1.1
工業化進程和機床進化史
18 世紀的工業革命后，機床隨著不同的工業時代發展而進化并呈現出各個時代的技術特點。如圖 1 所示，對應于工業 1.0~ 工業 4.0 時代，機床從機械驅動/手工操作(機床 1.0 )、電力驅動/數字控制(機床 2.0 )發展到計算機數字控制(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 )演化發展[2] 。
1.2
數控機床發展歷程特點及幾個重要拐點
1.3
數控機床關鍵和核心技術的發展演進
1.3.1
數控機床結構
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，典型的數控機床結構演進過程如圖3所示。數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。數控銑削加工機床結構從早期主要實現坐標軸聯動和主軸運動功能的經典立/臥式銑床結構，發展到帶刀庫和自動換刀機構的3軸聯動立/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，又出現了4軸聯動和5軸聯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展和應用。在5軸聯動發展過程中，來自于機器人的并聯虛擬軸概念被引入到數控機床，出現了并聯或串并聯結合5軸聯動的形式，但實際應用有限。當前，在同一臺數控機床上實現“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展階段。
在數控機床結構發展演進過程中，數控機床結構布局(配置方案、優化設計)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化中應用了零部件整體結構有限元分析優化、輕量化設計、結構拓撲優化、仿生結構優化等方法;采用虛擬機床理念和方法，大大縮短了數控機床設計制造周期。數控機床床身結構材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發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、新型優化結構和新型制造工藝方法將使數控機床結構更加輕量化，并具有更好的靜動態剛度和穩定性[5-6]。
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)具在工件上實現材料去除。數控機床主軸的發展過程中出現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，發展到現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、速度環、電流環和“前饋＋濾波”的全閉環控制，為各坐標軸進給提供高速度、高精度、高動態響應的運動控制。此外，伺服控制模式從模擬量控制，經過“模擬量＋數字量”混合控制模式，發展為全數字式現場工業總線控制模式，如串行實時通信協議總線、實時以太網控制自動化技術總線、過程現場總線等[8]。
主軸和進給伺服軸驅動技術的發展演進如圖4 所示。
1.3.3
數控裝置
數控裝置是數控機床控制的中樞，如前所述，數控裝置緊隨電子技術、計算機技術、信息技術的發展而演變進化，其發展過程可分為7代(圖5 )，第1、2、3代是分別采用電子管分立元件、晶體管、集成電路的數控裝置，處于數控裝置發展初期，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，數控技術進入到計算機數控的新軌道，從而使數控機床真正地進入到實用階段并加快了迭代和發展，此即為數控機床發展的第1個拐點，直接數控(DNC)、柔性制造系統(FMS)等概念和系統相繼出現。隨著超大規模集成電路微型中央處理器技術成熟，第5代數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代數控裝置中采用了個人微型計算機(PC)，帶來了數控機床發展的第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絡化接口等特點，數控裝置的研究開發轉向以軟件算法實現各種功能，即進入到開放式、網絡化和軟件化數控階段。隨著工業 4.0 發展，融合智能傳感、物聯網/工業互聯網、大數據、云計算、人工智能、數字孿生和賽博物理系統的第7代智能數控裝置及智能機床正在向我們走來，這將給數控技術發展帶來一個新拐點，甚至可能帶來一次新的革命。
1.3.4
多軸聯動與軌跡插補技術
多軸聯動控制技術是數控機床控制的核心技術之一。數控機床各進給軸(包括直線坐標進給軸和回轉坐標進給軸)在數控裝置控制下按照程序指令同時運動稱為多軸聯動控制。高檔數控機床一般都具有3軸或3軸以上聯動控制功能，多為4軸聯動或5軸聯動。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，因此，高性能的坐標軸進給伺服裝置構成了實現多軸聯動控制的物理基礎。多軸聯動控制就是根據數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動坐標軸的運動增量，實時控制所有坐標軸的聯動。
軌跡插補也是數控機床控制的核心技術之一。實現插補運算的裝置(或軟件模塊)稱為插補器，現代數控機床普遍采用數字計算機通過軟件實現軌跡插補。軌跡插補技術的發展過程如圖6所示。從實現的插補功能角度來看，2軸聯動的平面點位控制、平面直線和圓弧插補是最簡單的插補功能;2．5軸聯動插補實際上只有2軸聯動控制，其第3軸只能實現與另外2軸非聯動的控制，這樣的聯動插補方式可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應性差;3軸聯動插補除了實現平面和空間的直線插補、圓弧插補功能外，高檔數控系統還具有螺旋線插補、拋物線插補等功能;5 軸聯動插補可高效方便地實現各種復雜曲線和曲面插補的功能，并進一步發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、高動態響應加工的核心技術。筆者認為，未來的數控裝置還將發展自由曲面直接插補功能(SDI )，并可望與基于人工智能和數字孿生的走刀軌跡規劃相結合，在考慮多軸聯動動力學模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實現由3D模型驅動的刀軌生成和最優控制的多軸聯動直接插補。
1.4
加工效率和加工精度的進展
2.1
我國數控機床發展的產業基礎
2.1.1
機床工業的萌芽階段
從洋務運動到新中國建立前，中國機床工業處于萌芽階段。
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，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]。
從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機床工業發展可分為奠基階段和大規模建設階段。
1949年新中國成立后，中國機床工業開始進入快速發展時期。“一五”時期(1953~1957 )，在蘇聯專家指導下，第一機械工業部(簡稱“一機部”)按專業分工規劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業，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。機床工具工業成為一個獨立的工業部門，為后續發展奠定了基礎，這一時期是中國機床工業的奠基階段。
1958~1978年期間，中國機床工業進入大規模建設階段。60年代初期開展了高精度精密機床戰役，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，由老廠老所遷建、包建了33個機床工具企業，改善了行業的地區布局，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技術能力和展示其發展水平的又一個全行業性大“戰役”，大大提升了行業技術水平和能力。與此同時，國家大力支持發展大型、重型和超重型機床，以滿足國民經濟建設之所需。
2.2
我國數控機床發展歷程
2.2.1
初始發展階段——相對封閉的技術研發
在我國機床工業尚處在奠基發展的時期，美國于1952 年研制出了世界上第1臺3軸聯動數字控制銑床，機床開始向數控化發展。1958年北京第一機床廠與清華大學合作研發出了中國第1臺數控銑床，僅比世界第1臺數控機床晚6年。到1972年我國能提供數控線切割機、非圓插齒機和劈錐銑等少數品種的數控機床產品。從第1臺國產數控機床研制成功到20世紀70年代中期，我國的數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，尚未全面開展數控機床關鍵技術攻關研究和工業化開發生產。70年代中后期，全面啟動了數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，缺乏與先進工業國家的技術交流，彼此數控機床技術的研究開發基本上處于封閉的狀態。
可以說，中國數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，但初期數控機床技術研究和產業發展基本上處于一種封閉狀態，從1958年到1978年改革開放前，數控機床關鍵技術研究開發及產業發展緩慢。相對于美、日和歐洲先進工業國家在70年代末和80年代初就已實現了機床產品的數控化升級換代，我國的機床數控化進程到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，機床工業的產品數控化升級換代才得以全面實現[12]。2.2.2
持續攻關和產業化發展階段——初步建立產業體系并推進產業化
1978年后，隨著國家的改革開放，我國數控機床進入一個新的發展時期。80年代初期，通過引進數控系統、機床主機技術，并與國外公司聯合設計，我國開始研制和生產數控機床，例如：青海第一機床廠根據機械工業部安排與日本FANUC合作，研制成功國內第1臺臥式數控加工中心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合作研發的我國第1條回轉體加工柔性制造系統投入生產;南京機床廠與德國TRAUB公司合作生產TND360數控車床，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控系統 CNC-4D 成批量成功應用于航空企業XK5040銑床的數控化改造(1983年)。“六五”期間(1981~ 1985 )，對數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，引進數控機床及相關技術183項，開發出數控機床新品種81種，累計可供品種達113種，這成為我國數控機床從展品、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“數控一條龍”項目，包括5種機床主機和3種數控系統的消化吸收國產化。
“八五”期間(1991~1995 )，以“自主開發”為重點支持國產數控系統的技術攻關和產品開發，成功開發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合開發)，華中Ⅰ型(武漢華中數控)和藍天Ⅰ型(沈陽高檔數控國家工程研究中心)等高檔數控系統。
“九五”期間(1996~2000 )，以推進數控機床“產業化”為重點，在技術方面基于工業 PC 平臺的普及型數控系統開始走向實用，并且攻克了開放式網絡化多通道多軸聯動技術;在產品方面，重點發展數控車床、加工中心、數控磨床、數控電加工機床、數控鍛壓機床和數控重型機床等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，我國數控機床品種達1500種，還研發出了5軸聯動數控加工中心并投入市場，但此期間機床工業的產值數控化率一直在 20％左右徘徊，產量數控化率不足 10％;在產業方面，國產數控機床面向市場競爭的產業化發展步伐加快，開始進入市場競爭階段[13]。
2.2.3
高速發展和轉型升級階段——數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，我國數控機床進入高速發展時期，國產數控機床產量以超過30％的幅度逐年增長，國產5軸聯動加工中心和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控裝備研制。
“十一五”期間(2006~2010 )，我國機床工業保持持續穩定高速發展，2007 年沈陽機床和大連機床分別進入全球機床行業前 10 強。一方面，一批機床企業“走出去”，到發達國家進行技術并購，如沈陽機床在德國設立技術研發中心，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控機床需求急增，機床企業加大產品研發力度，“十一五”期間金屬切削機床中的數控機床產量達 72.8萬臺，與“十五”期間相比，增長 281％，產量數控化率從15％(2006 年)提高到30％( 2010年);一批民營數控機床企業開始快速發展，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«裝備制造業調整和振興規劃»，啟動實施“高檔數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、發電領域對高檔數控機床與基礎制造裝備的需求，進行重點支持。
“十二五”以來，總體來說國產數控機床市場競爭力不斷增強，在國內中低端數控機床市場已占有明顯優勢。04專項對高檔數控機床技術和產業發展發揮了重要推動作用，加快了高檔數控機床、數控系統和功能部件的技術研發步伐，促進了機床企業與航空航天、汽車、船舶和發電等領域的用戶企業的結合;一批高檔數控機床(如車銑復合加工中心、大型龍門式 5 軸聯動加工中心、多主軸鏡像銑削機床等)實現了從“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 軸聯動數控機床精度測試“S試件”標準列入 ISO 標準，實現我國在國際高檔數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略，“高檔數控機床和機器人”等10大領域被列為重點。2016年，我國機床工業的產出數控化率和機床市場的消費數控化率均接近 80％ 的水平，基本實現了機床產品的數控化升級。我國數控機床產業在高速發展的同時，企業創新能力不足、核心技術缺失、專業人才不足、技術基礎薄弱和產業結構失衡等深層次問題也逐漸顯現，2019年國內機床行業兩大巨頭——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，一批數控機床后起之秀異軍突起，以東部沿海地區為主形成了面向市場的數控機床產業聚集地區等[14]。
2.3
“十八羅漢”機床企業變遷和04專項標志性成果
2.3.1
“十八羅漢”變遷和民營機床企業快速發展
2.3.1.1 “一五”時期布局的“十八羅漢”骨干機床企業
“一五”時期，我國由蘇聯及東歐國家援建了156項重點工程項目，其中涉及機床工業的項目有：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)，此外在蘇聯專家指導下，一機部按專業分工規劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業，這些企業及其專業產品分工見表1。
在計劃經濟環境下，“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化發展，并為改革開放后制造業的快速發展奠定了基礎。近年來，“十八羅漢”經過多次改革，經營機制、管理體制、所有制結構都發生了很大變化。經過40多年發展變遷，曾經作為我國機床行業主力軍的“十八羅漢”企業中，一部分改革創新穩定發展，如濟南二機床已發展為世界三大數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中的機床板塊;少數企業已經破產不再經營，如長沙機床廠。
2.3.1.2 機床工業后起之秀和產業聚集區
近10年來，一批民營數控機床企業異軍突起，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、紐威數控(蘇州)、寧波海天精工、武漢華中數控、廣州數控等，它們是在數控機床行業國內外市場競爭中崛起的后起之秀，成為中國數控機床產業發展新的有生力量。另外，以市場和用戶需求為導向，東部沿海地區則形成了數控機床產業聚集區，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、浙江玉環經濟型數控車床之都、浙江寧波模具之都、安徽博望刃具之鄉等，它們為數控機床市場繁榮帶來了新鮮的活力和特色。
2.3.2
04 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，聚焦高檔數控系統、功能部件及成套裝備和生產線的研發;“十三五”期間，進一步重點聚焦航空航天、汽車兩大領域，著力攻克數控系統與功能部件、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。總體上，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，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100％數字化設計，突破了熱誤差綜合補償技術，可靠性大幅提升，國產數控系統和主要功能部件配套率顯著提高。
(5 )發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)數字制造工藝裝備鏈、螺紋/螺桿數字制造工藝裝備鏈、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、汽車等領域實現應用。
(9 )高檔數控系統。多通道、多軸聯動數控系統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，打破國外數控系統產品一統天下的局面，實現了在航空航天重點企業的批量示范應用。
(10 )高檔數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。工具行業技術水平明顯提升，研發能力和產業化能力明顯增強，在航空和汽車行業基本具備刀具整體配套能力。
