1.1
工業(yè)化進(jìn)程和機(jī)床進(jìn)化史
18 世紀(jì)的工業(yè)革命后，機(jī)床隨著不同的工業(yè)時(shí)代發(fā)展而進(jìn)化并呈現(xiàn)出各個(gè)時(shí)代的技術(shù)特點(diǎn)。如圖 1 所示，對(duì)應(yīng)于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時(shí)代，機(jī)床從機(jī)械驅(qū)動(dòng)/手工操作(機(jī)床 1.0 )、電力驅(qū)動(dòng)/數(shù)字控制(機(jī)床 2.0 )發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(機(jī)床3.0）并正在向賽博物理機(jī)床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機(jī)床 4.0 )演化發(fā)展[2] 。
1.2
數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程特點(diǎn)及幾個(gè)重要拐點(diǎn)
1.3
數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵和核心技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)
1.3.1
數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)
機(jī)床結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：機(jī)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(yùn)動(dòng)部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機(jī)床基礎(chǔ)件和功能部件。
以常見的車削和銑削為例，典型的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)演進(jìn)過程如圖3所示。數(shù)控車削機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期的2軸進(jìn)給平床身、2軸進(jìn)給斜床身等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，發(fā)展到4軸進(jìn)給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉(zhuǎn)體類零件高效率車削的加工中心結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展為可適應(yīng)復(fù)雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one )”的多功能車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)。數(shù)控銑削加工機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期主要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)和主軸運(yùn)動(dòng)功能的經(jīng)典立/臥式銑床結(jié)構(gòu)，發(fā)展到帶刀庫和自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的3軸聯(lián)動(dòng)立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)、帶交換工作臺(tái)的立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)，為滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率加工需求，又出現(xiàn)了4軸聯(lián)動(dòng)和5軸聯(lián)動(dòng)的銑削加工中心結(jié)構(gòu)，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(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。在5軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展過程中，來自于機(jī)器人的并聯(lián)虛擬軸概念被引入到數(shù)控機(jī)床，出現(xiàn)了并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合5軸聯(lián)動(dòng)的形式，但實(shí)際應(yīng)用有限。當(dāng)前，在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)“增材加工＋切削加工”功能的增減材混合加工新型結(jié)構(gòu)機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段。
在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)展演進(jìn)過程中，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)布局(配置方案、優(yōu)化設(shè)計(jì))和材料選用等方面的技術(shù)也不斷進(jìn)步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求，研究者們先后提出了重心驅(qū)動(dòng)(DCG )設(shè)計(jì)、箱中箱(BIB )、直接驅(qū)動(dòng)(DDT )、熱平衡設(shè)計(jì)與補(bǔ)償、全對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則和技術(shù);在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法;采用虛擬機(jī)床理念和方法，大大縮短了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造周期。數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)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(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動(dòng)態(tài)剛度和穩(wěn)定性[5-6]。
1.3.2
主軸和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
主軸的作用是帶動(dòng)刀(磨)具(鉆削/銑削/磨削)或工件(車削)按給定速度旋轉(zhuǎn)，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上實(shí)現(xiàn)材料去除。數(shù)控機(jī)床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)經(jīng)主軸箱傳動(dòng)的機(jī)械式主軸、電動(dòng)機(jī)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(jī)床進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動(dòng)方式從步進(jìn)電機(jī)、電液比例伺服、晶閘管變流和 PWM 控制的直流電動(dòng)機(jī)伺服等形式，發(fā)展到現(xiàn)在成為主流的矢量控制交流電動(dòng)機(jī)伺服、雙電機(jī)重心驅(qū)動(dòng)、直線電動(dòng)機(jī)/力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)等形式，而且多采用帶有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)和“前饋＋濾波”的全閉環(huán)控制，為各坐標(biāo)軸進(jìn)給提供高速度、高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。此外，伺服控制模式從模擬量控制，經(jīng)過“模擬量＋數(shù)字量”混合控制模式，發(fā)展為全數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線控制模式，如串行實(shí)時(shí)通信協(xié)議總線、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)總線、過程現(xiàn)場(chǎng)總線等[8]。
主軸和進(jìn)給伺服軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)如圖4 所示。
1.3.3
數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床控制的中樞，如前所述，數(shù)控裝置緊隨電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展而演變進(jìn)化，其發(fā)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(shù)控裝置，處于數(shù)控裝置發(fā)展初期，體積和功耗大，可靠性低，實(shí)用性差。第4代為采用小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的CNC裝置，相對(duì)于前幾代，其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、專用性強(qiáng)、可靠性大大提高，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機(jī)床真正地進(jìn)入到實(shí)用階段并加快了迭代和發(fā)展，此即為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第1個(gè)拐點(diǎn)，直接數(shù)控(DNC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等概念和系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。隨著超大規(guī)模集成電路微型中央處理器技術(shù)成熟，第5代數(shù)控裝置將基于微處理器的專用硬件或單板機(jī)用作其硬件平臺(tái)，進(jìn)一步減小了硬件體積，降低了成本，但其硬件結(jié)構(gòu)的兼容性和開放性較差。20世紀(jì)80年代，第6代數(shù)控裝置中采用了個(gè)人微型計(jì)算機(jī)(PC)，帶來了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第2個(gè)拐點(diǎn)。借用PC成熟的軟/硬件平臺(tái)、豐富的應(yīng)用資源和通用的網(wǎng)絡(luò)化接口等特點(diǎn)，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉(zhuǎn)向以軟件算法實(shí)現(xiàn)各種功能，即進(jìn)入到開放式、網(wǎng)絡(luò)化和軟件化數(shù)控階段。隨著工業(yè) 4.0 發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第7代智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床正在向我們走來，這將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個(gè)新拐點(diǎn)，甚至可能帶來一次新的革命。
1.3.4
多軸聯(lián)動(dòng)與軌跡插補(bǔ)技術(shù)
多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸(包括直線坐標(biāo)進(jìn)給軸和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時(shí)運(yùn)動(dòng)稱為多軸聯(lián)動(dòng)控制。高檔數(shù)控機(jī)床一般都具有3軸或3軸以上聯(lián)動(dòng)控制功能，多為4軸聯(lián)動(dòng)或5軸聯(lián)動(dòng)。各個(gè)進(jìn)給坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)一般由電動(dòng)機(jī)在伺服驅(qū)動(dòng)器控制下實(shí)現(xiàn)，因此，高性能的坐標(biāo)軸進(jìn)給伺服裝置構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制的物理基礎(chǔ)。多軸聯(lián)動(dòng)控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運(yùn)動(dòng)軌跡(即走刀軌跡)，通過軌跡插補(bǔ)和實(shí)時(shí)控制，在每個(gè)伺服控制周期給出各個(gè)聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)增量，實(shí)時(shí)控制所有坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)。
軌跡插補(bǔ)也是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算的裝置(或軟件模塊)稱為插補(bǔ)器，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍采用數(shù)字計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)軌跡插補(bǔ)。軌跡插補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展過程如圖6所示。從實(shí)現(xiàn)的插補(bǔ)功能角度來看，2軸聯(lián)動(dòng)的平面點(diǎn)位控制、平面直線和圓弧插補(bǔ)是最簡(jiǎn)單的插補(bǔ)功能;2．5軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)實(shí)際上只有2軸聯(lián)動(dòng)控制，其第3軸只能實(shí)現(xiàn)與另外2軸非聯(lián)動(dòng)的控制，這樣的聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)方式可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應(yīng)性差;3軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)除了實(shí)現(xiàn)平面和空間的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能外，高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)等功能;5 軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)可高效方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲線和曲面插補(bǔ)的功能，并進(jìn)一步發(fā)展樣條插補(bǔ)和先進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)加工的核心技術(shù)。筆者認(rèn)為，未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補(bǔ)功能(SDI )，并可望與基于人工智能和數(shù)字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結(jié)合，在考慮多軸聯(lián)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實(shí)現(xiàn)由3D模型驅(qū)動(dòng)的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動(dòng)直接插補(bǔ)。
1.4
加工效率和加工精度的進(jìn)展
2.1
我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)
2.1.1
機(jī)床工業(yè)的萌芽階段
從洋務(wù)運(yùn)動(dòng)到新中國建立前，中國機(jī)床工業(yè)處于萌芽階段。
19 世紀(jì)洋務(wù)運(yùn)動(dòng)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(shí)兩年從美國采購了第1 批機(jī)床設(shè)備，開始將西方現(xiàn)代機(jī)床工具引入中國。隨后，江南機(jī)器制造總局自制出一批機(jī)床。到20世紀(jì)上半葉陸續(xù)建立了重慶機(jī)床廠、長(zhǎng)沙機(jī)床廠、中央機(jī)器廠等一批機(jī)床廠，20世紀(jì)40年代，東北、上海、江浙等地又建立了一批機(jī)床制造企業(yè)，后來成長(zhǎng)為沈陽三機(jī)、上海機(jī)床、濟(jì)南一機(jī)、南京機(jī)床、無錫機(jī)床等國內(nèi)知名的機(jī)床廠[11]。
從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機(jī)床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規(guī)模建設(shè)階段。
1949年新中國成立后，中國機(jī)床工業(yè)開始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。“一五”時(shí)期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，第一機(jī)械工業(yè)部(簡(jiǎn)稱“一機(jī)部”)按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機(jī)床企業(yè)，還建立了以北京金屬切削機(jī)床研究所(北京機(jī)床研究所的前身)為代表的被稱為“七所一院”的一批機(jī)床工具研究機(jī)構(gòu)。到1957年，一機(jī)部直屬企業(yè)在機(jī)床、工具、磨料磨具和機(jī)床附件方面的產(chǎn)品產(chǎn)量都占全國的 90％以上。相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量的國內(nèi)自給率達(dá) 80％左右。機(jī)床工具工業(yè)成為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)部門，為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這一時(shí)期是中國機(jī)床工業(yè)的奠基階段。
1958~1978年期間，中國機(jī)床工業(yè)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段。60年代初期開展了高精度精密機(jī)床戰(zhàn)役，通過攻關(guān)累計(jì)掌握5類26種高精度精密機(jī)床技術(shù)，機(jī)床精度、質(zhì)量和工藝水平普遍提高。60年代中期開始的“三線建設(shè)”中，在川、黔、陜、甘、寧、青、豫西、鄂西等地區(qū)，由老廠老所遷建、包建了33個(gè)機(jī)床工具企業(yè)，改善了行業(yè)的地區(qū)布局，其中，為中國第二汽車制造廠(以下簡(jiǎn)稱“二汽”)提供成套設(shè)備成為集機(jī)床工具行業(yè)技術(shù)能力和展示其發(fā)展水平的又一個(gè)全行業(yè)性大“戰(zhàn)役”，大大提升了行業(yè)技術(shù)水平和能力。與此同時(shí)，國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機(jī)床，以滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)之所需。
2.2
我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程
2.2.1
初始發(fā)展階段——相對(duì)封閉的技術(shù)研發(fā)
在我國機(jī)床工業(yè)尚處在奠基發(fā)展的時(shí)期，美國于1952 年研制出了世界上第1臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)字控制銑床，機(jī)床開始向數(shù)控化發(fā)展。1958年北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作研發(fā)出了中國第1臺(tái)數(shù)控銑床，僅比世界第1臺(tái)數(shù)控機(jī)床晚6年。到1972年我國能提供數(shù)控線切割機(jī)、非圓插齒機(jī)和劈錐銑等少數(shù)品種的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。從第1臺(tái)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床研制成功到20世紀(jì)70年代中期，我國的數(shù)控機(jī)床處于初期技術(shù)研究探索階段，只進(jìn)行了少量產(chǎn)品試制工作，尚未全面開展數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究和工業(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。70年代中后期，全面啟動(dòng)了數(shù)控機(jī)床研制生產(chǎn)工作，1975年齊齊哈爾第二機(jī)床廠完成了國產(chǎn)第1臺(tái)數(shù)控龍門式銑床的研制。由于受到當(dāng)時(shí)國內(nèi)外形勢(shì)限制，缺乏與先進(jìn)工業(yè)國家的技術(shù)交流，彼此數(shù)控機(jī)床技術(shù)的研究開發(fā)基本上處于封閉的狀態(tài)。
可以說，中國數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本上處于一種封閉狀態(tài)，從1958年到1978年改革開放前，數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。相對(duì)于美、日和歐洲先進(jìn)工業(yè)國家在70年代末和80年代初就已實(shí)現(xiàn)了機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)控化升級(jí)換代，我國的機(jī)床數(shù)控化進(jìn)程到70年代末才剛剛開始，并且這一升級(jí)換代過程歷經(jīng)了多重曲折困難，直到30多年后，機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)品數(shù)控化升級(jí)換代才得以全面實(shí)現(xiàn)[12]。2.2.2
持續(xù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段——初步建立產(chǎn)業(yè)體系并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化
1978年后，隨著國家的改革開放，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。80年代初期，通過引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床主機(jī)技術(shù)，并與國外公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，例如：青海第一機(jī)床廠根據(jù)機(jī)械工業(yè)部安排與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第1臺(tái)臥式數(shù)控加工中心XH754 (1980年);北京機(jī)床研究所與北京第三機(jī)床廠合作研制成功國內(nèi)首個(gè) JCS-FMC-1/2臥/立式加工柔性單元，北京機(jī)床所與日本FANUC合作研發(fā)的我國第1條回轉(zhuǎn)體加工柔性制造系統(tǒng)投入生產(chǎn);南京機(jī)床廠與德國TRAUB公司合作生產(chǎn)TND360數(shù)控車床，成批量應(yīng)用于生產(chǎn);北京航空航天大學(xué)研制的國內(nèi)首臺(tái)微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) CNC-4D 成批量成功應(yīng)用于航空企業(yè)XK5040銑床的數(shù)控化改造(1983年)。“六五”期間(1981~ 1985 )，對(duì)數(shù)控機(jī)床采用直接從國外“引進(jìn)技術(shù)”的方式，通過許可證貿(mào)易、合作生產(chǎn)、購進(jìn)樣機(jī)等方式，引進(jìn)數(shù)控機(jī)床及相關(guān)技術(shù)183項(xiàng)，開發(fā)出數(shù)控機(jī)床新品種81種，累計(jì)可供品種達(dá)113種，這成為我國數(shù)控機(jī)床從展品、樣機(jī)走向商品的一個(gè)分水嶺。
“七五”期間(1986~1990 )，國家安排了數(shù)控機(jī)床科技攻關(guān)專題和以引進(jìn)技術(shù)“消化吸收”為主要內(nèi)容的“數(shù)控一條龍”項(xiàng)目，包括5種機(jī)床主機(jī)和3種數(shù)控系統(tǒng)的消化吸收國產(chǎn)化。
“八五”期間(1991~1995 )，以“自主開發(fā)”為重點(diǎn)支持國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開發(fā)，成功開發(fā)出了具有當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)技術(shù)水平的中華Ⅰ型 (北京珠峰公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā))，華中Ⅰ型(武漢華中數(shù)控)和藍(lán)天Ⅰ型(沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心)等高檔數(shù)控系統(tǒng)。
“九五”期間(1996~2000 )，以推進(jìn)數(shù)控機(jī)床“產(chǎn)業(yè)化”為重點(diǎn)，在技術(shù)方面基于工業(yè) PC 平臺(tái)的普及型數(shù)控系統(tǒng)開始走向?qū)嵱茫⑶夜タ肆碎_放式網(wǎng)絡(luò)化多通道多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù);在產(chǎn)品方面，重點(diǎn)發(fā)展數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控鍛壓機(jī)床和數(shù)控重型機(jī)床等6大類產(chǎn)品，形成主機(jī)批量生產(chǎn)能力和關(guān)鍵配套能力，到2000年，我國數(shù)控機(jī)床品種達(dá)1500種，還研發(fā)出了5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心并投入市場(chǎng)，但此期間機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)值數(shù)控化率一直在 20％左右徘徊，產(chǎn)量數(shù)控化率不足 10％;在產(chǎn)業(yè)方面，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床面向市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐加快，開始進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段[13]。
2.2.3
高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)階段——數(shù)控技術(shù)快速普及和產(chǎn)品升級(jí)換代
“十五”期間(2001~2005 )，隨著 2002 年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量以超過30％的幅度逐年增長(zhǎng)，國產(chǎn)5軸聯(lián)動(dòng)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(diǎn)建設(shè)工程提供了關(guān)鍵裝備。這期間，在國家“863計(jì)劃”中還實(shí)施了“高精尖數(shù)控機(jī)床”重點(diǎn)專項(xiàng)，支持了航空、汽車等部分重點(diǎn)領(lǐng)域急需的高精尖數(shù)控裝備研制。
“十一五”期間(2006~2010 )，我國機(jī)床工業(yè)保持持續(xù)穩(wěn)定高速發(fā)展，2007 年沈陽機(jī)床和大連機(jī)床分別進(jìn)入全球機(jī)床行業(yè)前 10 強(qiáng)。一方面，一批機(jī)床企業(yè)“走出去”，到發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)并購，如沈陽機(jī)床在德國設(shè)立技術(shù)研發(fā)中心，大連機(jī)床、沈陽機(jī)床、北一機(jī)床分別并購 Ingersoll (美國)、Schiess (德國)和 Waldrich-Coburg (德國)等。另一方面，國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)中高檔數(shù)控機(jī)床需求急增，機(jī)床企業(yè)加大產(chǎn)品研發(fā)力度，“十一五”期間金屬切削機(jī)床中的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá) 72.8萬臺(tái)，與“十五”期間相比，增長(zhǎng) 281％，產(chǎn)量數(shù)控化率從15％(2006 年)提高到30％( 2010年);一批民營數(shù)控機(jī)床企業(yè)開始快速發(fā)展，其產(chǎn)品在一些細(xì)分領(lǐng)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(jī)床的生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)口三個(gè)方面均列世界第一，并保持到 2018年。2009年，國家出臺(tái)«裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃»，啟動(dòng)實(shí)施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(以下簡(jiǎn)稱“04 專項(xiàng)”)，聚焦航空航天、汽車以及船舶、發(fā)電領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的需求，進(jìn)行重點(diǎn)支持。
“十二五”以來，總體來說國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)，在國內(nèi)中低端數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)已占有明顯優(yōu)勢(shì)。04專項(xiàng)對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動(dòng)作用，加快了高檔數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的技術(shù)研發(fā)步伐，促進(jìn)了機(jī)床企業(yè)與航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領(lǐng)域的用戶企業(yè)的結(jié)合;一批高檔數(shù)控機(jī)床(如車銑復(fù)合加工中心、大型龍門式 5 軸聯(lián)動(dòng)加工中心、多主軸鏡像銑削機(jī)床等)實(shí)現(xiàn)了從“無”到“有”，并成功應(yīng)用于重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程的實(shí)際生產(chǎn);濟(jì)南二機(jī)床已有 9 條用于大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線出口至福特汽車集團(tuán)(美國)，并進(jìn)一步拓展到日產(chǎn)汽車公司(日本)、標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)(法國)，進(jìn)入國際市場(chǎng);5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床精度測(cè)試“S試件”標(biāo)準(zhǔn)列入 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)我國在國際高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域“零”的突破。2015年，國家全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”等10大領(lǐng)域被列為重點(diǎn)。2016年，我國機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)出數(shù)控化率和機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)數(shù)控化率均接近 80％ 的水平，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)控化升級(jí)。我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)，企業(yè)創(chuàng)新能力不足、核心技術(shù)缺失、專業(yè)人才不足、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡等深層次問題也逐漸顯現(xiàn)，2019年國內(nèi)機(jī)床行業(yè)兩大巨頭——大連機(jī)床和沈陽機(jī)床分別走向破產(chǎn)和重整，并被中國通用技術(shù)集團(tuán)重組。與此同時(shí)，一批數(shù)控機(jī)床后起之秀異軍突起，以東部沿海地區(qū)為主形成了面向市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)聚集地區(qū)等[14]。
2.3
“十八羅漢”機(jī)床企業(yè)變遷和04專項(xiàng)標(biāo)志性成果
2.3.1
“十八羅漢”變遷和民營機(jī)床企業(yè)快速發(fā)展
2.3.1.1 “一五”時(shí)期布局的“十八羅漢”骨干機(jī)床企業(yè)
“一五”時(shí)期，我國由蘇聯(lián)及東歐國家援建了156項(xiàng)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，其中涉及機(jī)床工業(yè)的項(xiàng)目有：新建沈陽第一機(jī)床廠和武漢重型機(jī)床廠、改建沈陽第二機(jī)床廠(即中捷友誼廠)，此外在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，一機(jī)部按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機(jī)床企業(yè)，這些企業(yè)及其專業(yè)產(chǎn)品分工見表1。
在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，“十八羅漢”和“七所一院”快速建立了我國較完整的機(jī)床工具產(chǎn)業(yè)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(yè)化發(fā)展，并為改革開放后制造業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，“十八羅漢”經(jīng)過多次改革，經(jīng)營機(jī)制、管理體制、所有制結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大變化。經(jīng)過40多年發(fā)展變遷，曾經(jīng)作為我國機(jī)床行業(yè)主力軍的“十八羅漢”企業(yè)中，一部分改革創(chuàng)新穩(wěn)定發(fā)展，如濟(jì)南二機(jī)床已發(fā)展為世界三大數(shù)控沖壓裝備制造商之一，同時(shí)還生產(chǎn)大重型金屬切削機(jī)床，成為“中國名牌”;一部分企業(yè)仍在改革調(diào)整之中，例如，沈陽機(jī)床、大連機(jī)床、齊二機(jī)床等已進(jìn)入中國通用技術(shù)集團(tuán)，并與集團(tuán)下屬的北京機(jī)床研究所、哈爾濱量具刃具公司、天津一機(jī)床等共同組成了先進(jìn)制造與技術(shù)服務(wù)主業(yè)中的機(jī)床板塊;少數(shù)企業(yè)已經(jīng)破產(chǎn)不再經(jīng)營，如長(zhǎng)沙機(jī)床廠。
2.3.1.2 機(jī)床工業(yè)后起之秀和產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)
近10年來，一批民營數(shù)控機(jī)床企業(yè)異軍突起，在國內(nèi)外市場(chǎng)產(chǎn)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(shù)控(蘇州)、寧波海天精工、武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控等，它們是在數(shù)控機(jī)床行業(yè)國內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中崛起的后起之秀，成為中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外，以市場(chǎng)和用戶需求為導(dǎo)向，東部沿海地區(qū)則形成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，如山東滕州中小機(jī)床之都、江蘇泰州特種加工機(jī)床基地、浙江溫嶺工量具機(jī)床名城、浙江玉環(huán)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床之都、浙江寧波模具之都、安徽博望刃具之鄉(xiāng)等，它們?yōu)閿?shù)控機(jī)床市場(chǎng)繁榮帶來了新鮮的活力和特色。
2.3.2
04 專項(xiàng)標(biāo)志性成果和關(guān)鍵裝備
04專項(xiàng)于2009年啟動(dòng)實(shí)施，“十一五”期間，通過支持8大類、57種主機(jī)產(chǎn)品部署課題任務(wù)，重點(diǎn)解決“有無”問題;“十二五”期間，聚焦高檔數(shù)控系統(tǒng)、功能部件及成套裝備和生產(chǎn)線的研發(fā);“十三五”期間，進(jìn)一步重點(diǎn)聚焦航空航天、汽車兩大領(lǐng)域，著力攻克數(shù)控系統(tǒng)與功能部件、可靠性和精度保持性技術(shù)、加工效率與工藝水平提升等問題?？傮w上，專項(xiàng)課題部署覆蓋了實(shí)施方案確定的重點(diǎn)任務(wù)，涵蓋了重點(diǎn)領(lǐng)域急需的關(guān)鍵制造裝備，部分先進(jìn)企業(yè)在專項(xiàng)實(shí)施過程中充分了解用戶需求，由此催生出一批關(guān)鍵制造裝備，具備了一定的國際競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力[15]。
在04專項(xiàng)支持下研制了一批高檔數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備，標(biāo)志性裝備及相關(guān)技術(shù)成果如下[15-17]：
(1 )航空領(lǐng)域大型關(guān)鍵成套制造裝備。成功研制一批典型航空結(jié)構(gòu)件加工所需的切削/成形裝備，如8萬噸( 800MN )大型模鍛壓力機(jī)、龍門及臥式5軸聯(lián)動(dòng)加工中心、大型翻板臥式加工中心、復(fù)合材料鋪帶機(jī)和鋪絲機(jī)等，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。
(2 )運(yùn)載火箭大型特種制造裝備。多主軸鏡像銑削加工機(jī)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(dòng)化鉚接裝備等制造裝備得到示范應(yīng)用，掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主可控，為載人航天、空間站工程和新一代運(yùn)載火箭提供了有力支撐。
(3 )汽車大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線。形成了“汽車車身大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線”等優(yōu)勢(shì)技術(shù)和產(chǎn)品，裝備了國內(nèi)幾乎所有自主品牌、合資品牌的汽車企業(yè)，國內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)70％以上，國際市場(chǎng)占有率達(dá)30％，徹底擺脫了國產(chǎn)汽車高檔沖壓設(shè)備主要依賴進(jìn)口的局面。
(4 )動(dòng)力總成(汽車發(fā)動(dòng)機(jī))關(guān)鍵加工裝備。面向動(dòng)力總成的關(guān)鍵加工裝備精密臥式加工中心實(shí)現(xiàn)100％數(shù)字化設(shè)計(jì)，突破了熱誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)，可靠性大幅提升，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和主要功能部件配套率顯著提高。
(5 )發(fā)電設(shè)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(jī)、超重型立式車銑復(fù)合加工中心、重型橋式龍門 5軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合機(jī)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(shù)控立柱移動(dòng)立式銑車機(jī)床、大型組合式曲軸車銑復(fù)合機(jī)床，解決了國家重大工程急需，填補(bǔ)國內(nèi)空白，我國船舶用高檔數(shù)控重型機(jī)床已可滿足船舶自主化制造的需求。
(7 )光學(xué)元件超精密關(guān)鍵制造裝備。突破了超精密制造機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)，研制出主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平的一批超精密加工關(guān)鍵裝備，構(gòu)建直接應(yīng)用于國家重大光學(xué)工程的 3 條示范生產(chǎn)線，完成國家重大工程所需的典型光學(xué)元件試制。
(8 )高檔數(shù)控機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件 FMS 生產(chǎn)線、高壓油泵驅(qū)動(dòng)單元凸輪軸智能生產(chǎn)線、汽車自動(dòng)變速器齒輪(箱)數(shù)字制造工藝裝備鏈、螺紋/螺桿數(shù)字制造工藝裝備鏈、汽車輪轂智能制造島、五軸機(jī)床鋁合金肋板類臥式加工生產(chǎn)線等，在航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。
(9 )高檔數(shù)控系統(tǒng)。多通道、多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際主流產(chǎn)品技術(shù)水平，功能與之相當(dāng)，可靠性有效提升，打破國外數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，實(shí)現(xiàn)了在航空航天重點(diǎn)企業(yè)的批量示范應(yīng)用。
(10 )高檔數(shù)控機(jī)床功能部件及配套體系。高速、高精、重載滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌產(chǎn)品性能及市場(chǎng)占有率均明顯提高，功能部件配套體系逐步完善。
(11 )關(guān)鍵領(lǐng)域所需成套刀具及成套裝備。工具行業(yè)技術(shù)水平明顯提升，研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化能力明顯增強(qiáng)，在航空和汽車行業(yè)基本具備刀具整體配套能力。
