數控技術以其高效柔性化和加工精度穩(wěn)定的特點已成為一項應用廣泛的先進制造技術，它的深化發(fā)展將促進數控機床性能和質量的進一步提升，為國民經濟和國防建設發(fā)展提供優(yōu)異、適用的基礎制造設備。

　　從1999年起中國數控金切機床（簡稱數控機床）產量一直保持較高增長速度，至2005年7年內平均年增長超過35%，2004年產量為51860臺，同比年增長飆升至40.8%，處于“十五”期末的2005年增幅雖回落至15%，但產量仍高達59636臺，與1980年的600臺產量相比，25年間數控機床的產量已增至100倍。2005年數控機床的消費量86000余臺，同比年增長約15%。數控機床消費金額達64.3億美元，同比年增長16.3%。2006年為“十一五”起始年，數控機床產銷呈現出高開高走的良好態(tài)勢，預計增幅將超過25%。

　　但是另一方面，進口數控機床數量也在逐年增加，而且進口數控機床金額的增長趨勢更快。2005年數控機床的進口數量同比年增長僅1%，而進口金額的增長卻達11%，從而導致國產數控機床在國內市場消費額中的所占比例仍僅30%左右。這一現象的主要原因在于，國內市場對技術和附加值高的高效精密數控機床和高性能大重型數控機床需求增長，要依靠進口解決。

　　本文將在分析中國數控機床持續(xù)平穩(wěn)快速發(fā)展形成原因的基礎上，探討所面臨的挑戰(zhàn)，并從振興中國數控機床市場占有率的角度著重于剖析數控機床及由其組成的制造系統(tǒng)（生產線）的技術現況及發(fā)展趨勢，并初步探討使其能適應變批量、多品種、高效優(yōu)質、低成本以及具有快速響應的柔性的技術創(chuàng)新道路。


一、數控機床市場發(fā)展的動力剖析

　　促進中國數控機床市場發(fā)展的條件是國內經濟建設的平穩(wěn)快速增長和進入ＷＴＯ參與全球化市場競爭的大環(huán)境。中國已成為制造大國，并在政策和“十一五”規(guī)劃引導下正向著具有創(chuàng)新活力的制造強國邁進。為此將從國內制造業(yè)發(fā)展需求拉動和產業(yè)投資拉動兩方面來分析數控機床持續(xù)快速增長的一些內在原因。

隨著機床工作精度的提高以及近凈成形技術的發(fā)展替代了一般表面的加工，預期至2020年微米級（0.001mm）加工精度技術將替代目前量大面廣的道級（0.01mm）加工精度，成為加工領域的主流技術。超精密加工機床加工精度也將由亞微米（0.1μm）級、深亞微米（0.01μm）級提升至納米級，同時迅速擴大其在制造業(yè)中的應用范圍。

2. 推進以高效為目標的全面高速化

　　與精度的持續(xù)提升一樣，高速化加工已從單一的高速切削發(fā)展到全面高速化。不僅要縮短切削時間，也要力求降低輔助時間和技術準備時間。即除了提高主軸轉速和進給速度外，還要提高快移速度與加（減）速度，縮短主軸起動、制動時間，減少刀具自動交換時間與工件托盤自動交換時間等，來減少輔助時間并通過生產信息集成管理和規(guī)劃以及CAM等來進一步縮短技術準備時間。

　　對現有數控機床使用情況統(tǒng)計得出：其機床利用率（有效切削時間與全部工時之比）僅為25-35%，其余的75-65%均消耗在機床調整、程序運行檢查、空行程、起制動空運轉、工件上下料和裝夾等輔助時間以及待工時間（由于技術準備和調度不及時引起的非工作時間）與故障停機時間上。因此需通過提高各軸快移速度和加（減）速度、主軸變速的角加（減）速度、刀具（工件）自動交換速度，改善數控系統(tǒng)的操作方便性和監(jiān)控功能以及加強信息管理，才有可能全面壓縮輔助時間和減少待工時間，使數控機床的切削時間利用率達到60%~80%。

　　在推進加工制造過程全面高速化發(fā)展中，下列三項技術發(fā)揮了重要的作用：

　　(1)電主軸技術：它包括內裝電機結構、驅動控制和雙面過定位刀柄結構等，保證主軸實現大功率、高轉速運行。

　　(2)直接驅動技術：它包括由直線電機驅動線性軸運動和由力矩電機直接驅動回轉軸運動，它們的無摩擦、“零中間傳動件”提高了快速運動的加速性和平穩(wěn)性。

　　(3)高速高精數字化控制技術：它是用于抑制或消除由于高速化所引起跟蹤誤差、熱誤差和顫振等負面影響的先進控制技術。

3. 復合加工機床向產品多樣化發(fā)展

　　多功能復合加工機床簡稱復合機床（Complex Machine Tool），或稱多功能加工（Multi-Functional Machining ）或完全加工（Complete Machining或End to End Machining）機床。

　　復合機床的含義是在一臺機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工。復合機床根據其結構特點，可以分為如下兩類：

　　(1)跨加工類別的復合機床，如車銑中心、銑車中心、激光銑削加工機床等。

　　(2)多面多軸聯(lián)動加工的復合機床。

　　增加數控機床的復合加工功能將進一步提高其工序集中度，不僅可減少多工序加工零件的上下料時間，而且更主要地可避免零件在不同機床上進行工序轉換而增加的工序間輸送和等待的時間，尤其在未組成有效的生產線的條件下，這種工序間的等待時間將遠遠地超過零件在機床上的工作時間，從而延長了零件的生產周期。

　　復合數控機床則具有良好的工藝適用性，避免了在制品的儲存和傳輸等環(huán)節(jié)，有力地支持了準時制造（JIT），因此對它的研發(fā)已被給予極大的關注。復合數控機床呈現出多樣性的創(chuàng)新結構。

4. 加強工藝適用性

　　通過對機床布局和結構的創(chuàng)新，使對不同類型的零件有最佳的加工適用性。因為隨著機械產品的性能優(yōu)化和輕量化，其零件和構件的形狀、尺寸和精度呈現多樣性，很難用少數幾種標準的、通用的機床結構來最佳地滿足多方面的工藝要求。

　　這種“個性化”結構趨向雖有為了產品競爭需要的因素，但更主要的是體現了如何能更好地適應用戶的需求。尤其對一些批量生產的零件，更希望有最佳工藝適用性的專門化數控機床。

　　要解決品種多樣化與經濟性的矛盾，這就對機床的模塊化設計提出了更高的要求，近年來對并聯(lián)機構機床和混聯(lián)機構機床的研究以及對可重構機床（Reconfigurable Machine Tool，簡稱RMT）技術的探索，反映了對制造裝備能更方便地實現個性化、多樣化發(fā)展的一個追求。

5. 敏捷制造系統(tǒng)

　　柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元(FMC)作為一種高生產率的多品種自動化生產系統(tǒng)，于上世紀70年代初開始研制，于80年代得到很大的發(fā)展。到90年代初由于大批量生產的制造業(yè)如汽車工業(yè)產品更新加快，出現了多品種生產的需求，要求自動線柔性化，發(fā)展了用數控機床構建的柔性生產線（FML），由此也推動了結構簡約的高速化數控機床的發(fā)展。

回顧近10年來制造系統(tǒng)的發(fā)展歷程，基本上遵循以下兩個方向：

(1)增強制造系統(tǒng)的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速響應能力。

(2)發(fā)展具有能兼顧柔性、高效、低成本和高質量且便于功能重組的新型的可重構制造系統(tǒng)（RMS）。

6. 完善配套裝置和功能部件的品種與質量

　　除了數控系統(tǒng)和伺服驅動裝置外，關鍵的功能部件如電主軸、刀具自動交換系統(tǒng)、滾動導軌副、滾動絲杠驅動副、雙擺主軸頭、雙擺回轉臺和自動轉位刀塔等在國外均有一些著名的專業(yè)化生產廠，這對保證產品質量，增長整機的可靠性和降低成本起著重要的作用。

　　數控系統(tǒng)的可靠性仍在繼續(xù)增長，如FANUC公司的數控系統(tǒng)在90年代達到月故障率0.008，相當于平均無故障時間125個月（約40000小時以上），對保證整機可靠性起著重要的作用。

四、數控機床的技術創(chuàng)新探討

　　在數控機床的核心技術和共性技術支撐下，研發(fā)功能適用、性能優(yōu)異的功能部件，并應用整機優(yōu)化與集成技術以及優(yōu)良的制造技術才能生產出具有競爭能力的高品質機床。圖5示出數控機床5項核心技術和2項共性技術。核心技術的創(chuàng)新將是提升產品技術含量的關鍵，共性技術的創(chuàng)新將是推進產品質量增長的保障。圖中還示出了數控機床在關鍵技術、功能部件技術和整機優(yōu)化技術的三個層次的構架。

技術創(chuàng)新策略有以下五個方面：

　　1) 適應數字化制造的發(fā)展，作為主要制造裝備的數控機床和系統(tǒng)，需具有如下（FIS）3的特性。即：
3F：柔性化（Flexibility）、聯(lián)盟化（Federalization）、新穎化（Fashion）；
3I：集成化（Integration）、信息化（Information）、智能化（Intelligence）；
3S：系統(tǒng)化（System）、軟件化（Software）、個性化（Speciality）。

　　2）數控機床及其制造系統(tǒng)的三個主要發(fā)展方向

·  以全面高速化為先導，推進μ級工程，發(fā)展高性能高可靠性功能部件，提高數控機床綜合性能，研發(fā)適應汽車工業(yè)等需要的高效精密機床；

·  發(fā)展復合功能數控機床、縮短過程鏈，適應單件、中小批生產的高效柔性制造；

·  研究基于生產線布局和制造裝備可重構的快速制造系統(tǒng)是大批量生產的最佳方案。

　　3）建立明確的可靠性增長目標

　　采取精心的簡約結構設計、通過可靠性測評實驗，確定薄弱環(huán)節(jié)和改進措施，重視選購高品質配套件、嚴格控制制造質量，發(fā)展人機友好操作界面以及加強維護和注重維修故障分析，將有利于數控機床可靠性的增長，使MTBF≥500h。

　　4）數控機床的加工精度持續(xù)提升

根據市場的需求進行持續(xù)提升，要注意精度與高效、高速及經濟性的協(xié)調發(fā)展。超精密微細加工呈現出應用領域擴大趨勢。

　　5）當前宜加強研究和發(fā)展下列數控機床及其組成的成套制造系統(tǒng)