数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）是用数字代码形式的信息（程序指令）控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控（NC）机床，而现代数控机床都采用计算机数控系统（Computer Numerical Control），故又称CNC机床。它是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是典型的机电一体化产品。

1.计算机促进了数控机床的发展

数控系统实质上是一台专门用于机床信息处理的计算机。20世纪50年代的通用计算机在处理速度和结构上满足不了机床加工的要求，不得不用电子元件来构成专门的逻辑部件，组成专用计算机来实现机床加工的要求，称为硬接线数控，简称为NC。到了20世纪60年代后期，小型计算机走向成熟并被引入数控，从此NC进化为CNC，NC部分功能开始改由软件来实现。到20世纪70年代初，由于微电子技术的发展，由大规模集成电路构成的微处理器引入数控并取代了小型计算机。但由于当时CPU的位数少，速度低，数控系统一些实时性很强的功能，如插补运算、位置控制等不得不仍旧依靠硬件来实现，故当时硬件品质的高低，就决定了数控系统品质的高低，进入20世纪80年代中期及以后，由于微电子技术的飞跃发展，数控系统在高速化、多功能化、智能化、高精度化和高可靠性等方面得到了提高。现在所说的CNC系统实际上就是微机数控系统（MNC）。进入20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术（如多媒体技术）、实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微机化，可靠性大大提高。利用CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机制，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电动机驱动系统已实用化。

总之，随着计算机技术的飞跃发展，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。

2.自动化加工与数控机床

随着机床自动化的进程，对复杂形状的零件采用仿形加工的方法，使用按照样板或靠模控制刀具或工件的运动轨迹进行切削加工的半自动机床。若配以机床上的下料装置，仿形机床可实现单机自动化或纳入自动化生产线中，某些通用机床带有仿形装置附件，也可实现仿形加工。机床的各种自动控制技术的应用，对生产的合理化与质量的提高做出了很大贡献，但还是存在一些不足。例如，仿形机床加工前要在模型样板的制造上花费大量的时间和费用，在多品种小批量生产上就不宜采用。组合机床不仅不适宜多品种小批量生产方式，还有不能进行复杂曲面加工的缺点，所以只能被称为“刚性自动化”。

数控机床的出现完全解决了刚性自动化加工设备的缺点，由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，适应各种机械产品迅速更新换代的需要，故被称为实现了“柔性自动化”。

3.数控机床的特征及发展

为了进一步满足市场的需要，达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征：

（1）高速、高效 机床向高速化方面发展，不但可以提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

20世纪90年代以来，欧、美、日竞相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（转速15000～100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具、大功率高速电主轴、高加/减速度直线电动机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000r/min（有的高达100000r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨力为1μm时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨力为0.1μm时，在24m/min以上；自动换刀速度在1s以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

（2）高精度 从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（＜10nm），应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出新的要求。新材料及新零件的出现、更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。

当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5μm；精密加工精度提高了两个数量级；超精密加工精度进入纳米级（0.001μm）；主轴回转精度要求达到0.01～0.05μm；加工圆度为0.1μm；加工表面粗糙度值为Ra0.003μm等。

精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量，从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±（3～5）μm，提高到±（1～1.5）μm。(www.daowen.com)

（3）高可靠性 这是指数控系统的可靠性要高于被控制设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适应可靠，因为数控系统是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16h内连续正常无工伤，无故障率P（t）=99%以上的话，则数控机床的平均无故障行时间MTBF就必须大于3000h。MTBF大于3000h，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10∶1（数控的可靠性比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3h，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万h。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，驱动装置达30000h以上。

（4）复合化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻螺纹、铰孔和扩孔等多种加工工序。加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积，特别是能缩短零件的加工周期。

（5）多轴化 随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀在铣削三维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各机床厂家积极开发和竞争的焦点。

最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低，一时难以实用化。

（6）智能化 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题，智能化的内容包括在数控系统中的以下几个方面：

1）为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成。

2）为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等。

3）简化编程，简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等。

4）智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

（7）网络化 数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其他的控制系统或者为计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部。

随着网络技术的成熟和发展，最近又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有过程通信服务等功能。机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越来越广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富且“人性化”，虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。

（8）柔性化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性能、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS连接，向信息集成方向发展；网络系统向开放集成和智能化方向发展。

总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。