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1、我国数控机床现状及前景调查分析摘要在社会经济飞速发展的今天，我国工业化体系不断创新发展的过程中，装备产业发展则着实为我国工业基础体系发展奠定了良好保证。对于装备制造业而言,数控机床是装备制造业发展的重中之重。数控机床产业不仅影响着我国经济社会的发展情况,更是对国家综合水平进行体现的重要标志。是国民经济发展的基础。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。本文从我国数控机床发展的现状出发对我国数控机床产业所取得的相关成果进行了阐述,重点分析了现存于其中的一系列问题,并进一步对我国数控机床的发展趋势进行了深入探究。关键词：
2、工业产业；数控机床；发展现状；前景调查Investigation and Analysis on the present situation and Prospect of NC machine tools in ChinaABSTRACTIn Chinas social and economic rapid development today, the equipment industrial development provides a good guarantee for the development of Chinas industrial base system in the pr
3、ocess of Chinas industrialization system of continuous innovation and development. For the equipment manufacturing industry, CNC machine tools is an indispensable important equipment. CNC machine tool industry not only affects the development of Chinas economic and social development, but also an im
4、portant symbol of the comprehensive level of the country. In the National medium and long term science and technology development plan (2006-2020), high-end CNC machine tools and basic manufacturing equipment is identified as one of the 16 major science and technology projects. The related results i
5、n this paper from the actual situation of the CNC machine tool industry in China are described, analyzed a series of problems existing in them, and the further development trend of CNC machine tools in our country thoroughly.Key words: industrial industry; CNC machine tools; development status; pros
6、pect investigation目 录摘要IABSTRACTII目 录III引言11数控机床的发展概述 1.1数控机床的产生11.2数控机床的发展沿革11.3数控机床的特点和优势3 2.我国数控机床的发展现状分析 2.1核心技术不足32.2科技转化率较低42.3管理机制不完善4 2.4国产品牌的市场认可度不足4 2.5国产机床正在向国际先进水平靠拢4 3.数控机床的未来发展趋势及前景预测 3.1追求更高的精度和速度5 3.2以智能化加工为主要方向5 3.3功能和结构将呈现的系统化和复合化趋势6 3.4数控体系更加开放7 4.总结8参考文献9引言自上世纪数控技术出现后，数控机床给装备制造业带
7、来了极大地冲击，并在工业产业中得以广泛应用。伴随着社会的高速发展，数控机床应用领域必将扩大，势必对工业产业、现代装备制作业的发展起着越来越重要的作用，与此同时也将带动我国相关经济得到高效良性的发展。1.数控机床的发展概述1.1数控机床的产生自1948年美国帕森斯公司提出计算机控制机床的设想，到1952年第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床试制成功以来，因其适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果，而得到了广泛的应用。近年来我国的数控机床来也是高速发展，但与此同时高档数控机床的自主化问题，扼住了中国先进制造业的喉咙。比如，中国数控机床的高档
8、数控系统和功能部件仍然主要依靠进口。2014年国内高档系统的自给率不到10%，约90%依赖进口，其中日本是主要的进口来源国，约占三分之一。1.2数控机床的发展沿革第一代，1948年美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大、价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂
9、型面零件。第二代，1959年制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。第三代， 1965年出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小、功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。第四代，60年代末先后出现了由计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 第五代，1974年研制成功使用微处理器
10、和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。 80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.3数控机床的特点和优势数控机床的操作和监控是数控单元完成的。与普
11、通机床相比，数控机床有如下特点和优势：适应性强，能为适应模具等产品单件生产制造提供合适的加工方法；精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；节省生产准备时间，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高；自动化程度高，可以减轻劳动强度；数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；有利于生产管理的现代化。2.我国数控机床的发展现状分析2.1核心技术不足1数控化水平低根据产业信息网发布的2015-2020年中国数控机床行业市场运行态势与投资潜力研究报
12、告显示，2014年我国机床电子市场规模为425亿元。但高档数控机床的自主化问题，扼住了中国先进制造业的喉咙。中国数控机床的高档数控系统和功能部件仍然主要依靠进口。2014年国内高档系统的自给率不到10%，约90%依赖进口，其中日本是主要的进口来源国，约占三分之一。2010-2014年中国机床进口统计2功能部件有差距数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等，它们是数控机床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平直接决定和影响着数控机床业界的技术水平和性能，也制约着其的发展速度。我国的功能部件生产企
13、业规模普遍较小，布局分散，有些还依附于主机厂或研究所。从整体上看，我国功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，从精度指标和性能指标都还不过硬。滚珠丝杠、数控刀架、数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽已形成一定的生产规模，但仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高级数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还依赖进口。理顺功能部件生产企业的体制，做大做强一批功能部件生产企业已迫在眉睫。2.2科技转化率较低 目前，我国进口的数控系统基本为德国西门子( EIMENS)和日本发那科(FANUC)两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过80%。在国内尚无自主知识
14、产权高端数控统替代的前提下，西门子和发耶科拥有绝对的价格优势。加上高性能数控系统具有超越经济价值的战略意义，发达国对出口中国的数控系统始终有所限制，甚至像五轴联动以上的高性能数控系统产品禁止向中国出口。我国机床出口保持连年增长的喜人态势，不过“量增价减”的尴尬直接反映出我们的技术水平。大量核心技术的缺乏和关键零部件的依赖直接影响到我国的机床产业安全。数控系统拥有的自主知识产权几乎为零，制约了整个产业的发展。同时适应市场经济需求的以企业为主体、产学研的结合的技术创新平台尚未形成，无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。数控机席的机械结构设计、制造的配套环
15、节、集成技术和制造工艺等方面落后。2.3管理机制不完善 在我国机床的发展中，针对于科研以及后续工作的整体管理力度比较小，也导致其很多时候会出现科技以外的内容来干扰具体事实，导致相对应的发展呈现较慢 趋势。我国企业的发展在管理机制不足的大前提下，也很难走出自己的道路。2.4国产品牌的市场认可度不足由于历史原因，我国机床工具行业千余家企业在国内的产业布局趋同，导致生产总量不小，低水平重复建设严重；“大而全”、“小而全”普遍存在，规模效益难以释放；企业内部自我配套意识浓厚，生产周期过长；成本居高不下，整机性能及可靠性无法保证；对市场需求反应迟钝，竞争乏力。目前国内只有华中数控、航天数控等知名品牌。国
16、产品牌在国内机床市场上所占份额都很小，影响甚微，根本谈不上竞争优势，更无法与国外同行相抗衡。2.5国产机床正在向国际先进水平靠拢我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得高速发展，在一些关键技术方面也取得重大突破。2010年我国数控机床产量达到23.6万台，同比增长62.2%，中国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。2014年我国数控机床产量达到39.1万台。我国已基本掌握了多(五)座标联动的关键技术， 不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进入实用阶段。复合加工技术的研究也取得很大成绩，已研制完成的五轴联动车铣复合中心、五轴五
17、面加工中心、双主轴车削中心等关键设备均已实现商品化。高速加工技术(HSM)的研究与应用也取得重要进展，实现了在国产加工中心和数控机床上的应用，研制成功了适合高速机床加工的HSK工具系统，并已将其转化成国家标准。3.数控机床的未来发展趋势及前景预测3.1追求更高的精度和速度随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化的要求越来越高。机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min；在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型的精确加工；微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出C
18、PU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度；目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。3.2以智能化加工为主要方向随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化正成为数控设备研究及发展的热
19、点，它不仅贯穿于生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿于产 品的售后服务和维修中。数控机床的智能化程度在不断提高，主要体现在以下几方面： 1.加工过程自适应控制技术：自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工系统能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度，同时也能提高刀 具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。如通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度)和加
20、工指令，向制造系统反馈信息。将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，使设备处于最佳运行状态，以提高设备运行的安全性；2.加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、和切削加工的一般与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加 工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的。如日本牧野公司在电火花数控系统MAKIN(MCE20中，用带自学习功能的神经网络专家系统代替操作人员进行加工监视。，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优
21、化的加工参数； 3.智能故障自诊断与自修复技术：故障自诊断、自修复技术在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位，一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化环境下工作的要求 4.智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； 5.智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参
22、数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；6.智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。3.3功能和结构将呈现的系统化和复合化趋势 随着现代机械加工要求的不断提高，对零部件一体化程度要求不断提髙、数量
23、不断减少、产品生产周期的不断缩短，这就要求1台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少 工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积， 减少零件传送和库存，保证加工精度和节能降耗的要求。复合机床可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床，如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概 念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床上来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。现代数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多达15 轴，其同
24、时联动的轴数已达6轴。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。Page加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。3.4 体系开放化 （1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，
25、只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 3.5融入更多现代理念数控机床生产
26、技术发展至现代，其自身也开始不断的进步，容纳了很多现代理念，如高可靠化、信息交互网络化、加工过程绿色化等此类理念都帮助该项设计及生产技术得到了自我的进步，也带动了行业的整体发展。数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统
27、平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。另外，对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制
28、造单元。随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。现代数控机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。所谓绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，通过干切削、准干切削、硬切削等措施避免 切削液污染环境和危害工人健康。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。4.总结 现代新技术的迅猛发展和客观需求的多样化，决定了数控机床发展的趋势和方向,数控机床的发展不断趋于高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、绿色化等趋使数控机床和加快更新换代的速度的同时提高先进制造技术。中国作为一个制造大国，
29、主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端，从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造，从制造大国到制造强国的转变。参考文献1 徐伟峰, 吴朝辉, 王洋洋. 数控机床的发展趋势及国内发展现状J. 今日湖北旬刊, 2014(8).2 王凯, 王耀锐, 李猛. 我国数控机床现状及发展趋势J. 科技视界, 2014(22):85-8
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31、.9 王德健, 俞贵玲. 数控机床技术及发展趋势探析J. 山东工业技术, 2015(12):50-50.10 杨鹏鹏. 我国数控机床发展趋势J. 中国产业经济动态, 2014(24):47-49.11 邓凌颂. 数控机床的应用与发展趋势J. 中国机械, 2015(2):7-8.12 刘青. 数控机床的技术特点及发展趋势研究J. 湖北函授大学学报, 2014(6):135-136.13 隋超. 我国数控机床技术发展趋势J. 新课程下旬, 2014(6).14 李樟. 数控机床的概况与可靠性设计分析J. 民营科技, 2015(3):28-28.15 修国策, 张延平. 机械装配工艺现状与发展前景分
32、析J. 中国科技纵横, 2016(9).16 鲁晓. 数控机床电气维修技术与未来前景J. 华东科技:学术版, 2015(4):330-330.17 吉颂. 关于国内数控机床技术发展趋势的思考J. 中国电子商情:科技创新, 2014(10):129-129.18 祁伟. 数控机床未来发展趋势探讨J. 合成材料老化与应用, 2015(6):125-127.19 李娜娜, 韩海燕, 曹凡. 基于试验和有限元的数控机床模态分析方法研究J. 电子测试, 2015(23):99-100.20 丹慧芳. 数控技术在机械加工中的应用及其发展前景J. 中国机械, 2016(1):66-66.致谢 时光荏苒、潮落
33、月沉，最终还是到了毕业临别之刻。在论文定稿、敲落键盘的一瞬间，诸多感慨纷至沓来。万千感慨涌到嘴边，却无法诉诸言语。而在这里，谨向这几年时间中，各位关心过、帮助过、陪伴过我的老师和同学，诚挚的说一声感谢。 本论文完成的前后，老师的指导和帮助发挥了很大的作用。也正是因为老师对我的严格要求，才能让我在完成论文的过程中，不断的丰富自己所学，夯实知识理论。而老师在论文审阅和批改时所表现出的创新思维和严谨态度，给我以很大的影响。感谢老师对我的指导和帮助，让我掌握了更多的技能，养成了严谨的学习态度，在这里，我要向指导我论文写作的老师，说一声感谢。 在大学四年中，很多同学、很多朋友，面对学习、面对生活，一起承担、一起坚持。对你们我既怀着分别的不舍，又抱有对未来的希冀。感谢我的同学，在我的学习生涯中，你们给予我莫大的帮助，你们那刻苦学习的精神，为理想而奋斗的精神让人钦佩，是我前进的动力，是我学习的榜样。这四年的陪伴中，有欢笑、有感动，到而今，感谢的话语已经不知该怎样说出口。 还有我的父母，如果没有你们的辛勤耕耘和默默付出，就不会有我的今天，也不会让我能站在更高的高度，看到更远的风景。感谢我的父母给予的支持和鼓励，在我的学习生涯中，你们一直默默付出，我的成绩来源于你们无私的爱。感谢所有曾经帮助过我的人，感谢百忙之中抽出宝贵时间评审论文的各位老师，感谢你们给予我的支持和鼓励。 16