2022年数控机床行业发展现状介绍

1、2022年数控机床行业发展现状介绍机床是指制造机器的机器，亦称作工业母机、工作母机或者工具机。现代机械制 造中加工机械零件的方法很多：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、 挤压等，但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上 用切削的方法进行最终加工。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占 机器制造工作总量的 40%-60%，是现代工业发展的重要基石。具体分类看，机床一般分为金属切削机床、金属成形机床和木工机床等。从官方 统计口径来看，机床行业主要包括金属切削机床和金属成形机床。其中，金属切 削机床是机床工具行业中经济规模最大、地位最显著的领域。根据国家统计局数

2、据，2020 年我国金属切削机床产量为 44.6 万台，金属成形机床产量为 20.2 万 台，金属切削机床是金属成形机床产量的 2 倍以上。另外，机床按是否使用数控 系统，可以分为数控机床和非数控机床，随着现代制造业的发展，机床数控化率 已成为衡量制造业实力的重要指标。数控机床是一种装有数字控制系统（简称“数控系统”）的机床，数控系统包括 数控装置和伺服装置两大部分，当前数控装置主要采用电子数字计算机实现，又 称为计算机数控（Computer Numerical Control：CNC）装置。数控机床可按加工工艺、运动方式、伺服控制方式、机床性能等进行分类。从加工对象（零件）表面形成工艺特点，

3、传统上通常将数控机床分为数控金属切 削机床、数控金属成型机床两大类。近年来，由于复杂产品（如飞机、汽车、航 空发动机等）中新型材料应用日益增加，数控机床被加工零件的材料不再限于金 属材料，已扩展到复合材料、陶瓷材料等非金属材料，而且加工工艺也包括了特 种加工方法。此外，从功能和性能角度，又可以划分为经济型、中档（或普及型）和高档三类。 高档数控机床是具有高性能、智能化和高价值特征并达到相应功能及性能技术指 标的数控机床，是数控机床产业技术水平和装备制造业竞争能力的典型代表。图：低中高档数控机床技术水平主要划分依据18 世纪的工业革命后，机床随着不同的工业时代发展而进化并呈现出各个时代 的技术特

4、点，对应于工业 1.0-工业 4.0 时代，机床从机械驱动/手工操作（机床 1.0）、电力驱动/数字控制（机床 2.0）发展到计算机数字控制（机床 3.0），并 正在向赛博物理机床（Cyber-physicalmachine）/云解决方案（机床 4.0）演化 发展。1952 年世界第台数控机床在美国麻省理工学院研制成功，这是制造技术的一 次革命性跨越。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术，实现按照 零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行，从此 NC 技术 使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。随后，为了解决 NC 程序编制的自动化问题，采用计算机代

5、替手工的自动编程工具（APT）和方 法成为关键技术，计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）技术也随之得到快速发展 和普及应用。可以说，制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。正是由于数控机床和数控技术在诞生伊始就具有的几大特点数字控制思想和 方法、“软（件）硬（件）”相结合、“机（械）电（子）控（制）信（息）” 多学科交叉，因而其后数控机床和数控技术的重大进步就一直与电子技术和信息 技术的发展直接关联。最早的数控装置是采用电子真空管构成计算单元，20 世纪 40 年代末晶体管被发明，50 年代末推出集成电路，至 60 年代初期出现了采 用集成电路和大规模集成电路的电子数字计算机，计

6、算机在运算处理能力、小型 化和可靠性方面的突破性进展，为数控机床技术发展带来第一个拐点由基于分 立元件的数字控制（NC）走向计算机数字控制（CNC），数控机床也开始进入 实际工业生产应用。20 世纪 80 年代 IBM 公司推出采用 16 位微处理器的个人微 型计算机，给数控机床技术带来了第二个拐点由过去专用厂商开发数控装置 （包括硬件和软件）走向采用通用的 PC 化计算机数控，同时开放式结构的 CNC 系统应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，高速机床、虚 拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用。21 世纪以来，智能化数控 技术也开始萌芽，当前随着新一代信息技术和新一代

7、人工智能技术的发展，智能 传感、物联网、大数据、数字孪生、赛博物理系统、云计算和人工智能等新技术 与数控技术深度结合，数控技术将迎来一个新的拐点甚至可能是新跨越走向赛 博物理融合的新一代智能数控。机床结构主要包括两大部分：机床的各固定部分（如底座、床身、立柱、头架等）、 携带工件和刀具的运动部分，这两部分现在通称为机床基础件和功能部件。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）具在工件上实现材料去除。 数控机床主轴的发展过程中出现了非调速的交流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、

8、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式从步进电机、电液比例伺服、晶闸管变流和 PWM 控 制的直流电动机伺服等形式，发展到现在成为主流的矢量控制交流电动机伺服、 双电机重心驱动（DCG）、直线电动机/力矩电动机直接驱动等形式，而且多采 用带有位置环、速度环、电流环和“前馈+滤波”的全闭环控制，为各坐标轴进 给提供高速度、高精度、高动态响应的运动控制。此外，伺服控制模式从模拟量 控制，经过“模拟量数字量”混合控制模式，发展为全数字式现场工业总线控 制模式，如串行实时通信协议（SERCOS）总线、实时以太网控制自动化技术 （EtherCAT）总线、过程现场总线（PROFI

9、BUS）等。数控装置是数控机床控制的中枢，数控装置紧随电子技术、计算机技术、信息技 术的发展而演变进化，其发展过程可分为 7 代，第 1、2、3 代是分别采用电子 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，实用性差。第 4 代为采用小型电子数字计算机的 CNC 装置， 相对于前几代，其硬件平台结构紧凑、专用性强、可靠性大大提高，数控技术进 入到计算机数控的新轨道，从而使数控机床真正地进入到实用阶段并加快了迭代 和发展，此即为数控机床发展的第个拐点。直接数控（DNC）、柔性制造系统 （FMS）等概念和系统相继出现，随着超大规模集成电路微型中央处理器技

10、术成 熟，第 5 代数控装置将基于微处理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，降低了成本，但其硬件结构的兼容性和开放性较差。20 世 纪 80 年代，第 6 代数控装置中采用了个人微型计算机（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、丰富的应用资源和通用的网 络化接口等特点，数控装置的研究开发转向以软件算法实现各种功能，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，融合智能传感、物联网 /工业互联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生和赛博物理系统的第代 智能数控装置及智能机床将给数控技术发展带来一个新拐点，甚至可能

11、带来一次 新的革命。图：数控装置的演进多轴联动控制技术是数控机床控制的核心技术之一。数控机床各进给轴（包括直 线坐标和回转坐标进给轴）在数控装置控制下按照程序指令同时运动称为多轴联 动控制。高档数控机床一般都具有 3 轴或 3 轴以上联动控制功能，多为 4 轴联 动或 5 轴联动。各个进给坐标轴的运动一般由电动机在伺服驱动器控制下实现， 因此，高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动控制的物理基础。多轴 联动控制就是根据数控加工程序给出运动轨迹，通过轨迹插补和实时控制，在每 个伺服控制周期给出各个联动坐标轴的运动增量，实时控制所有坐标轴的联动。轨迹插补也是数控机床控制的核心技术之一。实现插

12、补运算的装置（或软件模块） 称为插补器，现代数控机床普遍采用数字计算机通过软件实现轨迹插补。从实现 的插补功能角度来看，2 轴联动的平面点位控制、平面直线和圆弧插补是最简单 的插补功能；2.5 轴联动插补实际上只有 2 轴联动控制，其第 3 轴只能实现与另 外 2 轴非联动的控制，这样的联动插补方式可加工 3D 的曲线和曲面，但效率低、 适应性差；3 轴联动插补除了实现平面和空间的直线插补、圆弧插补功能外，高 档数控系统还具有螺旋线插补、抛物线插补等功能；5 轴联动插补可高效方便地 实现各种复杂曲线和曲面插补的功能，并进一步发展样条插补和先进的速度、加 速度、加速度变化率等控制功能，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技 术。未来的数控装置还将发展自由曲面直接插补功能，并可望与基于人工智能和 数字孪生的走刀轨迹规划相结合，在考虑多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速 度约束条件下，实现由 3D 模型驱动的刀轨生成和最优控制的多轴联动直接插补。先进制造技术的不断进步及应用大大缩短了加工时间，提高了加工效率。从发展 趋势来看，一方面，从 1960 年到 2020 年，制造生产中总的加工时间（包括切 削时间、辅助时间和准备时间）减少到原加工时间的 16，即加工效率显著提 升；另一方面，“切削时间、辅助时间、准备时间”这三者之间的占比也逐渐趋 向一致，因此，未来提高加工效率，不仅