数控机床和数控技术的发展及未来趋势
【摘 要】数控机床和数控技术的发展对一个国家的制造工业有着极其关键的影响。由于近年来我国对数控技术发展的高度重视，这一技术取得了非常大的进步，但相对于先进发达国家的技术水平，国内的技术还需要进一步提高。本文主要从国内外数控机床和技术的现状和发展趋势，介绍了数控机床和数控技术的性能特点。
【关键词】数控技术;发展趋势;性能特点
在工业国家，科学技术和生产力主要是体现在制造业中。人们的衣食住行、办公生活的各个方面都与制造业息息相关。制造行业作为各行各业的基础和生产力的一种表现形式，对于综合国力和国际地位的提高有着至关重要的地位。在高新技术生产和尖端的工业制造中，数控机床和数控技术是最重要的生产设备和技术[1]。在制造业发达的工业国家，数控技术及其设备被列为国家的战略物资，并且在“高精尖”的数控关键技术上，对我国实行封锁和限制政策。因此，对数控技术的大力发展，提高工业制造水平俨然成为我国加速发展经济，提升综合国力的重要途径。
1 数控机床和数控技术的产生
随着社会的发展与制造业对生产设备要求的不断提高，数控机床作为一种以数字指令形式控制机床运行的新型加工设备应运而生。其发展历程大致如下：1940年，位于美国密歇根州的一家飞机制造企业为了加工飞机的叶片，对生产设备的加工轨迹进行设计，并进行了数据的分析处理，这是早期的数控思想的萌芽。1948年，美国首先提出使用脉冲信号对机床的运动轨迹进行控制，并于1952年由Parsons公司和M.I.T合作，率先研制出世界上的第一台数控机床。它采用的是电子管元件，体积庞大。但作为世界上的第一台综合计算机、自动控制、伺服驱动以及测量技术等新型机床，开辟了数字化加工的新时代。1959年，数控机床的硬件发生改变，晶体管元件和印刷电路板取代了之前的电子管元件和硬接线板，机床的体积大大缩小，并且在这一时期出现了带有自动换刀装置的数控机床（加工中心），数控机床进入另一个时代。1965年小规模的集成电路应用于数控装置，不仅使机床的体积更小、能耗低、可靠性高，而且价格也更低，这促进了数控机床的产量发展。19世纪60年代末期，出现了多台机床由一台计算机直接控制的系统（DNC），以及使用小型计算机控制数控系统的形式（CNC），使数控机床进入采用小型计算机控制的第四代。1974年，出现了第五代数控系统，它是使用微处理器和半导体存贮器的数控系统（MNC）。
数控技术近几十年的发展历程可以分为硬件数控（NC）和软件数控（CNC）两个阶段。硬件数控阶段主要从1952年的电子管到1965年的小规模集成电路，由于其数控功能均由硬件实现，因此称为硬件数控;软件数控是指1970年以后，数控系统由小型计算机到微处理器，再到基于PC机的几个阶段。
2 数控机床和数控技术的发展现状
2.1 国内发展现状
我国在数控技术这一块起步和发展都相对铰慢，20世纪50年代末期经历了封闭式开发阶段，“六五”、“七五”期间是引进技术和消化吸收阶段，“八五”、“九五”分别经历了国产化和产业化阶段，如今已初步形成自己的数控产业，并拥有自己的一批数控专业人才。目前国内数控技术企业做的比较成熟的有广州数控、华中数控等，它们主要的产品是经济型和普及型的数控机床和系统。但同时国内的数控产品比较低端，技术含量不高，产生的附加价值比较低，还远远比不上国外的先进设备，因此只能在低端市场徘徊。国内数控技术的研究主要是参照国外开发的一些模式，比较依赖国外的技术，自主创新的成分不多。技术引进无疑是提高技术水平的一种很好的方式，但是过分依赖，以及创新很少的情况极大的限制了我国数控技术发展。因此，提高自主创新能力是提高我国数控技术的最重要的途径。另外，在企业竞争的大环境中，由于国内的法律法规对知识产权的保护做的还不够好，各种仿制山寨大行其道，这也大大降低了企业提高自主创新的动力。相对于国外数控机床，国内产品有几点不足[2]：1）产品可靠性不高：国产数控系统的平均无故障时间大约为3000～6000小时，而国外产品的平均无故障时间能够达到10000小时以上。这种可靠性的差异必然导致产品的价值和市场占有率的偏低。2）网络化程度不够：国内机床NC程序的传送主要采用串口通讯，其集成化、远程诊断和网络化水平还较低。3）体系结构开放性不够：数控系统的体系结构不够开放，用户无法根据实际需要，改变数控系统数据结构，这使得数控系统失去了很多改进、技术创新的机会。
2.2 国外发展现状
在数控技术比较发达的国家，数控机床产家生产的数控系统已经采用64位的操作系统，而国内产家由于技术水平还跟不上技术发达国家，数控机床通常使用32位的操作系统，这使得国内机床在性能和功能上的不足很明显。在国外，数控机床如加工中心或者数控车削中心，都能够满足复杂零件的加工要求和精度要求。其强大的地方体现在机床一般具有4～5轴联动，能够一次装夹即实现整个的复杂零件的全部加工[3]。通过编程，能够进行主轴立、卧转换，而且转换后的主轴能够实现自动换刀，5轴联动机床能够轻松的完成六面体中五个面的加工，而一些带有自动定位和装夹功能的数控机床甚至能够完成六个面的全部加工（如德玛吉加工中心）。
随着数控技术的不断发展，国外的数控机床和系统总体的发展趋势有：1）数控系统朝PC化和开放性的体系方向发展;2）驱动装置的供电系统由直流电向交流电发展;3）越来越趋于网络化的通信功能;4）控制系统的智能化和柔性化。
3 数控技术的发展趋势
在现代化的制造系统中，数控技术作为关键技术，在生产的过程中，特别是精密仪器和设备的生产中起着至关重要的作用。数控技术领域的覆盖面很广，如机械制造、信息处理、传输技术、自动控制技术、传感技术、伺服驱动技术和软件技术等。从目前数控技术发展的大环境来看，其研究方向可以从几个方面来进行描述。
3.1 高速高精化
在生产过程中，高速切削一方面能够提高生产效率，另一方面还可以降低表面粗糙度，提高产品的表面加工质量，因此生产高速高精化的数控机床也是数控技术的重要发展趋势。高速加工要求机床的主轴转速能够达到12000～40000r/min;工作台的最大进给速度能够达到40～60m/min;关键的机械零部件具有高刚度和高稳定性;精确的热补偿加工系统;以及能够高速处理数据的控制系统。
3.2 开放智能化
数控机床的开放性研究是目前很多国家都非常感兴趣的方向，如美国的NGC、日本的OSEC和欧洲的OSACA，以及我们国内的ONC等都有做这方面的研究。数控机床的开放性是指能够实现在同一个运行平台上，面对产商和终端用户，通过修改数控机床的数据结构，将用户的特殊要求和应用集成于控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控机床的个性化和专业化。一般而言，机床的开放性应该具备以下特点[4]：1）由一系列逻辑上独立的要素组成;2）建立并提供系统各个构成要素与系统接口之间的标准，这样来自不同的产商的系统能够构成一个完整的数控系统;3）能够动态改变系统的拓扑结构;4）能够实现与其他自动化系统模块的交互;5）良好的人机界面。
智能化的要求体现在数控系统的各个方面，如提高加工效率与质量的智能化，体现在加工过程的自适应控制，工艺参数的自动生成;简化编程与操作方面的智能化体现在机床能够自动编程;还有机床故障诊断与监控方面的智能化能够缩短机床的诊断和维护时间等。
3.3 节能环保化
制造业作为工业国家的支柱产业，产生巨大经济效益的同时也消耗了大量的能源，并且对环境造成重大的影响[5]。美国能源部的调查结果表明，美国能源消耗的31%来源于制造业生产的工业活动中[6]。节能减排是全世界都在研究的热点，因此，研究更低能耗的数控机床也是未来机床研究的一个重要方向。
机械加工过程中使用切削液进行冷却，而切削液一般由多种化学原料制成，使用切削液的加工不但增加生产的经济成本，还会造成环境的污染。随着可持续发展战略的提出和人们越来越强的环保意识，绿色机械加工成为制造领域的新焦点[7]。绿色机械加工主要包括三个方面：1）高速与超高速干式切削，具有低能耗、无污染的特点;2）研制对环境无污染的绿色切削液;3）在高速与超高速干式切削过程中使用无污染或低污染的冷却润滑技术。
4 结束语
数控加工技术对于制造业的重要性不言而喻，其对一国经济、国防、综合实力和国际地位的推动作用是十分突出的。目前我国的制造行业还落后于发达国家，需要对机械制造技术特别是数控加工技术的深入研究，在引进技术的同时也要积极创新，摆脱对发达国家数控技术的依赖，自主研发具有世界先进水平的数控机床。实现由制造大国到制造强国的战略转变。
【参考文献】
[1]中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼[J].世界制造技术与装备市场，2001（3）：18-20.
[2]杨建武.国内外数控技术的发展现状与趋势[J].制造技术与机床，2008（12）：57-62.
[3]杨贺来.数控机床[M].北京：清华大学出版社，2009.
[4]陆大玮，楼上游.数控机床开放性的分析与研究[J].机械工业标准与质量，2008（11）：44-46.
[5]刘飞，王秋莲.机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势[J].中国机械工程，2013，24（11）：1550-1556.
[6]U.S.Energy Information Admin.Annual Energy Review 2011[R].DOE/EIA-0384（2011）.Washington D.C.2011：3-4.
[7]王君，丁飞彪.浅谈绿色机械加工技术的应用与发展[J].科技与企业，2013（4）：258-259.
[责任编辑：许丽]