在消費市場對產(chǎn)品品質(zhì)精益化需求的推動下，近年來國內(nèi)高端數(shù)控機床行業(yè)進(jìn)入到一個高速發(fā)展的階段。數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的“工作母機”，在“中國制造2025”規(guī)劃中被列為國家重點發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域之一。

     從新近發(fā)布的中國機床工具工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，2017年整體中國機床工具市場的需求總量趨穩(wěn)，需求結(jié)構(gòu)加速升級，已成為機床工具行業(yè)的常態(tài)，同時分化態(tài)勢日趨明顯，其中功能部件、附件優(yōu)于主機，成形機床優(yōu)于金切機床。2017年全年，中國機床工具行業(yè)全國規(guī)模以上企業(yè)完成主營業(yè)務(wù)收入9922.8億元，同比增長6.1%；實現(xiàn)利潤總額686.3億元，同比增長21.1%。其中，金屬切削機床累計生產(chǎn)64.3萬臺，同比增長6.8%；金屬成形機床累計生產(chǎn)30.6萬臺，同比增長1.7%；金屬切削工具累計生產(chǎn)83.1億件，同比增長12.3%；鑄造機械累計生產(chǎn)237.9萬臺，產(chǎn)量同比增長8.8%。

    從2018年1-2月進(jìn)出口數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)機床工具市場均呈現(xiàn)兩位數(shù)增長，其中金屬加工機床進(jìn)口同比增長57.84%。通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析，可以得出中國機床工具消費市場呈現(xiàn)“總量趨穩(wěn)、結(jié)構(gòu)升級”的新特征，未來將呈現(xiàn)溫和增長的趨勢。中國機床工具工業(yè)協(xié)會毛予鋒副理事長指出，2018年機床市場需求將溫和增長，產(chǎn)出持平或小幅增長，機床工具進(jìn)出口也均會繼續(xù)增長；近年來，國產(chǎn)機床取得的成績有目共睹，尤其是在汽車、3C電子制造等領(lǐng)域頗具競爭力，在行業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，中國機床工具要保持原有的優(yōu)勢，持續(xù)強化基礎(chǔ)應(yīng)用研究，還要結(jié)合智能化、信息化等先進(jìn)技術(shù)，爭取實現(xiàn)中國機床工具行業(yè)“彎道超車”。

    就市場規(guī)模銷售前景來看，受益于中國汽車、航空航天、船舶、電力設(shè)備、工程機械等行業(yè)的快速發(fā)展，對機床市場，尤其是數(shù)控機床將產(chǎn)生巨大需求。未來五年，國內(nèi)數(shù)控機床由于技術(shù)發(fā)展以及下游市場逐漸復(fù)蘇等原因，將會繼續(xù)保持10%-12%的增長速度，到2022年，中國數(shù)控機床行業(yè)的市場規(guī)模預(yù)計將突破5,000億元，如圖1所示。

圖12017-2023年中國數(shù)控機床行業(yè)市場規(guī)模預(yù)測（單位：億元）

數(shù)控機床市場現(xiàn)況及組件部分

    數(shù)控機床的分類，總體來講包含加工中心、金屬切削、特種加工、成型加工和其他等。

    加工中心：多軸聯(lián)動、柔性加工單元；

    金屬切削：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控沖床；

    特種加工：電火花線切割機床、電火花成型機床、火焰切割機床、激光加工機床、高壓水切割機床、數(shù)控自動焊接設(shè)備；

    成型機床：數(shù)控壓力機、數(shù)控剪板機、數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、多坐標(biāo)測量機；

    其他：自動繪圖機、工業(yè)機器人及專用數(shù)控系統(tǒng)。

    目前來看，數(shù)控機床行業(yè)高端市場主要由歐美日韓等企業(yè)所占據(jù)，市場上重要的數(shù)控機床廠商主要包括DMGMORI、YamazakiMazak、FFG、Jtekt、Okuma、Makino、Doosan、Grob、Haas、GF等；國內(nèi)的主要市場參與者包括沈陽、大連、濟南、秦川等機床廠。

    數(shù)控機床的電器部件大致上可包括：數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、控制電器、主軸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等幾大部分（如圖2所示）。

圖2數(shù)控機床的電器部件組成

    在數(shù)控系系統(tǒng)部分，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)廠家主要為華中數(shù)控、廣州數(shù)控、大連光洋、沈陽高精和航天數(shù)控等；激光數(shù)控機床主要有大族激光、金運激光、京華激光等。國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)在高速、高精、五軸加工和智能化等方面仍有明顯差距。據(jù)統(tǒng)計，2017年在高端數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)方面，國內(nèi)產(chǎn)品僅占17.6%；而在普及型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中，雖然國產(chǎn)化率達(dá)到87.5%左右，但國產(chǎn)數(shù)控機床當(dāng)中超出83.2%使用國外數(shù)控系統(tǒng)、88.5%使用進(jìn)口伺服系統(tǒng)/電機。

    在伺服系統(tǒng)方面，目前一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套，如日本FANUC、三菱電機、安川電機、松下、山洋電機、德國Siemens、力士樂Indramat、Lenze、美國A.B、Kollmorgen、Relliance、Baldor、PacificScientific等；國內(nèi)伺服廠商則多以提供配套產(chǎn)品為主。

數(shù)控機床之技術(shù)鏈

    數(shù)控機床的技術(shù)鏈由六大部分組成，大致上包括數(shù)控系統(tǒng)實時核技術(shù)、直驅(qū)電機加工控制技術(shù)、伺服電機加工控制技術(shù)、直線傳感分辨率技術(shù)、角度傳感分辨率技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)等，如圖3所示。

圖3數(shù)控機床技術(shù)鏈六大組成部分

    數(shù)控機床就組成而言，主要分為機床主體、傳動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分。機床主體是機床的主要組成部分，也是機床的硬件，是機床的重要機械附件部分。傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要“脈絡(luò)”，主導(dǎo)機床各部分的有序進(jìn)行及完成機床的工作使命，他包括刀具、傳動機械和輔助動力系統(tǒng)。

    數(shù)控系統(tǒng)，可以說是數(shù)控機床的“靈魂”所在，是機床完成各項功能和作業(yè)精髓所在。數(shù)控系統(tǒng)基本又包括兩大部分：（1）驅(qū)動裝置，它包括高速主軸、力矩電機、直線電機、普通電機和步進(jìn)電機；（2）控制及檢測裝置，包括CNC系統(tǒng)、可編程序控制器、進(jìn)給伺服控制模塊、位置檢測模塊等。

    作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。進(jìn)給伺服以數(shù)控機床的各坐標(biāo)為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進(jìn)給運動。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運動速度，并能精確地進(jìn)行位置控制，具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服四類。

    而在主軸伺服部分，由于數(shù)字式交流異步伺服系統(tǒng)加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，因此是機床主軸驅(qū)動采用的主要形式。但與此同時，近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機的交流同步伺服系統(tǒng)日益增多。此外，電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，目前在超高速切削機床上得到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)控機床朝著高精、高速方向發(fā)展

    伴隨著中國裝備制造業(yè)的整體轉(zhuǎn)型升級，國內(nèi)數(shù)控機床的技術(shù)發(fā)展正朝著高精度、高速、智能化、高柔性、復(fù)合化、高可靠度、網(wǎng)絡(luò)化、開放式方向邁進(jìn)。

    提高數(shù)控機床的加工精度，一般可通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機床誤差補償技術(shù)等方法來實現(xiàn)。在減少CNC系統(tǒng)控制誤差方面，通常采取提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、提高位置檢測精度、在位置伺服系統(tǒng)中采用前饋控制與非線性控制等方法；在機床誤差補償技術(shù)方面，除采用齒隙補償、絲杠螺距誤差補償和刀具補償?shù)燃夹g(shù)外，還可對設(shè)備熱變形進(jìn)行誤差補償。另外，伺服系統(tǒng)的質(zhì)量直接關(guān)系到數(shù)控機床的加工精度，為此，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，并采用新型控制理論可實現(xiàn)高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)。

    要實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高速化，首先要求數(shù)控系統(tǒng)能對由微小程序段構(gòu)成的加工程序進(jìn)行高速處理，以計算出伺服電機的移動量。同時要求伺服電機能高速度地做出反應(yīng)，采用32位及64位微處理器，是提高數(shù)控系統(tǒng)高速處理能力的有效手段。實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高速化的關(guān)鍵是提高切削速度、進(jìn)給速度和減少輔助時間。

    采用柔性自動化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率、縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)市場變化需求和提高競爭能力的有效手段。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，正朝著單元柔性化和系

    統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC)控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標(biāo)動力單元等具有柔性的高效加工設(shè)備、柔性加工單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)（FMS)以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTU）。

    為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、自動化發(fā)展的需要，智能化正成為數(shù)控設(shè)備研究及發(fā)展的熱點，它不僅貫穿于生產(chǎn)加工的全過程（如智能編程、智能數(shù)據(jù)庫、智能監(jiān)控），還貫穿于產(chǎn)品的售后服務(wù)和維修中。例如：自適應(yīng)控制技術(shù)可根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工系統(tǒng)能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較低的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的；故障自診斷、自修復(fù)技術(shù)在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查；模式識別技術(shù)應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語音命令進(jìn)行加工。

    在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量不斷減少的同時，加工的產(chǎn)品形狀日益復(fù)雜。另外，產(chǎn)品周期的縮短要求加工機床能夠隨時調(diào)整和適應(yīng)新的變化，以滿足各種各樣產(chǎn)品的加工需求，這就要求1臺機床能夠處理以往需要幾臺機床處理的工序，復(fù)合型機床成為大勢所趨。在保持工序集中和減少工件重新安裝定位的前提下，使更多的不同加工過程復(fù)合在一臺機床上，以減少占地面積，減少零件傳送和庫存，保證加工精度和節(jié)能降耗的要求。

    為了提高數(shù)控機床的可靠性，數(shù)控系統(tǒng)采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)景，提高可靠性。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)機床本體的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。

    數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化，主要是指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計算機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。隨著信息化技術(shù)在數(shù)控機床上的大量采用，目前越來越多的國內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機床時要求具有遠(yuǎn)程通信服務(wù)等功能。

    開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機的先進(jìn)技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等，其新一代數(shù)控系統(tǒng)的硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用。