数字控制机床的组成及工作原理

  小到一枚螺丝钉、机械零件，大到汽车、船舶、飞机、铁路，不能离开工厂里轰鸣的机床。机床是制造工件的机器，是一个国家装备制造业的根本。机床行业技术水平和产品质量是衡量一个国家装备制造业发展水平的重要标志。而数字控制机床作为高端机床，是“大国重器”零部件的生产机器，更是智能装备发展的基础。数字控制机床的重要性可见一斑。

  1774年，威尔金森发明了世界上第一台真正意义上的镗床，对蒸汽机的发展起到了巨大的推动作用。

  1797年，“英国机床工业之父”莫兹利制成了第一台螺纹切削车床，带有丝杆和光杆，采用滑动刀架——莫氏刀架和导轨，可车削不同螺距的螺纹。

  此后，莫兹利又不断地对车床加以改进。他在1800年制造的车床，用坚实的铸铁床身代替了三角铁棒机架，用惰轮配合交换齿轮对代替了更换不同螺距的丝杠，来车削不同螺距的螺纹。这是现代车床的原型，对英国工业革命具备极其重大意义。

  19世纪，不一样的机床相继出现。1817年，罗伯茨发明了龙门车床，来自美国的惠特尼制造出了卧式铣床，这两种机床可以分别应用于不一样的行业的零件制造需求。

  机械技师惠特沃斯于1834年制成了测长机，该测长机可以测量出长度误差万分之一英寸左右。1835年，惠特沃斯在他32岁时发明滚齿机。还建议全部的机床生产业者都采用同一尺寸的标准螺纹。他的建议被广泛采纳。

  为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔式六角车床。1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床。随着电动机的发展，机床也由蒸汽动力升级到了电动机驱动，这又是一个跨时代的改进。

  1900年，为实现福特提出的“汽车应该是‘轻巧的、结实的、可靠的和便宜的’”，高效率的磨床开始研制。美国人诺顿用金刚砂和刚玉石制成直径大而宽的砂轮，以及刚度大而牢固的重型磨床。磨床的发展，使机械制造技术进入了精密化的新阶段。

  1920年以后，机械制造技术进入了半自动化时期，液压和电器元件在机床上开始应用。1938年，液压系统和电磁控制不但促进了新型铣床的发明，而且在龙门刨床等机床上也开始推广使用。

  1952年，麻省理工学院和帕森斯公司合作，成功地研制出了第一台数字控制(numerical control，NC )机床，由于大量采用电子管元件，控制装置比机床本体还要大。

  1958年，美国卡尼·特雷克公司首先研制成功出第一台加工中心。它在数控卧式铣床的基础上增加了自动换刀装置，以此来实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。

  20世纪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，计算机在运算解决能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，为数字控制机床技术发展带来了第一个拐点——由基于分立元件的数字控制( NC )走向了计算机数字控制(CNC)，数字控制机床也开始步入实际工业生产应用。

  1960年开始，各国陆续地开发、生产及使用数字控制机床。中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数字控制机床。

  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 )，给数字控制机床技术带来了第二个拐点——由过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件)走向采用通用的PC化计算机数控。

  近20年来，随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。

  2003年，在米兰举办的EMO展览会上，瑞士米克朗公司首先推出了智能机床的概念。

  2006年，在美国举办的第26届芝加哥国际机床制造技术展览会上，日本Mazak公司以“智能机床”的名称，展出了具有“四大智能”的数字控制机床。

  当前，数字控制机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。PART02数控机床的组成及工作原理

  数控机床由主体部分、数控装置、驱动装置、辅助装置、编程及其他附属装备等组成。

  (1) 主机：主机是数控机床的主体部分，包括机身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，大多数都用在完成各种切削加工。

  (2) 数控装置：数控装置是数字控制机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读器等）及相应的软件，用于输入数字化的加工程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

  (3) 驱动装置：驱动装置是数字控制机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元主轴电机及进给电机等。驱动装置在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，能够实现定位、直线、平面曲线和空间曲线) 辅助装置

  冷却、排屑、润滑、照明、监测等。辅助装置包含液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控监测装置等。(5) 编程及其他附属装备

  数字控制机床的工作过程一般为：数控装置内的计算机对通过输入装置以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，再通过伺服系统

  可编程序控制器向机床主轴及进给等执行机构发出指令，机床主体则在检测反馈装置的配合下按照这些指令，对工件加工所需的各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和进给速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。数控机床的工作原理

  通过计算机控制管理系统，将加工程序转化为机床控制信号，控制机床在三维空间内进行各种运动和加工操作，以此来实现对工件的加工。

  03数字控制机床的分类在数控机床的工作原理中，最重要的部分是：将工艺分析得到的工艺流程编写成数控系统能够识别的加工程序。数控系统既是把数字控制机床与普通机床区分开的重要标志

  发展重点。数字控制机床的品牌规格多种多样，分类方式也各有不同，其中，大致有以下四种分类方式。1. 按照工艺用途分类

  按照数字控制机床的工艺用途分类，有以下四类：金属切削类、金属成型类、特种加工类、测量绘图类。金属切削类

  金属成型类指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等；特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等；测量、绘图类主要有三坐测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。图 3 车削机床加工零件

  形状复杂、工序多、精度要求比较高的工件，如：箱体类工件，复杂曲面类工件，异形件，盘、套、板类工件

  特殊加工，如在主轴上安装调频电火花电源，可对金属表明上进行表面淬火。2. 按照运动方式分类

  数控机床按照刀具的运动方式分类可大致分为三类：点位控制数字控制机床，点位直线控制数字控制机床，轮廓控制数控机床

  实时修正路径和进给速度。也就是说，点位控制只控制刀具或工作台从一点移至另一点的精准定位，点位直线控制在点位控制的基础上再经过控制一个坐标轴来按照确定的速度和轨迹控制刀具的运动，轮廓控制能够连续控制两个或者两个以上运动坐标的位移和速度。点位控制通常用于执行孔加工

  直线铣削操作的数字控制机床上，具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控铣床、数控冲床、数控镗床等。点位直线控制数控机床在移动的过程中刀具能以指定的进给速度进行切割，一般只能加工矩形、台阶形零件。目前，仅使用点位控制或点位直线控制的数控机床已不多见，除少数专用控制管理系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。轮廓控制类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。

  旋转坐标轴A、B、C轴。对于数字控制机床来说，联动轴数越多，自由度就越多，加工能力越强，可以加工的零件就越复杂。所以为满足更复杂的加工要求，随着数字控制机床的发展，联动轴数也在不断增多，数字控制机床的联动轴数现在以五轴联动为主。理论情况下，五轴联动可以加工任意非闭合形状，但是因为刀具、刀柄以及夹具干涉问题，一些形状比如叶轮则需要特制刀具。

  二轴联动，二轴联动大多数都用在数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。二轴半联动大多数都用在三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给，由于不全程参与机床控制，故称为“两轴半联动”。

  有两种，一种是常见的三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等。另一类是除了两个直线坐标轴外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）。三轴联动的数字控制机床一般多是三条直线坐标轴联动，一次只能加工一个面，适合

  加工箱体类零件，大多数数控机床也允许工件旋转，这种机床既可以当铣床也可以充当车床，适合用来在零件的侧面或者圆柱体的曲面钻孔，四轴联动能在保证高加工精度的情况下大大加快加工进程。现在常用

  五轴联动，除X/Y/Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，形成五轴联动的模式，这时刀具可以被定在空间的任意方向。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对航空、航天[SYT9] 、精密器械、高精医疗设施等行业都有着举足轻重的影响力。五轴联动数字控制机床系统能用来加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等重要零件。

  不带反馈装置的控制管理系统。半闭环控制管理系统是在开环控制管理系统的基础上，在伺服机构中装有角位移检测装置，可以间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置中。闭环控制管理系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置。简而言之，三者的不同之处在于，一个是不带反馈装置，一个是间接反馈装置，一个是直接反馈装置。因为数字控制机床开环进给伺服系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了能够更好的保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制管理系统能够对数字控制机床工作台位移进行直接测量并通过反馈控制。闭环控制管理系统将数字控制机床本身包括在位置控制环之内，因此机械系统引起的误差可由反馈控制得以消除

  单向的，在工艺流程中的误差都将会影响被加工零件的精度，所以开环控制管理系统仅适用于加工精度要求不高的中小型数字控制机床。

  生产工艺要求精度非常高的机床，如镗床、超精车床、超精磨床和一些大型数控加工设备。

  04国内外数控机床行业的主要企业近年来，随着工业化和智能化的进程不断加快，智能化工厂改造的需求在进一步提升，全球数字控制机床市场规模也在持续增长。亚太地区

  欧美等国成为了数字控制机床行业的主要销售市场。科技是第一生产力，机床制造企业的实力和地位对于该行业的发展起着至关重要的作用。德国、日本、美国等国家的机床行业起步较早，技术水平领先，产品附加值较高，主要面向汽车、模具和航空航天等主要下业，代表公司有山崎马扎克、德国通快、德玛吉森精机、马格、天田等。而国内发展迅速、规模较大的数字控制机床企业有沈阳机床、大连机床、秦川机床、创世纪、日发精机、海天精工等。1. 国外数控机床企业

  山崎马扎克（MAZAK）日本山崎马扎克公司作为一家全球知名的机床生产制造商，市场占有率常年稳居前列。山崎马扎克成立于1991年，主要生产各类加工中心，CNC相关装置和各类系统软件等，产品基本遍及了机械工业的各个行业，并且以高速高精而闻名。山崎马扎克的数控机床操作系统可以像智能手机那样触屏操作，极大地降低了操作难度，并且各项信息也更加容易获得。4轴联动CNC系统作为山崎马扎克的核心产品搭载不同硬件，能提供便捷的操作体验，同时数字控制机床的生产效率和安全性都能大幅度提升。

  德国通快集团的机床产品最重要的包含平面激光切割机、冲裁机、冲裁激光复合加工、折弯机等。通快集团的高端激光切割机床加工效率超过普通机床的三倍以上，能轻松实现高速、高精密的激光加工和冲裁、折弯、打标等。通快集团的冲裁机床能轻松实现在一台机床上完成工件所有的加工工序，因而可以胜任复杂的三维钣金加工，还提供配套的自动上下料设备。

  德玛吉森精机是德国的德玛吉公司与日本的森精机公司的合并组成的公司，背后整合了德玛吉公司与森精机公司143年的经验优势。德玛吉森精机机床在全球具有很高知名度，是高端制造业的重要设备制造商。吉森精机生产的立式加工中心、卧式加工中心、三轴、四轴、五轴以及车铣复合加工中心、超声/激光加工中心机床代表了国内外机床行业的发展趋势和领先技术水平。

  日本大隈机床的智能化车铣复合加工机床MULTUS U3000，能够在一次装卡中完成复杂零件的多种加工。大隈机床有提高工厂生产效率的一系列数字化智能化解决方案，包括通过实现机床精度的可视化，校准和削减进度导致的不良；通过AI监视机械/刀具的异常，防止意外的生产浪费等。大隈机床采取削减机床运转时的能源消耗、关闭不使用的设备、缩短加工时间、分析优化减排点等措施来实现减排的目的。

  日本牧野机床生产高精准度与高质量的金属切削与EDM机床，这中间还包括卧式加工中心、立式加工中心、五轴加工中心、石墨加工中心和电火花线切割机与电火花成型加工机床。在多轴加工以及面向新能源、半导体等领域，牧野机床都具有优秀的竞争力。

  美国格里森企业成立于1865年，产品和服务包括机床、齿轮精加工及检测，另外还提供全球技术上的支持，供应切削刀具、夹具、备件更换、现场服务、应用开发服务、齿轮设计等。该公司的客户包括汽车行业、航空航天、能源行业、重型汽车、休闲车和电力设备的有突出贡献的公司。格里森公司拥有全球一流的圆锥和圆柱齿轮技术，能够给大家提供从数控切齿机，齿轮磨削机到齿轮切削工具等一系列全套的齿轮切削解决方案。

  韩国迪恩机床工厂于1976年竣工。2003年于山东烟台成立斗山机床（中国）有限公司，在北京、上海、广州、重庆、杭州、武汉等地区设有分公司或办事处，开拓市场并提供售后服务等。迪恩机床结合设计、生产、服务为一体，生产适用于多个加工行业的高效率数控车床、数控加工中心、数控镗铣床、龙门加工中心等近百种型号。迪恩机床的主要营业产品为斗山钻攻中心，韩国斗山加工中心，斗山卧式加工中心，斗山车床，斗山车削中心，斗山立式车床等。

  德国格劳博公司成立于1926年，总部在德国明德海姆。格劳博公司是生产机床种类较全的一家公司，无论从标准机床到复杂型生产系统或切削线上的装配单元、再到全自动的装配线，格劳博的工艺和技术总是处于较高水平。格劳博公司擅长发动机零部件的整线“交钥匙”工程，是一个覆盖不同工艺、不同技术、不同资源及各种文化的全球化系统集成供货商。

  美国马格作为机床及自动化系统公司，可以为用户更好的提供完善的量身定做的机加工解决方案，主要服务于耐用品行业。马格作为杰出的供应商，以工艺技术及在此基础上量身定做的生产解决方案而闻名，广泛服务于航空航天、汽车、重型机械、油田、轨道交通、太阳能、风机生产及通用加工等行业。马格在全球范围内设置了众多生产及技术上的支持机构，拥有丰富的产品线及技术，包括车削、铣削、滚齿、磨削、珩磨、系统集成、复合材料加工、维修、工控系统及软件、刀具及油品、核心零部件等。

  德国埃马克公司工艺技术全面而完善，能为客户提供加工盘类件、轴类件和箱体类零件的机床和生产系统。不论是车床、磨床、滚齿机、加工中心，还是激光焊接机，埃马克集团几乎都能提供绝佳的生产方案。埃马克在智能自动化技术方面的先进的技术可以极大的帮助客户设备简单化，生产高效率，同时也可有效的节约成本，从而推动企业得到加快速度进行发展。埃马克是世界上倒立式机床领域举足轻重的制造商。

  日本天田始建于1946年，是全球著名的机床制造商。天田集团的主体业务除了钣金设备，切削设备，研磨设备，压力机设备，精密焊接设备，这5大核心业务板块以外，还提供控制上述设备的电脑，软件以及周边设备，模具，售后服务等一系列综合解决服务。该公司遵循可持续发展方针，将环保理念融入到了产品之中，为客户提供环保型产品及服务。

  创世纪的主体业务产品为高端智能装备，分为3C系列新产品和通用系列新产品。而在这两类产品中，又以加工中心为主。3C系列产品有高速钻铣攻牙加工中心、高速精雕加工中心、走心机等，其中，高速钻铣攻牙加工中心是创世纪公司3C系列的核心产品，是一种集铣、钻、镗和攻丝等多种加工功能于一体的数控机床，具备高速高效高精等优点；通用系列新产品包括立式加工中心系列、卧式加工中心系列、龙门加工中心系列、数控车床系列等。其中立式加工中心是公司通用系列的核心产品，具有高速高效高精，能快速切割、满足批量化加工需求等优势，被大范围的应用于5G通讯、五金模具、汽车零件等领域。

  海天精工在数字控制机床研发领域已有二十多年的经验积累，取得了两百多项专利，并与国内科研院校合作开发了多项技术。基本的产品有海天机床龙门镗铣中心、海天机床卧式加工中心、海天机床数控车削中心、海天机床立式加工中心。其中，海天机床大型数控龙门加工中心系列新产品是海天精工的主导产业之一，海天机床龙门系列新产品横跨范围大，适合使用的范围广、刚性高、加工精度高，作为海天精工的优势产品系列，其所构成的高效数字控制机床体系大力推动了海天精工市场占有率的提升。

  秦川机床秦川机床的数控机床业务占比不足公司所有业务的50%，大多分布在在数字控制机床及零部件两个方面，其核心产品是数控齿轮磨床，但是其他的例如通用数字控制机床、加工中心等也有着非常强的行业竞争力，而在2020年收购沃克齿轮之后，零部件的营收也有大幅增长。

  格力智能装备拥有高速立式数字控制机床等多款机床产品,具有结构稳定、精度高的特点，采用了全闭环高速高精控制技术，多轴联动动态特性技术、整体床身温度控制技术。格力数字控制机床被大范围的应用于汽车零部件行业，大多数都用在生产汽车电池托盘、一体化后底座、汽车天窗导轨、电机壳体、汽车脚踏板和汽车装饰条和汽车仪表盘等汽车零部件，为新能源汽车零部件制造提供了一站式解决方案。

  北京精雕集团研制的数控机床（精雕机）具备高表面加工能力，被应用于铣削、车削、磨削、抛光、刮削、孔加工、螺纹加工、在机检测和智能修正等多种加工场景。北京精雕的旗舰产品为精雕高速加工中心。可稳定实现“0.1μm进给，1μm切削，nm级表面粗糙度”，被大范围的应用至精密模具零件铣削、镜面模具零件研抛、金属和特种材料微小孔钻削、脆硬材料磨削加工、金属零件钻铣磨复合加工等领域。

  中国通用技术（集团）控股责任有限公司成立于1998年3月，主要聚焦在先进制造与技术服务、医药医疗健康、贸易与工程服务三大主业。在通用公司旗下有机床研究院、沈阳机床、大连机床、齐齐哈尔二机床等机床相关企业。

  沈阳机床基本的产品为金属切削机床，包括车削、钻削、铣削和镗削加工机床，累计为世界各地区提供100余万台机床产品。五轴类数控机床有GMC系列新产品，主要使用在于铝合金、钛合金、复合材料高效加工，零件可在一次装夹后，能完成多种工序的五面加工和多种空间方向的铣、车、钻、镗等加工，适合于加工精度要求高、形状复杂的零件。该企业是[SYT12] 轨道交通、汽车模具、能源电子环保等战略新兴起的产业的理想加工设施选择。镗铣类数控机床有GMCRV系列新产品，铣镗类数控机床有Pbc数控卧式铣镗床等。

  大连机床基本的产品有：数控柔性组合机床及自动线、人机一体化智能系统单元和生产线、五轴联动立、卧式加工中心，立、卧式车铣复合加工中心，高速、精密加工中心，高速、精密车削中心，工业机器人、数控系统、数控刀库、数控刀台、滚珠丝杠、直线导轨、电主轴和高速主轴等。大连机床的人机一体化智能系统生产线包括：重型柴油机缸体自动线，电机定子壳体自动线、汽车发动机缸体盖自动线、主轴倒置式数控车床生产线等。公司先后为我国汽车、轨道交通、工程机械、石油机械、矿山冶金等行业提供各类机床50多万台（套），产品销往世界100多个国家和地区。

  齐齐哈尔二机床的主要营业产品有数控落地铣镗床系列新产品、数控龙门镗铣床系列新产品、数控立式车床系列新产品、数控铣床及加工中心、机械压力机及自动锻压设备，以及大型数控缠绕机、五轴联动混联机床、数控龙门高速铝锭复合加工生产线等大型数控专机等大型数控专机。该公司的产品突出重字，重型、超重型类机床产品产值率达到80%，重型金切机床产值位居国内同行业前列。

  山东豪迈集团是高端机械装备有突出贡献的公司，产品涉及高端机械零部件、工程及装备制造、化工装备、离心式压缩机、往复式压缩机、高端工业防腐涂料、高效低毒杀虫剂、感应加热电炉、气门芯、气门嘴等领域。在工程及装备制造领域有室内外总面积近8万平方米的日照临海工厂和室外装配面积达12万平方米的乳山临港工厂，能提供在油气装备、化工装备、深海装备等领域的优秀解决方案。豪迈集团多样的设计标准能满足多种使用地区客户的要求。PART

  05总结数字控制机床生产的产品广泛覆盖了半导体、新能源、汽车、电子、船舶、模具

  航空航天领域，数字控制机床的发展也特别的重要。当前，国家逐渐重视数字控制机床行业的发展，在中国高水平质量的发展战略中，智能数控机床和基础制造装备行业被列为中国制造业的战略必争领域之一。在此基础上，随着装备制造业的迅速发展，中国在重型机床方面可

  世界机床生产和消费大国，也是世界机床出口大国。当然，由于起步较晚，我们与外国顶尖水平还存在一些差距，但即便如此，差距也在一步步缩小。相信在中国高质量发展的策略的指导下，中国数字控制机床行业能够更上一层楼，努力突破技术难题，推进高端数字控制机床产业发展。审核编辑：黄飞