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北京航空航天大學劉強教授深耕數(shù)控加工及智能制造領域已三十余年，有深厚的專業(yè)積累。在本文中，劉強教授從工業(yè)化進程和技術發(fā)展的角度全面總結了機床進化史和數(shù)控機床發(fā)展歷程,分析了數(shù)控機床核心關鍵技術演進過程；系統(tǒng)介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展過程，并按階段梳理了數(shù)控機床技術和產業(yè)發(fā)展過程以及發(fā)展進程中的重要事件；詳述了數(shù)控機床領域國際競爭態(tài)勢；給出了對該領域未來發(fā)展趨勢的研判。分享此文給廣大讀者，并歡迎參與討論，提供新觀點。

引言

機床( machine tools )是指用來制造機器的機器，又被稱為“工作母機”或“工具機”。早在15世紀就已出現(xiàn)了早期的機床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認為是世界上第1臺真正意義上的機床，它解決了瓦特蒸汽機的氣缸加工問題。至18世紀，各種類型機床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機床、臥式銑床、滾齒機等，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。1952年，世界上第1臺數(shù)字控制(numerical control，NC )機床在美國麻省理工學院問世，標志著機床數(shù)控時代的開始。數(shù)控機床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計算機實現(xiàn)，又稱為計算機數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置[1] 。 數(shù)控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機床分為數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床兩大類。近年來，由于復雜產品(如飛機、汽車、航空發(fā)動機等)中新型材料應用日益增加，數(shù)控機床被加工零件的材料不再限于金屬材料，已擴展到復合材料、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)控機床劃分為經濟型、中檔(或普及型)和高檔三類。當前對高檔數(shù)控機床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認為：高檔數(shù)控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達到相應功能及性能技術指標的數(shù)控機床。高檔數(shù)控機床是數(shù)控機床產業(yè)技術水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。

1數(shù)控機床及加工技術的發(fā)展演進

1.1工業(yè)化進程和機床進化史

18 世紀的工業(yè)革命后，機床隨著不同的工業(yè)時代發(fā)展而進化并呈現(xiàn)出各個時代的技術特點。如圖 1 所示，對應于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時代，機床從機械驅動/手工操作(機床 1.0 )、電力驅動/數(shù)字控制(機床 2.0 )發(fā)展到計算機數(shù)字控制(機床3.0）并正在向賽博物理機床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機床 4.0 )演化發(fā)展[2] 。

圖1 工業(yè)化與機床進化史

1.2數(shù)控機床發(fā)展歷程特點及幾個重要拐點

1952 年世界第 1 臺數(shù)控機床在美國麻省理工學院研制成功，這是制造技術的一次革命性跨越。數(shù)控機床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術，實現(xiàn)按照零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機床的軌跡運動和運行，從此 NC 技術就使得機床與電子、計算機、控制、信息等技術的發(fā)展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計算機代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關鍵技術，計算機輔助設計/制造 ( CAD /CAM )技術也隨之得到快速發(fā)展和普及應用[3]?？梢哉f，制造數(shù)字化肇始于數(shù)控機床及其核心數(shù)字控制技術的誕生。 正是由于數(shù)控機床和數(shù)控技術在誕生伊始就具有的幾大特點——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結合、“機(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學科交叉，因而其后數(shù)控機床和數(shù)控技術的重大進步就一直與電子技術和信息技術的發(fā)展直接關聯(lián)(圖2 )。最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構成計算單元，20 世紀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)字計算機，計算機在運算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進展，為數(shù)控機床技術發(fā)展帶來第一個拐點——由基于分立元件的數(shù)字控制( NC )走向了計算機數(shù)字控制(CNC )，數(shù)控機床也開始進入實際工業(yè)生產應用。20世紀80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個人微型計算機(personal computer，PC )，給數(shù)控機床技術帶來了第二個拐點——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化計算機數(shù)控，同時開放式結構的CNC系統(tǒng)應運而生，推動數(shù)控技術向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡化發(fā)展，高速機床、虛擬軸機床、復合加工機床等新技術快速迭代并應用。21世紀以來，智能化數(shù)控技術也開始萌芽，當前隨著新一代信息技術和新一代人工智能技術的發(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)、云計算和人工智能等新技術與數(shù)控技術深度結合，數(shù)控技術將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數(shù)控[4]。

圖2 數(shù)控機床發(fā)展歷程及重要拐點[4]

1.3數(shù)控機床關鍵和核心技術的發(fā)展演進

1.3.1數(shù)控機床結構

機床結構主要包括兩大部分：機床的各固定部分(如底座、床身、立柱、頭架等)、攜帶工件和刀具的運動部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機床基礎件和功能部件。 以常見的車削和銑削為例，典型的數(shù)控機床結構演進過程如圖3所示。數(shù)控車削機床結構從早期的2軸進給平床身、2軸進給斜床身等經典結構，發(fā)展到4軸進給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉體類零件高效率車削的加工中心結構，進一步發(fā)展為可適應復雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one )”的多功能車銑復合加工中心結構。數(shù)控銑削加工機床結構從早期主要實現(xiàn)坐標軸聯(lián)動和主軸運動功能的經典立/臥式銑床結構，發(fā)展到帶刀庫和自動換刀機構的3軸聯(lián)動立/臥式銑削加工中心結構、帶交換工作臺的立/臥式銑削加工中心結構，為滿足復雜結構件高效率加工需求，又出現(xiàn)了4軸聯(lián)動和5軸聯(lián)動的銑削加工中心結構，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合加工中心結構得到快速發(fā)展和應用。在5軸聯(lián)動發(fā)展過程中，來自于機器人的并聯(lián)虛擬軸概念被引入到數(shù)控機床，出現(xiàn)了并聯(lián)或串并聯(lián)結合5軸聯(lián)動的形式，但實際應用有限。當前，在同一臺數(shù)控機床上實現(xiàn)“增材加工＋切削加工”功能的增減材混合加工新型結構機床已經進入實用化發(fā)展階段。 在數(shù)控機床結構發(fā)展演進過程中，數(shù)控機床結構布局(配置方案、優(yōu)化設計)和材料選用等方面的技術也不斷進步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩(wěn)定性、長壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對機床結構的要求，研究者們先后提出了重心驅動(DCG )設計、箱中箱(BIB )、直接驅動(DDT )、熱平衡設計與補償、全對稱結構設計等設計原則和技術;在機床結構設計和優(yōu)化中應用了零部件整體結構有限元分析優(yōu)化、輕量化設計、結構拓撲優(yōu)化、仿生結構優(yōu)化等方法;采用虛擬機床理念和方法，大大縮短了數(shù)控機床設計制造周期。數(shù)控機床床身結構材料從以鑄鐵、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、碳纖維復合材料、泡沫金屬等新型結構材料也已有應用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結構和新型制造工藝方法將使數(shù)控機床結構更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性[5-6]。

圖3 機床主機結構的演進

1.3.2主軸和進給伺服驅動技術

主軸的作用是帶動刀(磨)具(鉆削/銑削/磨削)或工件(車削)按給定速度旋轉，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上實現(xiàn)材料去除。數(shù)控機床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調速的交流電動機經主軸箱傳動的機械式主軸、電動機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]。 機床進給軸的伺服驅動方式從步進電機、電液比例伺服、晶閘管變流和 PWM 控制的直流電動機伺服等形式，發(fā)展到現(xiàn)在成為主流的矢量控制交流電動機伺服、雙電機重心驅動、直線電動機/力矩電動機直接驅動等形式，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，為各坐標軸進給提供高速度、高精度、高動態(tài)響應的運動控制。此外，伺服控制模式從模擬量控制，經過“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，如串行實時通信協(xié)議總線、實時以太網(wǎng)控制自動化技術總線、過程現(xiàn)場總線等[8]。 主軸和進給伺服軸驅動技術的發(fā)展演進如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機床主軸和伺服驅動方式的發(fā)展演進

1.3.3數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機床控制的中樞，如前所述，數(shù)控裝置緊隨電子技術、計算機技術、信息技術的發(fā)展而演變進化，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，實用性差。第4代為采用小型電子數(shù)字計算機的CNC裝置，相對于前幾代，其硬件平臺結構緊湊、專用性強、可靠性大大提高，數(shù)控技術進入到計算機數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機床真正地進入到實用階段并加快了迭代和發(fā)展，此即為數(shù)控機床發(fā)展的第1個拐點，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用作其硬件平臺，進一步減小了硬件體積，降低了成本，但其硬件結構的兼容性和開放性較差。20世紀80年代，第6代數(shù)控裝置中采用了個人微型計算機(PC)，帶來了數(shù)控機床發(fā)展的第2個拐點。借用PC成熟的軟/硬件平臺、豐富的應用資源和通用的網(wǎng)絡化接口等特點，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉向以軟件算法實現(xiàn)各種功能，即進入到開放式、網(wǎng)絡化和軟件化數(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)控裝置及智能機床正在向我們走來，這將給數(shù)控技術發(fā)展帶來一個新拐點，甚至可能帶來一次新的革命。

圖5 數(shù)控裝置的演進

1.3.4多軸聯(lián)動與軌跡插補技術

多軸聯(lián)動控制技術是數(shù)控機床控制的核心技術之一。數(shù)控機床各進給軸(包括直線坐標進給軸和回轉坐標進給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時運動稱為多軸聯(lián)動控制。高檔數(shù)控機床一般都具有3軸或3軸以上聯(lián)動控制功能，多為4軸聯(lián)動或5軸聯(lián)動。各個進給坐標軸的運動一般由電動機在伺服驅動器控制下實現(xiàn)，因此，高性能的坐標軸進給伺服裝置構成了實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制的物理基礎。多軸聯(lián)動控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運動軌跡(即走刀軌跡)，通過軌跡插補和實時控制，在每個伺服控制周期給出各個聯(lián)動坐標軸的運動增量，實時控制所有坐標軸的聯(lián)動。 軌跡插補也是數(shù)控機床控制的核心技術之一。實現(xiàn)插補運算的裝置(或軟件模塊)稱為插補器，現(xiàn)代數(shù)控機床普遍采用數(shù)字計算機通過軟件實現(xiàn)軌跡插補。軌跡插補技術的發(fā)展過程如圖6所示。從實現(xiàn)的插補功能角度來看，2軸聯(lián)動的平面點位控制、平面直線和圓弧插補是最簡單的插補功能;2．5軸聯(lián)動插補實際上只有2軸聯(lián)動控制，其第3軸只能實現(xiàn)與另外2軸非聯(lián)動的控制，這樣的聯(lián)動插補方式可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應性差;3軸聯(lián)動插補除了實現(xiàn)平面和空間的直線插補、圓弧插補功能外，高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補、拋物線插補等功能;5 軸聯(lián)動插補可高效方便地實現(xiàn)各種復雜曲線和曲面插補的功能，并進一步發(fā)展樣條插補和先進的速度、加速度、加速度變化率(Jerk )等控制功能，是高速度、高精度、高動態(tài)響應加工的核心技術。筆者認為，未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補功能(SDI )，并可望與基于人工智能和數(shù)字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結合，在考慮多軸聯(lián)動動力學模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實現(xiàn)由3D模型驅動的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動直接插補。

圖6 多軸聯(lián)動插補技術

1.4加工效率和加工精度的進展

先進制造技術的不斷進步及應用大大縮短了加工時間，提高了加工效率，圖 7a 是被廣為引用的一個曲線圖[9]，表示了先進制造技術發(fā)展與加工時間(效率)的進展情況。從發(fā)展趨勢來看，一方面，從1960年到2020年，制造生產中總的加工時間(包括切削時間、輔助時間和準備時間)減少到原加工時間的16％，即加工效率顯著提升;另一方面，“切削時間 輔助時間 準備時間”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)化改進和提高自動化程度，還需要從生產管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的角度，有效縮短待工時間。圖7b是20世紀80年代Taniguchi (谷口)給出的至2020年不同機床可達到的加工精度預測[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床(或裝備)技術的發(fā)展帶來了加工精度的持續(xù)提高，但機械加工領域不同于集成電路制造領域，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個月增加1倍)，其精度提升是一個長時間技術累積和不斷迭代的過程(例如：精密加工提高 1個精度數(shù)量級的時間超過20年)。

圖7 加工效率和加工精度的進展

2我國數(shù)控機床發(fā)展概況

2.1我國數(shù)控機床發(fā)展的產業(yè)基礎

2.1.1機床工業(yè)的萌芽階段

從洋務運動到新中國建立前，中國機床工業(yè)處于萌芽階段。 19 世紀洋務運動期間，曾國藩“訪募覃思之士、智巧之匠”，“覓制器之器與制器之人”。1863年容閎受曾國藩委派，歷時兩年從美國采購了第1 批機床設備，開始將西方現(xiàn)代機床工具引入中國。隨后，江南機器制造總局自制出一批機床。到20世紀上半葉陸續(xù)建立了重慶機床廠、長沙機床廠、中央機器廠等一批機床廠，20世紀40年代，東北、上海、江浙等地又建立了一批機床制造企業(yè)，后來成長為沈陽三機、上海機床、濟南一機、南京機床、無錫機床等國內知名的機床廠[11]。

2.1.2機床工業(yè)奠基和大規(guī)模建設階段

從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規(guī)模建設階段。 1949年新中國成立后，中國機床工業(yè)開始進入快速發(fā)展時期。“一五”時期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導下，第一機械工業(yè)部(簡稱“一機部”)按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè)，還建立了以北京金屬切削機床研究所(北京機床研究所的前身)為代表的被稱為“七所一院”的一批機床工具研究機構。到1957年，一機部直屬企業(yè)在機床、工具、磨料磨具和機床附件方面的產品產量都占全國的 90％以上。相關產品產量的國內自給率達 80％左右。機床工具工業(yè)成為一個獨立的工業(yè)部門，為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎，這一時期是中國機床工業(yè)的奠基階段。 1958~1978年期間，中國機床工業(yè)進入大規(guī)模建設階段。60年代初期開展了高精度精密機床戰(zhàn)役，通過攻關累計掌握5類26種高精度精密機床技術，機床精度、質量和工藝水平普遍提高。60年代中期開始的“三線建設”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個機床工具企業(yè)，改善了行業(yè)的地區(qū)布局，其中，為中國第二汽車制造廠(以下簡稱“二汽”)提供成套設備成為集機床工具行業(yè)技術能力和展示其發(fā)展水平的又一個全行業(yè)性大“戰(zhàn)役”，大大提升了行業(yè)技術水平和能力。與此同時，國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機床，以滿足國民經濟建設之所需。

2.2我國數(shù)控機床發(fā)展歷程

我國機床產業(yè)經過了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臺國產數(shù)控機床研制成功，由此開始了數(shù)控機床的發(fā)展歷程，如圖8所示，這個歷程可以劃分為：初始發(fā)展階段、持續(xù)攻關和產業(yè)化發(fā)展階段、高速發(fā)展和轉型升級階段。

圖8 我國數(shù)控機床發(fā)展歷程

2.2.1初始發(fā)展階段——相對封閉的技術研發(fā)

在我國機床工業(yè)尚處在奠基發(fā)展的時期，美國于1952 年研制出了世界上第1臺3軸聯(lián)動數(shù)字控制銑床，機床開始向數(shù)控化發(fā)展。1958年北京第一機床廠與清華大學合作研發(fā)出了中國第1臺數(shù)控銑床，僅比世界第1臺數(shù)控機床晚6年。到1972年我國能提供數(shù)控線切割機、非圓插齒機和劈錐銑等少數(shù)品種的數(shù)控機床產品。從第1臺國產數(shù)控機床研制成功到20世紀70年代中期，我國的數(shù)控機床處于初期技術研究探索階段，只進行了少量產品試制工作，尚未全面開展數(shù)控機床關鍵技術攻關研究和工業(yè)化開發(fā)生產。70年代中后期，全面啟動了數(shù)控機床研制生產工作，1975年齊齊哈爾第二機床廠完成了國產第1臺數(shù)控龍門式銑床的研制。由于受到當時國內外形勢限制，缺乏與先進工業(yè)國家的技術交流，彼此數(shù)控機床技術的研究開發(fā)基本上處于封閉的狀態(tài)。 可以說，中國數(shù)控機床最早的研制工作幾乎是與世界同步的，雖然起步較早，但初期數(shù)控機床技術研究和產業(yè)發(fā)展基本上處于一種封閉狀態(tài)，從1958年到1978年改革開放前，數(shù)控機床關鍵技術研究開發(fā)及產業(yè)發(fā)展緩慢。相對于美、日和歐洲先進工業(yè)國家在70年代末和80年代初就已實現(xiàn)了機床產品的數(shù)控化升級換代，我國的機床數(shù)控化進程到70年代末才剛剛開始，并且這一升級換代過程歷經了多重曲折困難，直到30多年后，機床工業(yè)的產品數(shù)控化升級換代才得以全面實現(xiàn)[12]。

2.2.2持續(xù)攻關和產業(yè)化發(fā)展階段——初步建立產業(yè)體系并推進產業(yè)化

1978年后，隨著國家的改革開放，我國數(shù)控機床進入一個新的發(fā)展時期。80年代初期，通過引進數(shù)控系統(tǒng)、機床主機技術，并與國外公司聯(lián)合設計，我國開始研制和生產數(shù)控機床，例如：青海第一機床廠根據(jù)機械工業(yè)部安排與日本FANUC合作，研制成功國內第1臺臥式數(shù)控加工中心XH754 (1980年);北京機床研究所與北京第三機床廠合作研制成功國內首個 JCS-FMC-1/2臥/立式加工柔性單元，北京機床所與日本FANUC合作研發(fā)的我國第1條回轉體加工柔性制造系統(tǒng)投入生產;南京機床廠與德國TRAUB公司合作生產TND360數(shù)控車床，成批量應用于生產;北京航空航天大學研制的國內首臺微型計算機數(shù)控系統(tǒng) CNC-4D 成批量成功應用于航空企業(yè)XK5040銑床的數(shù)控化改造(1983年)。“六五”期間(1981~ 1985 )，對數(shù)控機床采用直接從國外“引進技術”的方式，通過許可證貿易、合作生產、購進樣機等方式，引進數(shù)控機床及相關技術183項，開發(fā)出數(shù)控機床新品種81種，累計可供品種達113種，這成為我國數(shù)控機床從展品、樣機走向商品的一個分水嶺。 “七五”期間(1986~1990 )，國家安排了數(shù)控機床科技攻關專題和以引進技術“消化吸收”為主要內容的“數(shù)控一條龍”項目，包括5種機床主機和3種數(shù)控系統(tǒng)的消化吸收國產化。 “八五”期間(1991~1995 )，以“自主開發(fā)”為重點支持國產數(shù)控系統(tǒng)的技術攻關和產品開發(fā)，成功開發(fā)出了具有當時國際先進技術水平的中華Ⅰ型 (北京珠峰公司和北京航空航天大學聯(lián)合開發(fā))，華中Ⅰ型(武漢華中數(shù)控)和藍天Ⅰ型(沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心)等高檔數(shù)控系統(tǒng)。 “九五”期間(1996~2000 )，以推進數(shù)控機床“產業(yè)化”為重點，在技術方面基于工業(yè) PC 平臺的普及型數(shù)控系統(tǒng)開始走向實用，并且攻克了開放式網(wǎng)絡化多通道多軸聯(lián)動技術;在產品方面，重點發(fā)展數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、數(shù)控電加工機床、數(shù)控鍛壓機床和數(shù)控重型機床等6大類產品，形成主機批量生產能力和關鍵配套能力，到2000年，我國數(shù)控機床品種達1500種，還研發(fā)出了5軸聯(lián)動數(shù)控加工中心并投入市場，但此期間機床工業(yè)的產值數(shù)控化率一直在 20％左右徘徊，產量數(shù)控化率不足 10％;在產業(yè)方面，國產數(shù)控機床面向市場競爭的產業(yè)化發(fā)展步伐加快，開始進入市場競爭階段[13]。

2.2.3高速發(fā)展和轉型升級階段——數(shù)控技術快速普及和產品升級換代

“十五”期間(2001~2005 )，隨著 2002 年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機床進入高速發(fā)展時期，國產數(shù)控機床產量以超過30％的幅度逐年增長，國產5軸聯(lián)動加工中心和5面體龍門式加工中心為能源、汽車、航空航天等國家重點建設工程提供了關鍵裝備。這期間，在國家“863計劃”中還實施了“高精尖數(shù)控機床”重點專項，支持了航空、汽車等部分重點領域急需的高精尖數(shù)控裝備研制。 “十一五”期間(2006~2010 )，我國機床工業(yè)保持持續(xù)穩(wěn)定高速發(fā)展，2007 年沈陽機床和大連機床分別進入全球機床行業(yè)前 10 強。一方面，一批機床企業(yè)“走出去”，到發(fā)達國家進行技術并購，如沈陽機床在德國設立技術研發(fā)中心，大連機床、沈陽機床、北一機床分別并購 Ingersoll (美國)、Schiess (德國)和 Waldrich-Coburg (德國)等。另一方面，國內市場對中高檔數(shù)控機床需求急增，機床企業(yè)加大產品研發(fā)力度，“十一五”期間金屬切削機床中的數(shù)控機床產量達 72.8萬臺，與“十五”期間相比，增長 281％，產量數(shù)控化率從15％(2006 年)提高到30％( 2010年);一批民營數(shù)控機床企業(yè)開始快速發(fā)展，其產品在一些細分領域(如3C、汽車零部件和家電等)占有重要地位。從2009年開始，中國在金屬加工機床的生產、消費和進口三個方面均列世界第一，并保持到 2018年。2009年，國家出臺裝備制造業(yè)調整和振興規(guī)劃，啟動實施“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(以下簡稱“04 專項”)，聚焦航空航天、汽車以及船舶、發(fā)電領域對高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備的需求，進行重點支持。 “十二五”以來，總體來說國產數(shù)控機床市場競爭力不斷增強，在國內中低端數(shù)控機床市場已占有明顯優(yōu)勢。04專項對高檔數(shù)控機床技術和產業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動作用，加快了高檔數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的技術研發(fā)步伐，促進了機床企業(yè)與航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領域的用戶企業(yè)的結合;一批高檔數(shù)控機床(如車銑復合加工中心、大型龍門式 5 軸聯(lián)動加工中心、多主軸鏡像銑削機床等)實現(xiàn)了從“無”到“有”，并成功應用于重點領域和重點工程的實際生產;濟南二機床已有 9 條用于大型快速高效全自動沖壓生產線出口至福特汽車集團(美國)，并進一步拓展到日產汽車公司(日本)、標致雪鐵龍集團(法國)，進入國際市場;5 軸聯(lián)動數(shù)控機床精度測試“S試件”標準列入 ISO 標準，實現(xiàn)我國在國際高檔數(shù)控機床技術標準領域“零”的突破。2015年，國家全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，“高檔數(shù)控機床和機器人”等10大領域被列為重點。2016年，我國機床工業(yè)的產出數(shù)控化率和機床市場的消費數(shù)控化率均接近 80％ 的水平，基本實現(xiàn)了機床產品的數(shù)控化升級。我國數(shù)控機床產業(yè)在高速發(fā)展的同時，企業(yè)創(chuàng)新能力不足、核心技術缺失、專業(yè)人才不足、技術基礎薄弱和產業(yè)結構失衡等深層次問題也逐漸顯現(xiàn)，2019年國內機床行業(yè)兩大巨頭——大連機床和沈陽機床分別走向破產和重整，并被中國通用技術集團重組。與此同時，一批數(shù)控機床后起之秀異軍突起，以東部沿海地區(qū)為主形成了面向市場的數(shù)控機床產業(yè)聚集地區(qū)等[14]。

2.3“十八羅漢”機床企業(yè)變遷和04專項標志性成果

2.3.1“十八羅漢”變遷和民營機床企業(yè)快速發(fā)展

2.3.1.1 “一五”時期布局的“十八羅漢”骨干機床企業(yè) “一五”時期，我國由蘇聯(lián)及東歐國家援建了156項重點工程項目，其中涉及機床工業(yè)的項目有：新建沈陽第一機床廠和武漢重型機床廠、改建沈陽第二機床廠(即中捷友誼廠)，此外在蘇聯(lián)專家指導下，一機部按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè)，這些企業(yè)及其專業(yè)產品分工見表1。 在計劃經濟環(huán)境下，“十八羅漢”和“七所一院”快速建立了我國較完整的機床工具產業(yè)和科研體系，支撐了建國后直至1978年改革開放前我國的工業(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。近年來，“十八羅漢”經過多次改革，經營機制、管理體制、所有制結構都發(fā)生了很大變化。經過40多年發(fā)展變遷，曾經作為我國機床行業(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，如濟南二機床已發(fā)展為世界三大數(shù)控沖壓裝備制造商之一，同時還生產大重型金屬切削機床，成為“中國名牌”;一部分企業(yè)仍在改革調整之中，例如，沈陽機床、大連機床、齊二機床等已進入中國通用技術集團，并與集團下屬的北京機床研究所、哈爾濱量具刃具公司、天津一機床等共同組成了先進制造與技術服務主業(yè)中的機床板塊;少數(shù)企業(yè)已經破產不再經營，如長沙機床廠。2.3.1.2 機床工業(yè)后起之秀和產業(yè)聚集區(qū) 近10年來，一批民營數(shù)控機床企業(yè)異軍突起，在國內外市場產生重要影響，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)控機床行業(yè)國內外市場競爭中崛起的后起之秀，成為中國數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外，以市場和用戶需求為導向，東部沿海地區(qū)則形成了數(shù)控機床產業(yè)聚集區(qū)，如山東滕州中小機床之都、江蘇泰州特種加工機床基地、浙江溫嶺工量具機床名城、浙江玉環(huán)經濟型數(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)控機床市場繁榮帶來了新鮮的活力和特色。

表1 “一五”時期布局的機床行業(yè)“十八羅漢”

2.3.204 專項標志性成果和關鍵裝備

04專項于2009年啟動實施，“十一五”期間，通過支持8大類、57種主機產品部署課題任務，重點解決“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線的研發(fā);“十三五”期間，進一步重點聚焦航空航天、汽車兩大領域，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、加工效率與工藝水平提升等問題?？傮w上，專項課題部署覆蓋了實施方案確定的重點任務，涵蓋了重點領域急需的關鍵制造裝備，部分先進企業(yè)在專項實施過程中充分了解用戶需求，由此催生出一批關鍵制造裝備，具備了一定的國際競爭實力[15]。 在04專項支持下研制了一批高檔數(shù)控機床和基礎制造裝備，標志性裝備及相關技術成果如下[15-17]：(1 )航空領域大型關鍵成套制造裝備。成功研制一批典型航空結構件加工所需的切削/成形裝備，如8萬噸( 800MN )大型模鍛壓力機、龍門及臥式5軸聯(lián)動加工中心、大型翻板臥式加工中心、復合材料鋪帶機和鋪絲機等，填補了國內空白，實現(xiàn)了進口替代。(2 )運載火箭大型特種制造裝備。多主軸鏡像銑削加工機床、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、自動化鉚接裝備等制造裝備得到示范應用，掌握了核心關鍵技術，實現(xiàn)了自主可控，為載人航天、空間站工程和新一代運載火箭提供了有力支撐。(3 )汽車大型快速高效全自動沖壓生產線。形成了“汽車車身大型快速高效全自動沖壓生產線”等優(yōu)勢技術和產品，裝備了國內幾乎所有自主品牌、合資品牌的汽車企業(yè)，國內市場占有率達70％以上，國際市場占有率達30％，徹底擺脫了國產汽車高檔沖壓設備主要依賴進口的局面。(4 )動力總成(汽車發(fā)動機)關鍵加工裝備。面向動力總成的關鍵加工裝備精密臥式加工中心實現(xiàn)100％數(shù)字化設計，突破了熱誤差綜合補償技術，可靠性大幅提升，國產數(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、超重型立式車銑復合加工中心、重型橋式龍門 5軸聯(lián)動車銑復合機床等，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)控立柱移動立式銑車機床、大型組合式曲軸車銑復合機床，解決了國家重大工程急需，填補國內空白，我國船舶用高檔數(shù)控重型機床已可滿足船舶自主化制造的需求。(7 )光學元件超精密關鍵制造裝備。突破了超精密制造機床關鍵技術，研制出主要技術指標達到國際先進水平的一批超精密加工關鍵裝備，構建直接應用于國家重大光學工程的 3 條示范生產線，完成國家重大工程所需的典型光學元件試制。(8 )高檔數(shù)控機床成套裝備。成功研制出箱體類零件加工 FMC50 柔性制造單元、航天發(fā)動機關重件 FMS 生產線、高壓油泵驅動單元凸輪軸智能生產線、汽車自動變速器齒輪(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、五軸機床鋁合金肋板類臥式加工生產線等，在航空航天、汽車等領域實現(xiàn)應用。(9 )高檔數(shù)控系統(tǒng)。多通道、多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)關鍵技術指標達到國際主流產品技術水平，功能與之相當，可靠性有效提升，打破國外數(shù)控系統(tǒng)產品一統(tǒng)天下的局面，實現(xiàn)了在航空航天重點企業(yè)的批量示范應用。(10 )高檔數(shù)控機床功能部件及配套體系。高速、高精、重載滾珠絲杠和直線導軌產品性能及市場占有率均明顯提高，功能部件配套體系逐步完善。(11 )關鍵領域所需成套刀具及成套裝備。工具行業(yè)技術水平明顯提升，研發(fā)能力和產業(yè)化能力明顯增強，在航空和汽車行業(yè)基本具備刀具整體配套能力。

3數(shù)控機床領域國際競爭態(tài)勢

3.1數(shù)控機床企業(yè)、產業(yè)規(guī)模和區(qū)域結構

3.1.1全球數(shù)控機床產業(yè)概況

根據(jù)賽迪顧問|2019年數(shù)控機床產業(yè)數(shù)據(jù)給出的數(shù)據(jù)和圖表[18](相關詳情可通過掃描本文OSID 碼獲得)可以知道，2019年規(guī)模排名全球前10位的數(shù)控機床制造商都來自于日本、德國和美國三個國家，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4家：通快(No.2 )、 DMGMORI (No.3 )、格勞博集團(No.8 )、埃馬克(No.10 );(3 )美國2家：馬格(No.4 )、哈斯(No.9 )。 2017~2019 年全球數(shù)控機床產業(yè)總規(guī)模持續(xù)增長，2019年的總規(guī)模達到1492億美元，但增長率連續(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)財富商業(yè)洞察( FortuneBusinessInsight )的預測，2020~2027年全球機床 產業(yè)的復合年增長率(CAGR )為4.5％[19]。 從產業(yè)結構來看，按產品類型細分，2019年數(shù)控機床產業(yè)規(guī)律如下：數(shù)控金屬切削機床 783.3億美元(占比52.5％)，數(shù)控金屬成形機床 420.7億美元(占比28.2％)，數(shù)控特種加工機床265.6億美元(占比17.8％ )，其他 22.4 億美元(占比1.5％)。 全球數(shù)控機床產業(yè)主要集中在亞洲、歐盟、美洲三大區(qū)域，其中，中國、日本和德國是機床的主要生產國家，其區(qū)域結構分布為：日本32.1％、中國31.5％、德國17.2％、美國6.3％、意大利5.2％、韓國4.2％、其他3.5％。

3.1.22019 年中國數(shù)控機床規(guī)模與結構及進出口情況

根據(jù)賽迪顧問|2019年數(shù)控機床產業(yè)數(shù)據(jù)[18]，2019年中國數(shù)控機床產業(yè)總規(guī)模達3270億元，相比于2018年，總規(guī)模從多年的全球第一退居為第二，位于日本之后，出現(xiàn)了2.3％ 的負增長。同時，2019年數(shù)控金屬切削機床和數(shù)控金屬成形機床進口額均有所降低，同比下降分別為30.6％和約2.5％，但出口額均有所增加，同比增幅分別為9.0％和約16.4％。 從細分產業(yè)方面看，2019年數(shù)控金屬切削機床產業(yè)規(guī)模1739.6億元，占比達到 53.2％;數(shù)控金屬成形機床產業(yè)規(guī)模932億元，占比28.5％;數(shù)控特種加工機床產業(yè)規(guī)模 549.4億 元，占比16.8％;其他數(shù)控機床產業(yè)規(guī)模49億元，占比1.5％。 從區(qū)域產業(yè)規(guī)模和結構看，華東地區(qū)產業(yè)規(guī)模位居第一，約為1805.0億元，產業(yè)規(guī)模占比達到55.2％。中南和東北地區(qū)分列第二和第三，占比為19.1％和11.9％。

3.2先進工業(yè)國家的數(shù)控機床企業(yè)及技術狀況

3.2.1日本數(shù)控機床產業(yè)及技術概況

日本在機床工業(yè)尤其是在高檔數(shù)控機床領域處于全球領先地位，整體實力位于世界第一，擁有一批著名的機床企業(yè)和品牌，如山崎馬扎克、天田、大隈、森精機、捷太科特、牧野、三菱重工、沙迪克等，日本的機床企業(yè)眾多，技術領先。下面列出部分日本數(shù)控機床企業(yè)及技術特點：(1 )日本精工(NSK )——軸承為其核心產品，并可全套開發(fā)及提供機床功能部件產品(如滾珠絲桿、直線導軌、電主軸等)，產業(yè)規(guī)模位居日本第1、全球第 3。可生產 D m n 值(軸承內外圈平均直徑 D m×最高轉速 n )高達3 000 000m·r / min的滾動軸承及其配套的高速機床主軸(主軸轉速可達50 000r / min)。服務于汽車零部件、精密機械組件、電子應用等。(2 )山崎馬扎克(YAMAZAKI MAZAK )——主要產品有數(shù)控車床、復合車銑加工中心、立式加工中心、臥式加工中心、激光系統(tǒng)、FMS、CAD、CAM、CNC裝置和生產支持軟件等，產品以高速高精復合著稱。(3 )新日本工機(SNK )——專業(yè)生產大型龍門加工中心、車床、專機等，用于制造船舶引擎、客機主翼等大型部件，如其生產的5軸龍門精密鏜銑床大量用于發(fā)達國家航空工業(yè)。(4 )捷太科特(JTEKT )——生產超精密自由曲面金剛石加工機床，精度達較高水平(定位精度30nm 、表面粗糙度Ra＝1nm )，可用于光學模具超精密車削及研磨。(5 )沙迪克(SODICK )——代表性產品是納米級精度慢走絲電火花加工機床，還推出了世界首臺“混合式水刀＋線切割”機床。(6 )天田(AMADA )———數(shù)控沖床、折彎機、剪板機、激光切割等設備，其模具、備件、切削產品在該領域居全球市場No.1 (占比70％)地位。(7 )岡本(OKAMOTO )——生產世界最大龍門式平面磨床，可變靜壓導軌系統(tǒng)，拋光大尺寸半導體元件。(8 )大隈(OKUMA )——堅持從數(shù)控機床的核心部件(驅動器/編碼器/馬達/主軸等)到 NC操作系統(tǒng)到終端全部自主開發(fā)。(9 )牧野(MAKINO )——創(chuàng)造了日本機床的多個“No.1”，以立臥式加工中心、電加工機床(EDM )、磨床等為主打產品，服務于模具、汽車、航空、航天等行業(yè)。

3.2.2德國數(shù)控機床企業(yè)及技術狀況

德國是全球制造業(yè)大國及強國，尤其在機床工業(yè)領域擁有獨特的優(yōu)勢，經過上百年的積淀，產生了一批聞名全球的機床制造企業(yè)。部分知名企業(yè)和產品情況如下：(1 )德瑪吉-森精機( DMG Mori )——擁有德國的德爾克、馬豪、吉特邁三大著名品牌，后又與日本森精機聯(lián)合，是全球領先和最大的金屬切削機床制造商，包括機床、服務及軟件解決方案，提供獨具特色的 CELOS 數(shù)字化生產管理和控制系統(tǒng)。(2 )通快( Trumpf )——工業(yè)激光領域技術及市場全球領導者，生產各類激光器、激光加工機床以及數(shù)控沖裁和折彎機床等。(3 )格勞博( Grob )——主要產品有各種機床、生產系統(tǒng)或切削線裝配單元、全自動裝配線，擅長發(fā)動機零部件整線交鑰匙工程，強調工藝/技術/資源/文化全球集成。(4 )?，斂? Emag )——工藝技術全面完善，提供加工盤類/軸/齒輪/箱體類加工機床和生產系統(tǒng)、激光焊接機等。倒立式機床獨具一格。(5 )舒勒( Schuler )——1852年即開始生產金屬加工機床，是金屬成形業(yè)的全球領先者，提供機床、生產線、自動化技術及相關服務，也為航空航天和鐵路提供解決方案。(6 )斯來福臨( Korber Schleifring )——平面及成形磨、內外圓磨和工具磨機床，廣泛用于航空航天、汽車及其零部件、重工業(yè)等領域(已給全球提供了超過10萬臺磨床，其中中國 6000臺)。(7 )因代克斯( Index )——1914年開始生產塔式自動車床，1975年生產多主軸自動車床。1992年推出了新一代模塊化部件的車銑復合中心。(8 )哈默( Hermle )——中小型五軸精密加工領域專家，5軸高速立式加工中心技術國際領先，在德國本土中小型模具5軸機床市場占有率第1，已經有超過1.7萬臺哈默生產的萬能銑床和加工中心在全世界使用。

3.2.3其他歐洲國家的數(shù)控機床企業(yè)及技術狀況

瑞士、法國、意大利等歐洲國家在工業(yè)化發(fā)展過程中也產生了不少擁有技術優(yōu)勢和專長的機床企業(yè)，尤其是在面向細分領域的高精度和專業(yè)化機床及其整體解決方案方面，具有非常強的競爭力，這些企業(yè)包括：(1 )瑞士威力銘-馬科黛爾( Willemin-Macodel SA )——產品以立式和龍門式鉆銑加工中心為主，主軸轉速可達 80 000r / min ，軌跡精度2μm。(2 )瑞士托諾斯( Tornos )——主要生產高精度微型/小型零件加工機床、復合機床等，采用陶瓷主軸/雙主軸方案，具備主動切屑清除功能。(3 )瑞士 GF -米克朗( GF MiKron )——專業(yè)生產大型龍門加工中心、車床、專機等，用于制造船舶引擎、客機主翼等大型部件，如5軸龍門精密鏜銑床。(4 )瑞士斯達拉格-?？铺? Starrag Heckert )——銑削/車削/鏜削/研磨等工藝方法用于金屬、復合材料、陶瓷等加工的高精度機床領軍企業(yè)，在航空發(fā)動機渦輪/葉片/結構件加工方面獨具特色，近年還收購了以生產航空結構件加工用虛擬軸數(shù)控機床 ECOSpeed/EcoForce 而知名的德國DST公司。(5 )瑞士利吉特( Liechti )——葉片加工解決方案全球領先，特別是專為航空發(fā)動機、燃氣輪機的葉盤、葉片復雜曲面提供高速數(shù)控機床和專用CAD / CAM 軟件。(6 )奧地利WFL——專注于多功能完整加工中心的制造商，開發(fā)的車銑復合加工中心廣泛應用于航空航天、交通等領域。(7 )意大利法拉利( Ferrari )——專注于航空發(fā)動機、汽車領域復雜曲面零件加工機床，提供自動上下料的 5 軸聯(lián)動葉片加工中心、葉片加工專用 CAM 軟件。(8 )法國弗瑞斯特-里內( Forest Line )——專注于用于航空航天大型結構件加工的 5 軸龍門式加工中心和復合材料構件鋪絲、鋪帶機床。

4數(shù)控機床領域國內外對比分析

4.1數(shù)控機床產業(yè)的一些特點

數(shù)控機床在現(xiàn)代工業(yè)中是具有基礎性、復雜性和戰(zhàn)略性的物資，數(shù)控機床(特別是高檔數(shù)控機床)在產業(yè)和技術方面有如下一些特點：(1 )技術密集、迭代積累。數(shù)控機床是一類將機械、電氣、液壓、控制、硬件、軟件、信息、網(wǎng)絡、傳感等多學科、多專業(yè)的技術高度集成于一個實物載體的產品，技術高度密集，需要長期積累和迭代。(2 )工藝細分、品種繁多。涉及切削加工，成形加工，特種加工等不同的類別和工藝，工藝劃分較細，產品類別及型號繁多。(3 )市場量小、利潤較低。機床行業(yè)往往只是其服務的終端產品行業(yè)(如汽車、工程機械、飛機制造等)規(guī)模的百分之幾，它提供制造工具類的產品，產品功能和性能要求高但利潤低。(4 )勞動密集、工匠精神。由于運動精度、動態(tài)性能要求高但市場規(guī)模小，故難以進行大批量自動化生產，需要大量具有工匠精神的技能型工人。(5 )資本疏離、隱性壟斷。雖然機床行業(yè)總體來說在全球是一個充分競爭的行業(yè)，但在高檔數(shù)控機床領域，先入者往往基于自身技術積累而建立起強大的市場競爭優(yōu)勢，具有隱性壟斷的特征，即在該領域市場機制是局部失靈的。對于后發(fā)的工業(yè)化國家，投資高檔數(shù)控機床產業(yè)風險很大，因此資本一般是疏離該領域的，需要依靠國家財政支持和產業(yè)政策傾斜。

4.2國內外對比分析

在綜合分析多方面的資料基礎上，本文從市場需求、決策管理、產品定位與服務、創(chuàng)新體系、核心技術、人才教育及產學研合作、研發(fā)投入、產業(yè)鏈及產業(yè)生態(tài)等方面，對中國、德國及瑞士等歐洲國家、日本進行了對比分析，具體情況如表2所示。

表2 數(shù)控機床領域國內外對比分析

5未來發(fā)展趨勢

在未來主要發(fā)展趨勢方面，筆者認為，數(shù)控機床技術呈現(xiàn)出高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化的發(fā)展趨勢，即：(1 )高性能。數(shù)控機床發(fā)展過程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生產效率和可靠性。未來數(shù)控機床將通過進一步優(yōu)化的整機結構、先進的控制系統(tǒng)和高效的數(shù)學算法等，實現(xiàn)復雜曲線曲面的高速高精直接插補和高動態(tài)響應的伺服控制;通過數(shù)字化虛擬仿真、優(yōu)化的靜動態(tài)剛度設計、熱穩(wěn)定性控制、在線動態(tài)補償?shù)燃夹g大幅度提高可靠性和精度保持性。( 2 )多功能。從不同切削加工工藝復合(如車銑、銑磨)向不同成形方法的組合(如增材制造、減材制造和等材制造等成形方法的組合或混合)，數(shù)控機床與機器人“機-機”融合與協(xié)同等方向發(fā)展;從“CAD-CAM-CNC ”的傳統(tǒng)串行工藝鏈向基于3D實體模型的“CAD＋CAM＋CNC集成”一步式加工方向發(fā)展;從“機-機”互聯(lián)的網(wǎng)絡化，向“人-機-物”互聯(lián)、邊緣/云計算支持的加工大數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展。(3 )定制化。根據(jù)用戶需求，在機床結構、系統(tǒng)配置、專業(yè)編程、切削刀具、在機測量等方面提供定制化開發(fā)，在加工工藝、切削參數(shù)、故障診斷、運行維護等方面提供定制化服務。模塊化設計、可重構配置、網(wǎng)絡化協(xié)同、軟件定義制造、可移動制造等技術將為實現(xiàn)定制化提供技術支撐。(4 )智能化。通過傳感器和標準通信接口，感知和獲取機床狀態(tài)和加工過程的信號及數(shù)據(jù)，通過變換處理、建模分析和數(shù)據(jù)挖掘對加工過程進行學習，形成支持最優(yōu)決策的信息和指令，實現(xiàn)對機床及加工過程的監(jiān)測、預報和控制，滿足優(yōu)質、高效、柔性和自適應加工的要求?！案兄?、互聯(lián)、學習、決策、自適應”將成為數(shù)控機床智能化的主要功能特征，加工大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)、數(shù)字孿生、邊緣計算/云計算、深度學習等將有力助推未來智能機床技術的發(fā)展與進步。(5 )綠色化。技術面向未來可持續(xù)發(fā)展的需求，具有生態(tài)友好的設計、輕量化的結構、節(jié)能環(huán)保的制造、最優(yōu)化能效管理、清潔切削技術、宜人化人機接口和產品全生命周期綠色化服務等。 切削機床是利用刀具或磨具通過機械能作用于工件，實現(xiàn)材料去除的各種工藝(如車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等)，其本質問題可以歸結為兩點，一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文開篇所述，機床1.0是以蒸汽動力直接給機床提供機械能以實現(xiàn)各種切削工藝，控制方式是手動控制;機床 2.0將電能轉換為機械能以驅動機床，并帶來數(shù)字控制機床的出現(xiàn)，控制方式是自動控制;機床 3.0則是計算機和信息技術帶來的計算機數(shù)控機床，它改變了機床控制方式和生產組織方式，使其數(shù)字化、網(wǎng)絡化。展望未來，機床4.0將面臨新的革命性變化，表現(xiàn)在一是材料去除過程直接所用的能量由以機械能為主變化為機械能、電能、光能、化學能等多種能場及其組合。二是能量使用的控制方式，一方面智能化控制是未來機床近期發(fā)展的最主要特征和趨勢，它使得機床更高(精度)、更快(效率)、更強(功能)、更省(綠色);另一方面，即將出現(xiàn)的量子計算和量子計算機，就如同當年電子計算機給數(shù)控機床帶來革命性跨越一樣，重新定義一代數(shù)控機床，催生出全新原理和全新概念的數(shù)控機床和生產過程。 “工欲善其事，必先利其器”。機床作為工作母機，為工業(yè)革命和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了制造工具和方法;未來工業(yè)發(fā)展和人類文明進步，仍然離不開各種機床(當今主要是各種數(shù)控機床)的支撐和促進。展望未來，新的一輪工業(yè)革命給數(shù)控機床的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)和機遇，先進制造技術與新一代信息技術及新一代人工智能融合，也給數(shù)控機床的技術創(chuàng)新、產品換代和產業(yè)升級提供了技術支撐，數(shù)控機床將走向高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化，并擁抱未來的量子計算新技術，為新的工業(yè)革命和人類文明進步提供更強大、更便利和更有效的制造工具。