面的技巧也不断提高。为满足高精度、高刚度、良好热稳固性、长寿命和高精度坚持性、绿色化和宜人性等对机床构造的请求，研讨者们先后提出了重心驱动(DCG)设计、箱中箱(BIB)、直接驱动(DDT)、热平衡设计与补偿、全对称构造设计等设计原则和技巧；在机床构造设计和优化中运用了零部件整体构造有限元剖析优化、轻量化设计、构造拓扑优化、仿生构造优化等办法；采取虚拟机床理念和办法，大大缩短了数控机床设计制作周期。数控机床床身构造材质从以铸铁、铸钢为主，发展到越来越多地采取树脂混凝土(矿物铸件、人造大理石)、人造花岗岩以及天然大理石等材质。此外，钢纤维混凝土、碳纤维复合材质、泡沫金属等新型构造材质也已有运用。未来，新型材质、新型优化构造和新型制作工艺办法将使数控机床构造更加轻量化，并具有更好的静动态刚度和稳固性。
图4 机床主机构造的演进
症结技巧之主轴和进给伺服驱动
主轴的作用是带动刀(磨)具(钻削/铣削/磨削)或工件(车削)按给定速度旋转，并传递切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上实现材质去除。数控机床主轴的发展进程中涌现了非调速的交换电动机经主轴箱传动的机械式主轴、电动机与主轴一体化的电主轴、高速电主轴、高刚性大扭矩高速电主轴和智能式主轴等。
机床进给轴的伺服驱动方法从步进电机、电液比例伺服、晶闸管变流和PWM掌握的直流电动机伺服等情势，发展到现在成为主流的矢量掌握交换电动机伺服、双电机重心驱动、直线电动机/力矩电动机直接驱动等情势，而且多采取带有地位环、速度环、电流环和“前馈＋滤波”的全闭环掌握，为各坐标轴进给供给高速度、高精度、高动态响应的活动掌握。此外，伺服掌握模式从模仿量掌握，经过“模仿量＋数字量”混杂掌握模式，发展为全数字式现场工业总线掌握模式，如串行实时通讯协定总线、实时以太网掌握主动化技巧总线、进程现场总线等。
主轴和进给伺服轴驱动技巧的发展演进如图5所示。
图5 数控机床主轴和伺服驱动方法的发展演进
症结技巧之数控装置篇
数控装置是数控机床掌握的中枢，如前所述，数控装置紧随电子技巧、盘算机技巧、信息技巧的发展而演化进化，其发展进程可分为7代(图6)，第1、2、3代是分离采取电子管分立元件、晶体管、集成电路的数控装置，处于数控装置发展初期，体积和功耗大，可靠性低，适用性差。第4代为采取小型电子数字盘算机的CNC装置，相对于前几代，其硬件平台构造紧凑、专用性强、可靠性大大进步，数控技巧进入到盘算机数控的新轨道，从而使数控机床真正地进入到适用阶段并加快了迭代和发展，此即为数控机床发展的第1个拐点，直接数控(DNC)、柔性制作体系(FMS)等概念和体系相继涌现。随着超大范围集成电路微型中央处置器技巧成熟，第5代数控装置将基于微处置器的专用硬件或单板机用作其硬件平台，进一步减小了硬件体积，下降了成本，但其硬件构造的兼容性和开放性较差。20世纪80年代，第6代数控装置中采取了个人微型盘算机(PC)，带来了数控机床发展的第2个拐点。借用PC成熟的软/硬件平台、丰硕的运用资源和通用的网络化接口等特色，数控装置的研讨开发转向以软件算法实现各种功效，即进入到开放式、网络化和软件化数控阶段。随着工业 4.0发展，融会智能传感、物联网/工业互联网、大数据、云盘算、人工智能、数字孪生和赛博物理体系的第7代智能数控装置及智能机床正在向我们走来，这将给数控技巧发展带来一个新拐点，甚至可能带来一次新的革命。
图6 数控装置的演进
症结技巧之多轴联动与轨迹插补
多轴联动掌握技巧是数控机床掌握的核心技巧之一。数控机床各进给轴(包含直线坐标进给轴和回转坐标进给轴)在数控装置掌握下依照程序指令同时活动称为多轴联动掌握。高级数控机床一般都具有3轴或3轴以上联动掌握功效，多为4轴联动或5轴联动。各个进给坐标轴的活动一般由电动机在伺服驱动器掌握下实现，因此，高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动掌握的物理基本。多轴联动掌握就是依据数控加工程序给出活动轨迹(即走刀轨迹)，通过轨迹插补和实时掌握，在每个伺服掌握周期给出各个联动坐标轴的活动增量，实时掌握所有坐标轴的同时活动(simultaneous motion)。
轨迹插补也是数控机床掌握的核心技巧之一。实现插补运算的装置(或软件模块)称为插补器，现代数控机床广泛采取数字盘算机通过软件实现轨迹插补。轨迹插补技巧的发展进程如图7所示。从实现的插补功效角度来看，2轴联动的平面点位掌握、平面直线和圆弧插补是最简略的插补功效；2.5轴联动插补实际上只有2轴联动掌握，其第3轴只能实现与另外2轴非联动的掌握，这样的联动插补方法可加工3D的曲线和曲面，但效力低、适应性差；3轴联动插补除了实现平面和空间的直线插补、圆弧插补功效外，高级数控体系还具有螺旋线插补、抛物线插补等功效；5轴联动插补可高效便利地实现各种庞杂曲线和曲面插补的功效，并进一步发展样条插补和先进的速度、加速度、加速度变更率(Jerk)等掌握功效，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技巧。笔者以为，未来的数控装置还将发展自由曲面直接插补功效(SDI)，并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹计划相联合，在斟酌多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速度束缚条件下，实现由3D模型驱动的刀轨生成和最优掌握的多轴联动直接插补。
图7 多轴联动插补技巧
我国数控机床发展概况
中国数控机床从无到有，到现在已经成为全球最大的机床花费国和生产国。
从洋务活动到新中国树立前，中国机床工业处于萌芽阶段。19 世纪洋务活动期间，曾国藩“访募覃思之士、智巧之匠”，“觅制器之器与制器之人”。1863年容闳受曾国藩委派，历时两年从美国采购了第1 批机床装备，开端将西方现代机床工具引入中国。随后，江南机器制作总局自制出一批机床。到20世纪上半叶陆续树立了重庆机床厂、长沙机床厂、中央机器厂等一批机床厂，20世纪40年代，东北、上海、江浙等地又树立了一批机床制作企业，后来成长为沈阳三机、上海机床、济南一机、南京机床、无锡机床等国内著名的机床厂。
从新中国成立到改造开放前(1949~1978 )的20年，中国机床工业发展可分为奠基阶段和大范围建设阶段。
1949年新中国成立后，中国机床工业开端进入迅速发展时代。“一五”时代(1953~1957 )，在苏联专家指点下，第一机械工业部(简称“一机部”)按专业分工计划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业，还树立了以北京金属切削机床研讨所(北京机床研讨所的前身)为代表的被称为“七所一院”的一批机床工具研讨机构。到1957年，一机部直属企业在机床、工具、磨料磨具和机床附件方面的产品产量都占全国的 90％以上。相干产品产量的国内自给率达 80％左右。机床工具工业成为一个独立的工业部门，为后续发展奠定了基本，这一时代是中国机床工业的奠基阶段。
1958~1978年期间，中国机床工业进入大范围建设阶段。60年代初期开展了高精度精密机床战斗，通过攻关累计控制5类26种高精度精密机床技巧，机床精度、质量和工艺程度广泛进步。60年代中期开端的“三线建设”中，在川、黔、陕、甘、宁、青、豫西、鄂西等地域，由老厂老所迁建、包建了33个机床工具企业，改良了行业的地域布局，其中，为中国第二汽车制作厂(以下简称“二汽”)供给成套装备成为集机床工具行业技巧才能和展现其发展程度的又一个全行业性大“战斗”，大大晋升了行业技巧程度和才能。与此同时，国度大力支撑发展大型、重型和超重型机床，以满足公民经济建设之所需。
我国数控机床发展过程，起步很早。我国机床产业经过了1949年前的萌芽阶段后，在“一五”期间奠基并迅速发展。1958 年第1台国产数控机床研制胜利，由此开端了数控机床的发展过程，如图8所示，这个过程可以划分为：初始发展阶段、连续攻关和产业化发展阶段、高速发展和转型升级阶段。
图8 我国数控机床发展过程
在初始发展阶段，这是相对封锁的技巧研发期。在我国机床工业尚处在奠基发展的时代，美国于1952年研制出了世界上第1台3轴联动数字掌握铣床，机床开端向数控化发展。1958年北京第一机床厂与清华大学合作研发出了中国第1台数控铣床，仅比世界第1台数控机床晚6年。到1972年我国能供给数控线切割机、非圆插齿机和劈锥铣等少数品种的数控机床产品。从第1台国产数控机床研制胜利到20世纪70年代中期，我国的数控机床处于初期技巧研讨摸索阶段，只进行了少量产品试制工作，尚未全面开展数控机床症结技巧攻关研讨和工业化开产生产。70年代中后期，全面启动了数控机床研制生产工作，1975年齐齐哈尔第二机床厂完成了国产第1台数控龙门式铣床的研制。由于受到当时国内外形势限制，缺少与先进工业国度的技巧交换，彼此数控机床技巧的研讨开发根本上处于封锁的状况。
可以说，中国数控机床最早的研制工作几乎是与世界同步的，虽然起步较早，但初期数控机床技巧研讨和产业发展根本上处于一种封锁状况，从1958年到1978年改造开放前，数控机床症结技巧研讨开发及产业发展迟缓。相对于美、日和欧洲先进工业国度在70年代末和80年代初就已实现了机床产品的数控化升级换代，我国的机床数控化过程到70年代末才刚刚开端，并且这一升级换代进程历经了多重弯曲艰苦，直到30多年后，机床工业的产品数控化升级换代才得以全面实现。
1978年后，随着国度的改造开放，我国数控机床进入一个新的发展时代，初步树立产业系统并推动产业化。80年代初期，通过引进数控体系、机床主机技巧，并与国外公司结合设计，我国开端研制和生产数控机床，例如：青海第一机床厂依据机械工业部支配与日本FANUC合作，研制胜利国内第1台卧式数控加工中心XH754 (1980年)；北京机床研讨所与北京第三机床厂合作研制胜利国内首个JCS-FMC-1/2卧/立式加工柔性单元，北京机床所与日本FANUC合作研发的我国第1条回转体加工柔性制作体系投入生产；南京机床厂与德国TRAUB公司合作生产TND360数控车床，成批量运用于生产；北京航空航天大学研制的国内首台微型盘算机数控体系 CNC-4D 成批量胜利运用于航空企业XK5040铣床的数控化改革(1983年)。“六五”期间(1981~ 1985)，对数控机床采取直接从国外“引进技巧”的方法，通过允许证贸易、合作生产、购进样机等方法，引进数控机床及相干技巧183项，开发出数控机床新品种81种，累计可供品种达113种，这成为我国数控机床从展品、样机走向商品的一个分水岭。
“七五”期间(1986~1990)，国度支配了数控机床科技攻关专题和以引进技巧“消化接收”为重要内容的“数控一条龙”项目，包含5种机床主机和3种数控体系的消化接收国产化。
“八五”期间(1991~1995)，以“自主开发”为重点支撑国产数控体系的技巧攻关和产品开发，胜利开发出了具有当时国际先进技巧程度的中华Ⅰ型(北京珠峰公司和北京航空航天大学结合开发)，华中Ⅰ型(武汉华中数控)和蓝天Ⅰ型(沈阳高级数控国度工程研讨中心)等高级数控体系。
“九五”期间(1996~2000)，以推动数控机床“产业化”为重点，在技巧方面基于工业 PC 平台的普及型数控体系开端走向适用，并且攻克了开放式网络化多通道多轴联动技巧；在产品方面，重点发展数控车床、加工中心、数控磨床、数控电加工机床、数控锻压机床和数控重型机床等6大类产品，形成主机批量生产才能和症结配套才能，到2000年，我国数控机床品种达1500种，还研发出了5轴联动数控加工中心并投入市场，但此期间机床工业的产值数控化率一直在20％左右彷徨，产量数控化率不足10％；在产业方面，国产数控机床面向市场竞争的产业化发展步伐加快，开端进入市场竞争阶段。
十五期间，中国机床进入了高速发展和转型升级阶段，数控技巧及产品得到了迅速普及和升级。
“十五”期间(2001~2005 )，随着 2002 年中国正式参加WTO，我国数控机床进入高速发展时代，国产数控机床产量以超过30％的幅度逐年增加，国产5轴联动加工中心和5面体龙门式加工中心为能源、汽车、航空航天等国度重点建设工程供给了症结设备。这期间，在国度“863筹划”中还实行了“高精尖数控机床”重点专项，支撑了航空、汽车等部分重点范畴急需的高精尖数控设备研制。
“十一五”期间(2006~2010)，我国机床工业坚持连续稳固高速发展，2007年沈阳机床和大连机床分离进入全球机床行业前 10强。一方面，一批机床企业“走出去”，到发达国度进行技巧并购，如沈阳机床在德国设立技巧研发中心，大连机床、沈阳机床、北一机床分离并购 Ingersoll(美国)、Schiess(德国)和 Waldrich-Coburg(德国)等。另一方面，国内市场对中高级数控机床需求急增，机床企业加大产品研发力度，“十一五”期间金属切削机床中的数控机床产量达72.8万台，与“十五”期间相比，增加 281％，产量数控化率从15％(2006年)进步到30％(2010年)；一批民营数控机床企业开端迅速发展，其产品在一些细分范畴(如3C、汽车零部件和家电等)占领主要位置。从2009年开端，中国在金属加工机床的生产、花费和进口三个方面均列世界第一，并坚持到 2018年。2009年，国度出台设备制作业调剂和振兴计划，启动实行“高级数控机床与基本制作设备”科技重大专项(以下简称“04 专项”)，聚焦航空航天、汽车以及船舶、发电范畴对高级数控机床与基本制作设备的需求，进行重点支撑。
“十二五”以来，总体来说国产数控机床市场竞争力不断加强，在国内中低端数控机床市场已占领显著优势。04专项对高级数控机床技巧和产业发展施展了主要推进作用，加快了高级数控机床、数控体系和功效部件的技巧研发步伐，增进了机床企业与航空航天、汽车、船舶和发电等范畴的用户企业的联合；一批高级数控机床(如车铣复合加工中心、大型龙门式 5 轴联动加工中心、多主轴镜像铣削机床等)实现了从“无”到“有”，并胜利运用于重点范畴和重点工程的实际生产；济南二机床已有9条用于大型迅速高效全主动冲压生产线出口至福特汽车团体(美国)，并进一步拓展到日产汽车公司(日本)、美丽雪铁龙团体(法国)，进入国际市场；5轴联动数控机床精度测试“S试件”尺度列入ISO 尺度，实现我国在国际高级数控机床技巧尺度范畴“零”的突破。2015年，国度全面推动实行制作强国战略，“高级数控机床和机器人”等10大范畴被列为重点。2016年，我国机床工业的产出数控化率和机床市场的花费数控化率均接近 80％ 的程度，根本实现了机床产品的数控化升级。我国数控机床产业在高速发展的同时，企业创新才能不足、核心技巧缺失、专业人才不足、技巧基本软弱和产业构造失衡等深层次问题也逐渐浮现，2019年国内机床行业两大巨头——大连机床和沈阳机床分离走向破产和重整，并被中国通用技巧团体重组。与此同时，一批数控机床后起之秀异军崛起，以东部沿海地域为主形成了面向市场的数控机床产业集合地域等。
“十八罗汉”变迁
中国机床的发展，阅历了“十八罗汉”变迁和民营机床企业迅速发展。
“一五”时代，我国由苏联及东欧国度援建了156项重点工程项目，其中涉及机床工业的项目有：新建沈阳第一机床厂和武汉重型机床厂、改建沈阳第二机床厂(即中捷友情厂)，此外在苏联专家指点下，一机部按专业分工计划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业，这些企业及其专业产品分工见表1。
在筹划经济环境下，“十八罗汉”和“七所一院”迅速树立了我国较完全的机床工具产业和科研系统，支持了建国后直至1978年改造开放前我国的工业化发展，并为改造开放后制作业的迅速发展奠定了基本。近年来，“十八罗汉”经过多次改造，经营机制、管理体制、所有制构造都产生了很大变更。经过40多年发展变迁，曾经作为我国机床行业主力军的“十八罗汉”企业中，一部分改造创新稳固发展，如济南二机床已发展为世界三大数控冲压设备制作商之一，同时还生产大重型金属切削机床，成为“中国名牌”；一部分企业仍在改造调剂之中，例如，沈阳机床、大连机床、齐二机床等已进入中国通用技巧团体，并与团体下属的北京机床研讨所、哈尔滨量具刃具公司、天津一机床等共同组成了先进制作与技巧服务主业中的机床板块；少数企业已经破产不再经营，如长沙机床厂。
表1 “一五”时代布局的机床行业“十八罗汉”
而近10年来，一批民营数控机床企业异军崛起，在国内外市场发生主要影响，如北京精雕、四川普什宁江、大连光洋/科德、上海拓璞、纽威数控(苏州)、宁波海天精工、武汉华中数控、广州数控等，它们是在数控机床行业国内外市场竞争中突起的后起之秀，成为中国数控机床产业发展新的有生力气。另外，以市场和用户需求为导向，东部沿海地域则形成了数控机床产业集合区，如山东滕州中小机床之都、江苏泰州特种加工机床基地、浙江温岭工量具机床名城、浙江玉环经济型数控车床之都、浙江宁波模具之都、安徽博望刃具之乡等，它们为数控机床市场繁华带来了新颖的活气和特点。
04专项的标记性结果
2009年，对于中国机床发展具有主要意义和作用的04专项正式启动。“十一五”期间，通过支撑8大类、57种主机产品安排课题义务，重点解决“有无”问题；“十二五”期间，聚焦高级数控体系、功效部件及成套设备和生产线的研发；“十三五”期间，进一步重点聚焦航空航天、汽车两大范畴，着力攻克数控体系与功效部件、可靠性和精度坚持性技巧、加工效力与工艺程度晋升等问题。总体上，专项课题安排笼罩了实行计划肯定的重点义务，涵盖了重点范畴急需的症结制作设备，部分先进企业在专项实行进程中充足懂得用户需求，由此催生出一批症结制作设备，具备了必定的国际竞争实力。
在04专项支撑下研制了一批高级数控机床和基本制作设备，标记性设备及相干技巧结果如下：
(1)航空范畴大型症结成套制作设备。胜利研制一批典范航空构造件加工所需的切削/成形设备，如8万吨(800MN)大型模锻压力机、龙门及卧式5轴联动加工中心、大型翻板卧式加工中心、复合材质铺带机和铺丝机等，弥补了国内空白，实现了进口替代。
(2)运载火箭大型特种制作设备。多主轴镜像铣削加工机床、大型龙门式 5轴加工中心、重型5轴龙门式搅拌摩擦焊设备、主动化铆接设备等制作设备得到示范运用，控制了核心症结技巧，实现了自主可控，为载人航天、空间站工程和新一代运载火箭供给了有力支持。
(3)汽车大型迅速高效全主动冲压生产线。形成了“汽车车身大型迅速高效全主动冲压生产线”等优势技巧和产品，设备了国内几乎所有自主品牌、合资品牌的汽车企业，国内市场占领率达70％以上，国际市场占领率达30％，彻底解脱了国产汽车高级冲压装备重要依附进口的局势。
(4)动力总成(汽车动员机)症结加工设备。面向动力总成的症结加工设备精密卧式加工中心实现100％数字化设计，突破了热误差综合补偿技巧，可靠性大幅晋升，国产数控体系和重要功效部件配套率明显进步。
(5)发电装备重型制作设备。胜利研制3.6万吨(360MN)黑色金属垂直挤压机、超重型立式车铣复合加工中心、重型桥式龙门 5轴联动车铣复合机床等，为第三代核电供给了有效支持。
(6)大型船舶制作设备。胜利研制 25m 数控立柱移动立式铣车机床、大型组合式曲轴车铣复合机床，解决了国度重大工程急需，弥补国内空白，我国船舶用高级数控重型机床已可满足船舶自主化制作的需求。
(7)光学元件超精密症结制作设备。突破了超精密制作机床症结技巧，研制出重要技巧指标到达国际先进程度的一批超精密加工症结设备，构建直接运用于国度重大光学工程的 3 条示范生产线，完成国度重大工程所需的典范光学元件试制。
(8)高级数控机床成套设备。胜利研制出箱体类零件加工 FMC50 柔性制作单元、航天动员机关重件 FMS 生产线、高压油泵驱动单元凸轮轴智能生产线、汽车主动变速器齿轮(箱)数字制作工艺设备链、螺纹/螺杆数字制作工艺设备链、汽车轮毂智能制作岛、五轴机床铝合金肋板类卧式加工生产线等，在航空航天、汽车等范畴实现运用。
(9)高级数控体系。多通道、多轴联动数控体系症结技巧指标到达国际主流产品技巧程度，功效与之相当，可靠性有效晋升，打破国外数控体系产品一统天下的局势，实现了在航空航天重点企业的批量示范运用。
(10)高级数控机床功效部件及配套系统。高速、高精、重载滚珠丝杠和直线导轨产品性能及市场占领率均显著进步，功效部件配套系统逐步完美。
(11)症结范畴所需成套刀具及成套设备。工具行业技巧程度显著晋升，研发才能和产业化才能显著加强，在航空和汽车行业根本具备刀具整体配套才能。
全球机床态势与中国
从全球来看，数控机床产业重要集中在亚洲、欧盟、美洲三大区域，其中，中国、日本和德国事机床的重要生产国度，其区域构造散布为(2019年)：日本32.1％、中国31.5％、德国17.2％、美国6.3％、意大利5.2％、韩国4.2％、其他3.5％。
依据《赛迪参谋|2019年数控机床产业数据》，2019年范围排名全球前10位的数控机床制作商都来自于日本、德国和美国三个国度，散布如下：日本4家：山崎马扎克(No.1 )、天田(No.5 )、大隈(No.6 )、牧野(No.7 )；德国占领4家，包含通快(No.2)、 DMGMORI (No.3)、格劳博团体(No.8)、埃马克(No.10)；而美国有2家是马格(No.4)和哈斯(No.9)。
2017~2019 年全球数控机床产业总范围连续增加，2019年的总范围到达1492亿美元，但增加率持续三年降低，从2017年的9.5％降低到2018年的7.0％、再到2019年的3.9％。此外，据财富商业洞察( Fortune Business Insight)的预测，2020~2027年全球机床产业的复合年增加率(CAGR )为4.5％。
从产业构造来看，按产品类型细分，2019年数控机床产业规律如下：数控金属切削机床 783.3亿美元(占比52.5％)，数控金属成形机床 420.7亿美元(占比28.2％)，数控特种加工机床265.6亿美元(占比17.8％ )，其他 22.4 亿美元(占比1.5％)。
就中国而言，2019年中国数控机床产业总范围达3270亿元，相比于2018年，总范围从多年的全球第一退居为第二，位于日本之后，涌现了2.3％的负增加。同时，2019年数控金属切削机床和数控金属成形机床进口额均有所下降，同比降低分离为30.6％和约2.5％，但出口额均有所增长，同比增幅分离为9.0％和约16.4％。
从细分产业方面看，2019年数控金属切削机床产业范围1739.6亿元，占比到达 53.2％；数控金属成形机床产业范围932亿元，占比28.5％；数控特种加工机床产业范围549.4亿元，占比16.8％；其他数控机床产业范围49亿元，占比1.5％。
从区域产业范围和构造看，华东地域产业范围位居第一，约为1805.0亿元，产业范围占比到达55.2％。中南和东北地域分列第二和第三，占比为19.1％和11.9％。
领先的日本机床
日本在机床工业尤其是在高级数控机床范畴处于全球领先位置，整体实力位于世界第一，拥有一批有名的机床企业和品牌，如山崎马扎克、天田、大隈、森精机、捷太科特、牧野、三菱重工、沙迪克等，日本的机床企业众多，技巧领先。下面列出部分日本数控机床企业及产品、技巧特色：
(1)日本精工(NSK)——轴承为其核心产品，并可全套开发及供给机床功效部件产品(如滚珠丝杆、直线导轨、电主轴等)，产业范围位居日本第1、全球第3。可生产Dmn值(轴承内外圈平均直径Dm最高转速 n )高达3000000m•r / min的滚动轴承及其配套的高速机床主轴(主轴转速可达50000r/min)。服务于汽车零部件、精密机械组件、电子运用等。
(2)山崎马扎克(YAMAZAKI MAZAK)——重要产品有数控车床、复合车铣加工中心、立式加工中心、卧式加工中心、激资源网光体系、FMS、CAD、CAM、CNC装置和生产支撑软件等，产品以高速高精复合著称。
(3)新日本工机(SNK)——专业生产大型龙门加工中心、车床、专机等，用于制作船舶引擎、客机主翼等大型部件，如其生产的5轴龙门精密镗铣床大批用于发达国度航空工业。
(4)捷太科特(JTEKT)——生产超精密自由曲面金刚石加工机床，精度达较高程度(定位精度30nm、表面粗糙度Ra＝1nm)，可用于光学模具超精密车削及研磨。
(5)沙迪克(SODICK)——代表性产品是纳米级精度慢走丝电火花加工机床，还推出了世界首台“混杂式水刀＋线切割”机床。
(6 )天田(AMADA)———数控冲床、折弯机、剪板机、激光切割等装备，其模具、备件、切削产品在该范畴居全球市场No.1 (占比70％)位置。
(7)冈本(OKAMOTO)——生产世界最大龙门式平面磨床，可变静压导轨体系，抛光大尺码半导体元件。
(8)大隈(OKUMA)——保持从数控机床的核心部件(驱动器/编码器/马达/主轴等)到 NC操作体系到终端全体自主开发。
(9)牧野(MAKINO)——发明了日本机床的多个“No.1”，以立卧式加工中心、电加工机床(EDM)、磨床等为主打产品，服务于模具、汽车、航空、航天等行业。
机床强国的德国
德国事全球制作业大国及强国，尤其在机床工业范畴拥有奇特的优势，经过上百年的积淀，发生了一批著名全球的机床制作企业。部分著名企业和产品情形如下：
(1)德玛吉-森精机(DMG Mori)——拥有德国的德尔克、马豪、吉特迈三大有名品牌，后又与日本森精机结合，是全球领先和最大的金属切削机床制作商，包含机床、服务及软件解决计划，供给独具特点的CELOS数字化生产管理和掌握体系。
(2)通快(Trumpf)——工业激光范畴技巧及市场全球引导者，生产各类激光器、激光加工机床以及数控冲裁和折弯机床等。
(3)格劳博(Grob)——重要产品有各种机床、生产体系或切削线装配单元、全主动装配线，善于动员机零部件整线交钥匙工程，强调工艺/技巧/资源/文化全球集成。
(4)埃玛克(Emag)——工艺技巧全面完美，供给加工盘类/轴/齿轮/箱体类加工机床和生产体系、激光焊接机等。倒立式机床独具一格。
(5)舒勒(Schuler)——1852年即开端生产金属加工机床，是金属成形业的全球领先者，供给机床、生产线、主动化技巧及相干服务，也为航空航天和铁路供给解决计划。
(6)斯来福临(KorberSchleifring)——平面及成形磨、内外圆磨和工具磨机床，普遍用于航空航天、汽车及其零部件、重工业等范畴(已给全球供给了超过10万台磨床，其中中国6000台)。
(7)因代克斯(Index)——1914年开端生产塔式主动车床，1975年生产多主轴主动车床。1992年推出了新一代模块化部件的车铣复合中心。
(8)哈默(Hermle)——中小型五轴精密加工范畴专家，5轴高速立式加工中心技巧国际领先，在德国本土中小型模具5轴机床市场占领率第1，已经有超过1.7万台哈默生产的万能铣床和加工中心在全世界应用。
集合专业的瑞/法/奥/意机床
除了德国之外，瑞士、法国、意大利等欧洲国度在工业化发展进程中也发生了不少拥有技巧优势和特长的机床企业，尤其是在面向细分范畴的高精度和专业化机床及其整体解决计划方面，具有非常强的竞争力，这些企业包含：
(1)瑞士威力铭-马科黛尔(Willemin-Macodel SA)——产品以立式和龙门式钻铣加工中心为主，主轴转速可达 80000r/min ，轨迹精度2m。
(2)瑞士托诺斯(Tornos)——重要生产高精度微型/小型零件加工机床、复合机床等，采取陶瓷主轴/双主轴计划，具备自动切屑消除功效。
(3)瑞士GF-米克朗(GF MiKron)——专业生产大型龙门加工中心、车床、专机等，用于制作船舶引擎、客机主翼等大型部件，如5轴龙门精密镗铣床。
(4)瑞士斯达拉格-海科特(Starrag Heckert)——铣削/车削/镗削/研磨等工艺办法用于金属、复合材质、陶瓷等加工的高精度机床领军企业，在航空动员机涡轮/叶片/构造件加工方面独具特点，近年还收购了以生产航空构造件加工用虚拟轴数控机床ECOSpeed/EcoForce而著名的德资源网国DST公司。
(5)瑞士利吉特(Liechti)——叶片加工解决计划全球领先，特殊是专为航空动员机、燃气轮机的叶盘、叶片庞杂曲面供给高速数控机床和专用CAD/CAM 软件。
(6)奥地利WFL——专注于多功效完全加工中心的制作商，开发的车铣复合加工中心普遍运用于航空航天、交通等范畴。
(7)意大利法拉利(Ferrari)——专注于航空动员机、汽车范畴庞杂曲面零件加工机床，供给主动高低料的 5 轴联动叶片加工中心、叶片加工专用CAM软件。
(8)法国弗瑞斯特-里内(Forest Line)——专注于用于航空航天大型构造件加工的5轴龙门式加工中心和复合材质构件铺丝、铺带机床。
国内外比较剖析
数控机床，有着奇特的产业特色，在现代工业中是具有基本性、庞杂性和战略性的物质。数控机床(特殊是高级数控机床)在产业和技巧方面有如下一些特色：
(1)技巧密集、迭代积聚。数控机床是一类将机械、电气、液压、掌握、硬件、软件、信息、网络、传感等多学科、多专业的技巧高度集成于一个实物载体的产品，技巧高度密集，须要长期积聚和迭代。
(2)工艺细分、品种繁多。涉及切削加工，成形加工，特种加工等不同的类别和工艺，工艺划分较细，产品类别及型号繁多。
(3)市场量小、利润较低。机床行业往往只是其服务的终端产操行业(如汽车、工程机械、飞机制作等)范围的百分之几，它供给制作工具类的产品，产品功效和性能请求高但利润低。
(4)劳动密集、工匠精力。由于活动精度、动态性能请求高但市场范围小，故难以进行大量量主动化生产，须要大批具有工匠精力的技巧型工人。
(5)资本疏离、隐性垄断。虽然机床行业总体来说在全球是一个充足竞争的行业，但在高级数控机床范畴，先入者往往基于自身技巧积聚而树立起壮大的市场竞争优势，具有隐性垄断的特点，即在该范畴市场机制是局部失灵的。对于后发的工业化国度，投资高级数控机床产业风险很大，因此资本一般是疏离该范畴的，须要依附国度财政支撑和产业政策倾斜。
在综合剖析多方面的资料基本上，本文从市场需求、决策管理、产品定位与服务、创新系统、核心技巧、人才教导及产学研合作、研发投入、产业链及产业生态等方面，对中国、德国及瑞士等欧洲国度、日本进行了比较剖析，具体情形如表2所示。德国和日本的做法，值得中国借鉴。
表2 数控机床范畴国内外比较剖析
未来发展趋势
在未来重要发展趋势方面，笔者以为，数控机床技巧出现出高性能、多功效、定制化、智能化和绿色化的发展趋势，即：
(1)高性能。数控机床发展进程中，一直在尽力寻求更高的加工精度、切削速度、生产效力和可靠性。未来数控机床将通过进一步优化的整机构造、先进的掌握体系和高效的数学算法等，实现庞杂曲线曲面的高速高精直接插补和高动态响应的伺服掌握；通过数字化虚拟仿真、优化的静动态刚度设计、热稳固性掌握、在线动态补偿等技巧大幅度进步可靠性和精度坚持性。
(2)多功效。从不同切削加工工艺复合(如车铣、铣磨)向不同成形办法的组合(如增材制作、减材制作和等材制作等成形办法的组合或混杂)，数控机床与机器人“机-机”融会与协同等方向发展；从“CAD-CAM-CNC”的传统串行工艺链向基于3D实体模型的“CAD＋CAM＋CNC集成”一步式加工方向发展；从“机-机”互联的网络化，向“人-机-物”互联、边沿/云盘算支撑的加工大数据处置方向发展。
(3)定制化。依据用户需求，在机床构造、体系配置、专业编程、切削刀具、在机测量等方面供给定制化开发，在加工工艺、切削参数、故障诊断、运行保护等方面供给定制化服务。模块化设计、可重构配置、网络化协同、软件定义制作、可移动制作等技巧将为实现定制化供给技巧支持。
(4)智能化。通过传感器和尺度通讯接口，感知和获取机床状况和加工进程的信号及数据，通过变换处置、建模剖析和数据发掘对加工进程进行学习，形成支撑最优决策的信息和指令，实现对机床及加工进程的监测、预报和掌握，满足优质、高效、柔性和自适应加工的请求。“感知、互联、学习、决策、自适应”将成为数控机床智能化的重要功效特点，加工大数据、工业物联、数字孪生、边沿盘算/云盘算、深度学习等将有力助推未来智能机床技巧的发展与提高。
(5)绿色化。技巧面向未来可连续发展的需求，具有生态友爱的设计、轻量化的构造、节能环保的制作、最优化能效管理、干净切削技巧、宜人化人机接口和产品全性命周期绿色化服务等。
切削机床是应用刀具或磨具通过机械能作用于工件，实现材质去除的各种工艺(如车削、铣削、镗削、钻削、磨削等)，其实质问题可以归结为两点，一是用什么能量去除材质? 二是如何掌握能量应用? 如本文开篇所述，机床1.0是以蒸汽动力直接给机床供给机械能以实现各种切削工艺，掌握方法是手动掌握；机床 2.0将电能转换为机械能以驱动机床，并带来数字掌握机床的涌现，掌握方法是主动掌握；机床 3.0则是盘算机和信息技巧带来的盘算机数控机床，它转变了机床掌握方法和生产组织方法，使其数字化、网络化。
展望未来，机床4.0将面临新的革命性变更，表示在一是材质去除进程直接所用的能量由以机械能为主变更为机械能、电能、光能、化学能等多种能场及其组合。二是能量应用的掌握方法，一方面智能化掌握是未来机床近期发展的最重要特点和趋势，它使得机床更高(精度)、更快(效力)、更强(功效)、更省(绿色)；另一方面，即将涌现的量子盘算和量子盘算机，就如同当年电子盘算机给数控机床带来革命性跨越一样，重新定义一代数控机床，催生出全新原理和全新概念的数控机床和生产进程。
机床作为工作母机，多年来为工业革命和现代工业发展供给了制作工具和办法；未来工业发展和人类文明提高，仍然离不开数控机床的支持和增进。展望未来，新的一轮工业革命给数控机床的发展带来新的挑衅和机会，先进制作技巧与新一代信息技巧及新一代人工智能融会，也给数控机床的技巧创新、产品换代和产业升级供给了技巧支持，数控机床将走向高性能、多功效、定制化、智能化和绿色化，并拥抱未来的量子盘算新技巧，为新的工业革命和人类文明提高供给更壮大、更方便和更有效的制作工具。
本文应中国机械工程学会之邀作关于机床工业发展及趋势的交换报告，遂促成了本文的写作，特此致谢中国机械工程学会。一些认识和思考纯属个人观点，敬请批驳指正。
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