北航教授劉強(qiáng)：數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及未來趨勢(shì)

0引言      

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(guó)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(tái)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(tái)數(shù)字控制(numerical control，NC )機(jī)床在美國(guó)麻省理工學(xué)院?jiǎn)柺溃瑯?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(jiǎn)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[1] 。

數(shù)控機(jī)床可按加工工藝、運(yùn)動(dòng)方式、伺服控制方式、大理石礦物鑄件機(jī)床性能等進(jìn)行分類。從加工對(duì)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(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(duì)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(jìng)爭(zhēng)能力的典型代表。

1數(shù)控機(jī)床及加工技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)

1.1工業(yè)化進(jìn)程和機(jī)床進(jìn)化史

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(duì)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-physical machine )/云解決方案(機(jī)床 4.0 )演化發(fā)展[2] 。

圖1 工業(yè)化與機(jī)床進(jìn)化史

1.2數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程特點(diǎn)及幾個(gè)重要拐點(diǎn)

1952 年世界第 1 臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)麻省理工學(xué)院研制成功，大理石礦物鑄件這是制造技術(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)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(dòng)化問題，采用計(jì)算機(jī)代替手工的自動(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[3]。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)(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)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。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 )，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，大理石礦物鑄件同時(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[4]。

圖2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及重要拐點(diǎn)[4]

1.3

數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵和核心技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)

1.3.1

數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

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。

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3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(dòng)和主軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的3軸聯(lián)動(dòng)立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)、帶交換工作臺(tái)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(dòng)和5軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的形式，但實(shí)際應(yīng)用有限。當(dāng)前，在同一臺(tái)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(zhǎng)壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求，研究者們先后提出了重心驅(qū)動(dòng)(DCG )設(shè)計(jì)、箱中箱(BIB )、直接驅(qū)動(dòng)(DDT )、熱平衡設(shè)計(jì)與補(bǔ)償、全對(duì)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，大理石礦物鑄件大大縮短了數(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(dòng)態(tài)剛度和穩(wěn)定性[5-6]。

圖3 機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

1.3.2

主軸和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

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、高剛性大扭矩高速電主軸和智能式主軸等[7]。

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，大理石礦物鑄件發(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)、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(chǎng)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(dòng)化技術(shù)總線、過程現(xiàn)場(chǎng)總線等[8]。

主軸和進(jìn)給伺服軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機(jī)床主軸和伺服驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展演進(jìn)

1.3.3

數(shù)控裝置

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5 )，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(duì)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(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5 數(shù)控裝置的演進(jìn)

1.3.4多軸聯(lián)動(dòng)與軌跡插補(bǔ)技術(shù)

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)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(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(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(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6所示。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(jiǎn)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(Jerk )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)。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(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)。

圖6 多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)技術(shù)

1.4加工效率和加工精度的進(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[9]，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(shì)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(dòng)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(cè)[10](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(zhǎng)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(jí)的時(shí)間超過20年)。

圖7 加工效率和加工精度的進(jìn)展

2我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況

2.1我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

2.1.1機(jī)床工業(yè)的萌芽階段

從洋務(wù)運(yùn)動(dòng)到新中國(guó)建立前，中國(guó)機(jī)床工業(yè)處于萌芽階段。

19 世紀(jì)洋務(wù)運(yùn)動(dòng)期間，曾國(guó)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(guó)藩委派，歷時(shí)兩年從美國(guó)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(guó)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)知名的機(jī)床廠[11]。

2.1.2機(jī)床工業(yè)奠基和大規(guī)模建設(shè)階段

從新中國(guó)成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國(guó)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(guó)成立后，中國(guó)機(jī)床工業(yè)開始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期?！耙晃濉睍r(shí)期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，第一機(jī)械工業(yè)部(簡(jiǎn)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(guó)的 90％以上。相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量的國(guó)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(guó)機(jī)床工業(yè)的奠基階段。

1958~1978年期間，中國(guó)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(guó)第二汽車制造廠(以下簡(jiǎn)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”，大理石礦物鑄件大大提升了行業(yè)技術(shù)水平和能力。與此同時(shí)，國(guó)家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機(jī)床，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)之所需。

2.2我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程

我國(guó)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(tái)國(guó)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(jí)階段。

圖8 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程

2.3“十八羅漢”機(jī)床企業(yè)變遷和04專項(xiàng)標(biāo)志性成果

2.3.1“十八羅漢”變遷和民營(yíng)機(jī)床企業(yè)快速發(fā)展

2.3.1.1   “一五”時(shí)期布局的“十八羅漢”骨干機(jī)床企業(yè)

 “一五”時(shí)期，我國(guó)由蘇聯(lián)及東歐國(guó)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(guó)較完整的機(jī)床工具產(chǎn)業(yè)和科研體系，支撐了建國(guó)后直至1978年改革開放前我國(guó)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(yíng)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(guó)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(guó)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(guó)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(yíng)，如長(zhǎng)沙機(jī)床廠。

2.3.1.2   機(jī)床工業(yè)后起之秀和產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)

近10年來，一批民營(yíng)數(shù)控機(jī)床企業(yè)異軍突起，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中崛起的后起之秀，成為中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外，以市場(chǎng)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(chǎng)繁榮帶來了新鮮的活力和特色。

表1 “一五”時(shí)期布局的機(jī)床行業(yè)“十八羅漢”

2.3.2

04 專項(xiàng)標(biāo)志性成果和關(guān)鍵裝備

04專項(xiàng)于2009年啟動(dòng)實(shí)施，“十一五”期間，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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力[15]。

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[15-17]：

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

(4 )動(dòng)力總成(汽車發(fā)動(dòng)機(jī))關(guān)鍵加工裝備。面向動(dòng)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(guó)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(dòng)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(dòng)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(guó)家重大工程急需，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，我國(guó)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(guó)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(guó)家重大光學(xué)工程的 3 條示范生產(chǎn)線，完成國(guó)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(dòng)機(jī)關(guān)重件 FMS 生產(chǎn)線、高壓油泵驅(qū)動(dòng)單元凸輪軸智能生產(chǎn)線、汽車自動(dòng)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(dòng)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)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(guó)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(chǎng)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。

3數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

3.1數(shù)控機(jī)床企業(yè)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模和區(qū)域結(jié)構(gòu)

3.1.1全球數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)概況

根據(jù)?賽迪顧問|2019年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)?給出的數(shù)據(jù)和圖表[18](相關(guān)詳情可通過掃描本文OSID 碼獲得)可以知道，大理石礦物鑄件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(guó)和美國(guó)三個(gè)國(guó)家，分布如下：

(1 )日本4家：山崎馬扎克(No.1 )、天田(No.5 )、大隈(No.6 )、牧野(No.7 );

(2 )德國(guó)4家：通快(No.2 )、 DMGMORI (No.3 )、格勞博集團(tuán)(No.8 )、埃馬克(No.10 );

(3 )美國(guó)2家：馬格(No.4 )、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(zhǎng)，2019年的總規(guī)模達(dá)到1492億美元，但增長(zhǎng)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