刘强 | 数控机床发展历程及未来趋势1

引言：制造机器的机器

机床( machine tools )是指用来制造机器的机器，又被称为“工作母机”或“工具机”。早在15世纪就已出现了早期的机床，1774年英国人威尔金森发明的一种炮筒镗床被认为是世界上第1台真正意义上的机床，它解决了瓦特蒸汽机的气缸加工问题。至18世纪，各种类型机床相继出现并快速发展，如螺纹车床、龙门式机床、卧式铣床、滚齿机等，为工业革命和建立现代工业奠定了制造工具的基础。1952年，世界上第1台数字控制(numerical control，NC )机床在美国麻省理工学院问世，标志着机床数控时代的开始。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(computerized 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，传统上通常将数控机床分为数控金属切削机床、数控金属成形机床两大类。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，矿物铸件已扩展到复合材料、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，又可将数控机床划分为经济型、中档(或普及型)和高档三类。当前对高档数控机床尚无明确、统一的定义，笔者认为：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。高档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。

数控机床进化史

机床作为“工作母机“，全程伴随了工业化的发展。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点。如图 1 所示，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-physical machine )/云解决方案(机床 4.0 )演化发展。

图1 工业化与机床进化史

而数控机床发展历程，则经历了几个重要拐点。

1952 年世界第 1 台数控机床在美国麻省理工学院研制成功，矿物铸件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 技术就使得机床与电子、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(图2)。

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)走向了计算机数字控制(CNC)，数控机床也开始进入实际工业生产应用。

PC机的发展，给数控机床技术带来了第二个拐点。矿物铸件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(personal computer，PC)，使得过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件)，走向了通用的PC化计算机数控。与此同时，开放式结构的CNC系统也应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，在此基础上，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，数控机床的第三个拐点开始变得清晰起来。智能化数控技术也开始萌芽，矿物铸件当前随着新一代信息技术和新一代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。