數控機床發展史
摘要
“科學技術是第壹生產力”已成為當今社會發展中至高無上的真理，誰能夠掌握最前沿、最先進的科學技術，誰就能夠在發展中取得主動權，取得巨大的突破與成就。
而以數控技術為核心的先進制造技術更是反映壹個國家綜合國力的重要標誌之壹。
本文主要介紹了數控機床的定義、發展階段及歷史、世界機床強國及我國的機床發展情況，並對數控機床的未來發展方向作了簡要描述，說明數控機床在當今社會發展中的重要性。
通過搜查相關資料，加深了我對機械專業尤其是數控機床的了解，同時明確了當今社會機電壹體化的發展潮流和未來的深造方向。
關鍵字 發展史 機床強國 發展趨勢
壹、 名詞說明
數控，即數字控制（Numerial Control，簡寫為NC）。
數控技術，即NC技術，是指用數字化信息（數字量及字符）發出指令並實現自動控制的技術。
是近代發展起來的壹種自動控制技術。
目前，數控技術已經成為現代制造技術的基礎支撐，數控技術和數控裝備是制造工業現代化的重要基礎。
這個基礎是否牢固直接影響到壹個國家的經濟發展和綜合國力，關系到壹個國家的戰略地位。
因此，世界上個工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業。
數控機床（Numerial Control Machine Tools）是指采用數字控制技術對機床加工過程進行自動控制的壹類機床。
國際信息處理聯盟第五次技術委員會對數控機床作的定義是：“數控機床是壹個裝有程序控制系統的機床，該系統能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他編碼指令規定的程序。”它是集現代機械制造技術、自動控制技術及計算機信息技術於壹體，采用數控裝置或計算機來部分或全部地取代壹般通用機床在加工零件時的各種動作（如啟動、加工順序、改變切削量、主軸變速、選擇刀具、冷卻液開停以及停車等）的人工控制，是高效率、高精度、高柔性和高自動化的光、機、電壹體化的數控設備。
二、 數控系統發展階段
1946年誕生了世界上第壹臺電子計算機，這表明人類創造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。
它與人類在農業、工業社會中創造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。
6年後，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第壹臺數控機床。
從此，傳統機床產生了質的變化。
近半個世紀以來，數控系統經歷了兩個階段和六代的發展。
1、數控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。
人們不得不采用數字邏輯電路“搭”成壹臺機床專用計算機作為數控系統，被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）。
隨著元器件的發展，這個階段歷經了三代，即1952年的第壹代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規模集成電路。
2、計算機數控（CNC）階段（1970年～現在）
到1970年，通用小型計算機業已出現並成批生產。
於是將它移植過來作為數控系統的核心部件，從此進入了計算機數控（CNC）階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。
到1971年，美國INTEL公司在世界上第壹次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規模集成電路技術集成在壹塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用於數控系統。
這是因為小型計算機功能太強，控制壹臺機床能力有富裕（故當時曾用於控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經濟合理。
而且當時的小型機可靠性也不理想。
早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。
由於微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發展到很高的階段，可以滿足作為數控系統核心部件的要求。
數控系統從此進入了基於PC的階段。
總之，計算機數控階段也經歷了三代。
即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基於PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數控（NC）。
所以我們日常講的"數控"，實質上已是指“計算機數控”了。
三、數控機床發展史
20世紀中期，隨著電子技術的發展，自動信息處理、數據處理以及電子計算機的出現，給自動化技術帶來了新的概念，用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，推動了機床自動化的發展。
采用數字技術進行機械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的壹個小型飛機工業承包商派爾遜斯公司（ParsonsCorporation）實現的。
他們在制造飛機的框架及直升飛機的轉動機翼時，利用全數字電子計算機對機翼加工路徑進行數據處理，並考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達到±0.0381mm（±0.0015in），達到了當時的最高水平。
1952年，麻省理工學院在壹臺立式銑床上，裝上了壹套試驗性的數控系統，成功地實現了同時控制三軸的運動。
這臺數控機床被大家稱為世界上第壹臺數控機床。
這臺機床是壹臺試驗性機床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎上，第壹臺工業用的數控機床由美國本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生產出來。
在此以後，從1960年開始，其他壹些工業國家，如德國、日本都陸續開發、生產及使用了數控機床。
數控機床中最初出現並獲得使用的是數控銑床，因為數控機床能夠解決普通機床難於勝任的、需要進行輪廓加工的曲線或曲面零件。
然而，由於當時的數控系統采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除了在軍事部門使用外，在其他行業沒有得到推廣使用。
到了1960年以後，點位控制的數控機床得到了迅速的發展。
因為點位控制的數控系統比起輪廓控制的數控系統要簡單得多。
因此，數控銑床、沖床、坐標鏜床大量發展，據統計資料表明，到1966年實際使用的約6000臺數控機床中，85%是點位控制的機床。
數控機床的發展中，值得壹提的是加工中心。
這是壹種具有自動換刀裝置的數控機床，它能實現工件壹次裝卡而進行多工序的加工。
這種產品最初是在1959年3月，由美國卡耐&特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）開發出來的。
這種機床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，根據穿孔帶的指令自動選擇刀具，並通過機械手將刀具裝在主軸上，對工件進行加工。
它可縮短機床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。
加工中心現在已經成為數控機床中壹種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用於箱體零件加工的鏜銑類加工中心，還有用於回轉整體零件加工的車削中心、磨削中心等。
1967年，英國首先把幾臺數控機床連接成具有柔性的加工系統，這就是所謂的柔性制造系統（Flexible Manufacturing System&mdash——FMS）之後，美、歐、日等也相繼進行開發及應用。
1974年以後，隨著微電子技術的迅速發展，微處理器直接用於數控機床，使數控的軟件功能加強，發展成計算機數字控制機床（簡稱為CNC機床），進壹步推動了數控機床的普及應用和大力發展。
80年代，國際上出現了1～4臺加工中心或車削中心為主體，再配上工件自動裝卸和監控檢驗裝置的柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell——FMC）。
這種單元投資少，見效快，既可單獨長時間少人看管運行，也可集成到FMS或更高級的集成制造系統中使用。
目前，FMS也從切削加工向板材冷作、焊接、裝配等領域擴展，從中小批量加工向大批量加工發展。
所以機床數控技術，被認為是現代機械自動化的基礎技術。
四、世界強國及我國的數控機床發展狀況
美、德、日三國是當今世上在數控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經驗最多的國家。
因其社會條件不同，各有特點。
美國：機床開發以基礎科研為主
美國的特點是， *** 重視機床工業，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發展方向、科研任務,並且提供充足的經費，且網羅世界人才，特別講究效率和創新，註重基礎科研。
因而在機床技術上不斷創新，如1952年研制出世界第壹臺數控機床、1958年創制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創開放式數控系統等。
由於美國首先結合汽車、軸承生產需求，充分發展了大量大批生產自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術在世界上領先，因此其數控機床的主機設計、制造及數控系統基礎紮實，且壹貫重視科研和創新，故其高性能數控機床技術在世界也壹直領先。
當今美國不僅生產宇航等使用的高性能數控機床，也為中小企業生產廉價實用的數控機床。
如Haas、Fadal公司等。
美國在發展數控機床上存在的教訓是，偏重於基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀80代 *** 壹度放松了引導，致使數控機床產量增加緩慢，於1982年被後進的日本超過，並大量進口。
從90年代起，糾正過去偏向，數控機床技術上轉向實用，產量又逐漸上升。
德國：機床開發註重實用
德國 *** 壹貫重視機床工業的重要戰略地位，特別講究實際與實效，堅持以人為本，師徒相傳，不斷提高人員素質。
在發展大量大批生產自動化的基礎上，於1956年研制出第壹臺數控機床後壹直堅持實事求是的精神，不斷穩步前進。
德國特別註重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科研與應用技術科研並重。
企業與大學科研部門緊密合作，對用戶產品、加工工藝、機床布局結構、數控機床的***性與特性問題進行深入的研究，在質量上精益求精。
德國的數控機床質量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密數控機床。
德國特別重視數控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。
如西門子公司之數控系統和Heidenhain公司之精密光柵均為世界聞名，競相采用。
日本：機床開發先仿後創
日本 *** 對機床工業之發展異常重視，通過規劃、法規(如機振法、機電法、機信法等)提出日本數控機床行業的發展方向，並提供充足的研發經費，鼓勵科研機構和企業大力發展數控機床。
日本在重視人才及機床元部件配套上學習德國，在質量管理及數控機床技術上學習美國，並改進和發展了兩國的成果，並取得了很好的效果，甚至青出於藍而勝於藍。
日本也和美、德兩國相似，充分發展大量大批生產自動化，繼而全力發展中小批柔性生產自動化的數控機床。
自1958年研制出第壹臺數控機床後，1978年產量(7342臺)超過美國(5688臺)，至今產量、出口量壹直居世界首位(2001年產量46604臺，出口27409臺，占59%)。
戰略上先仿後創，先生產量大而廣的中檔數控機床，大量出口，占去世界廣大市場。
在上世紀80年代開始進壹步加強科研，向高性能數控機床發展。
在策略上，首先通過學習美國全面質量管理變為職工自覺全體活動，保產品質量，進而加速發展電子、計算機技術進入世界前列，為發展機電壹體化的數控機床開道。
日本在發展數控機床的過程中，狠抓關鍵，突出發展數控系統。
日本FANUC公司戰略正確，仿創結合，針對性地發展市場所需各種低中高檔數控系統，在技術上領先，在產量上居世界第壹。
該公司現有職工3,674人，科研人員超過600人，月產能力7,000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內約占70%，對加速日本和世界數控機床的發展起了重大促進作用。
我國的發展現狀
我國數控技術的發展起步於二十世紀五十年代， 中國於1958年研制出第壹臺數控機床，發展過程大致可分為兩大階段。
在1958~1979年間為第壹階段，從1979年至今為第二階段。
第壹階段中對數控機床特點、發展條件缺乏認識，在人員素質差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下，壹哄而上又壹哄而下，曾三起三落、終因表現欠佳，無法用於生產而停頓。
主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。
在第二階段從日、德、美、西班牙先後引進數控系統技術，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省***11國(地區)引進數控機床先進技術和合作、合資生產，解決了可靠性、穩定性問題，數控機床開始正式生產和使用，並逐步向前發展。
通過“六五”期間引進數控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數控技術和數控產業取得了相當大的成績。
特別是最近幾年，我國數控產業發展迅速，1998～2004年國產數控機床產量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。
盡管如此，進口機床的發展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續三年成為世界機床消費第壹大國、機床進口第壹大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內數控機床制造企業在中高檔與大型數控機床的研究開發方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。
由此可以看出國產數控機床特別是中高檔數控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在於國產數控機床的研究開發深度不夠、制造水平依然落後、服務意識與能力欠缺、數控,系統生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。
我們應看清形勢，充分認識國產數控機床的不足，努力發展先進技術，加大技術創新與培訓服務力度，以縮短與發達國家之問的差距。
在20余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現在三大方面：培訓壹批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創新卻較差。
至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統依靠國外技術支撐，不能獨立發展，基本上處於從仿制走向自行開發階段，與日本數控機床的水平差距很大。
存在的主要問題包括：缺乏象日本機電法、機信法那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統的科研工作；元部件和數控系統不配套；企業和專業間缺乏合作，基本上孤軍作戰，雖然廠多人眾，但形成不了合力。
2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數控機床進口國。
目前正在提高機械加工設備的數控化率，1999年，我們國家機械加工設備數控化率是5－8％，目前預計是15－20％之間。
目前，國家制定了壹些政策，鼓勵國民使用國產數控機床，各廠家也在努力追趕。
國內買機床最多的是軍工企業，壹個購買計劃裏，80％是進口，國產機床滿足不了需要。
今後五年內，這個趨勢不會改變。
不過就目前國內的需要來講，我國的數控機床目前能滿足中低檔產品的訂貨。
五、數控未來發展的趨勢
數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的壹些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。
從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。
1、 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢
效率、質量是先進制造技術的主體。
高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。
為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之壹，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之壹。
在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之壹；在航空和宇航工業領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。
近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。
這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。
目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。
美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min。
加工壹薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在壹般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，並且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統的MTBF值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。
2、軸聯動加工和復合加工機床快速發展
采用5軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。
壹般認為，1臺5軸聯動機床的效率可以等於2臺3軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。
但過去因5軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯動機床的發展。
當前由於電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。
因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發展。
在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同壹臺機床上實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。
德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在壹次裝夾下5面加工和5軸聯動加工，可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。
3、 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢
21世紀的數控裝備將是具有壹定智能化的系統，智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。
為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的產業化生產存在的問題。
目前許多國家
對開放式系統進行研究。
數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。
所謂開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統壹的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，並可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。
目前開放式數控系統的體系結構規範、通信規範、配置規範、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。
網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的壹個新亮點。
數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。
國內外壹些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬紮克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環境，簡稱OME）等，反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。
4、 重視新技術標準、規範的建立
(1) 關於數控系統設計開發規範
如前所述，開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐***體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃，並進行開放式體系結構數控系統規範(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規範的制定，預示了數控技術的壹個新的變革時期的來臨。
我國在2000年也開始進行中國的ONC數控系統的規範框架的研究和制定。
(2) 關於數控標準
數控標準是制造業信息化發展的壹種趨勢。
數控技術誕生後的50年間的信息交換都是基於ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。
為此，國際上正在研究和制定壹種新的CNC系統標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供壹種不依賴於具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統壹數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。
STEP-NC的出現可能是數控技術領域的壹次革命，對於數控技術的發展乃至整個制造業，將產生深遠的影響。
首先，STEP-NC提出壹種嶄新的制造理念，傳統的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。
而在新標準下，NC程序可以分散在互聯網上，這正是數控技術開放式、網絡化發展的方向。
其次，STEP-NC數控系統還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。
目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。
參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。
美國的STEP Tools公司是全球範圍內制造業數據交換軟件的開發者，他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統壹的規範描述所有加工過程。
目前這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數控系統的原型樣機上進行了驗證。