1.1
工业化进程和机床进化史
18 世纪的工业革命后，机床随着不同的工业时代发展而进化并呈现出各个时代的技术特点。如图 1 所示，对应于工业 1.0~ 工业 4.0 时代，机床从机械驱动/手工操作(机床 1.0 )、电力驱动/数字控制(机床 2.0 )发展到计算机数字控制(机床3.0）并正在向赛博物理机床 （Cyber-physical machine )/云解决方案(机床 4.0 )演化发展[2] 。
1.2
数控机床发展历程特点及几个重要拐点
1.3
数控机床关键和核心技术的发展演进
1.3.1
数控机床结构
机床结构主要包括两大部分：机床的各固定部分(如底座、床身、立柱、头架等)、携带工件和刀具的运动部分，这两部分现在通称为机床基础件和功能部件。
以常见的车削和铣削为例，典型的数控机床结构演进过程如图3所示。数控车削机床结构从早期的2轴进给平床身、2轴进给斜床身等经典结构，发展到4轴进给和双刀架、多主轴和多刀等用于回转体类零件高效率车削的加工中心结构，进一步发展为可适应复杂零件“一次装夹、全部完工(done in one )”的多功能车铣复合加工中心结构。数控铣削加工机床结构从早期主要实现坐标轴联动和主轴运动功能的经典立/卧式铣床结构，发展到带刀库和自动换刀机构的3轴联动立/卧式铣削加工中心结构、带交换工作台的立/卧式铣削加工中心结构，为满足复杂结构件高效率加工需求，又出现了4轴联动和5轴联动的铣削加工中心结构，随后以铣削/镗削加工为主、兼有车削/钻削加工功能的多功能铣车复合加工中心结构得到快速发展和应用。在5轴联动发展过程中，来自于机器人的并联虚拟轴概念被引入到数控机床，出现了并联或串并联结合5轴联动的形式，但实际应用有限。当前，在同一台数控机床上实现“增材加工＋切削加工”功能的增减材混合加工新型结构机床已经进入实用化发展阶段。
在数控机床结构发展演进过程中，数控机床结构布局(配置方案、优化设计)和材料选用等方面的技术也不断进步。为满足高精度、高刚度、良好热稳定性、长寿命和高精度保持性、绿色化和宜人性等对机床结构的要求，研究者们先后提出了重心驱动(DCG )设计、箱中箱(BIB )、直接驱动(DDT )、热平衡设计与补偿、全对称结构设计等设计原则和技术;在机床结构设计和优化中应用了零部件整体结构有限元分析优化、轻量化设计、结构拓扑优化、仿生结构优化等方法;采用虚拟机床理念和方法，大大缩短了数控机床设计制造周期。数控机床床身结构材料从以铸铁、铸钢为主，发展到越来越多地采用树脂混凝土(矿物铸件、人造大理石)、人造花岗岩等材料。此外，钢纤维混凝土、碳纤维复合材料、泡沫金属等新型结构材料也已有应用。未来，新型材料、新型优化结构和新型制造工艺方法将使数控机床结构更加轻量化，并具有更好的静动态刚度和稳定性[5-6]。
1.3.2
主轴和进给伺服驱动技术
主轴的作用是带动刀(磨)具(钻削/铣削/磨削)或工件(车削)按给定速度旋转，并传递切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上实现材料去除。数控机床主轴的发展过程中出现了非调速的交流电动机经主轴箱传动的机械式主轴、电动机与主轴一体化的电主轴、高速电主轴、高刚性大扭矩高速电主轴和智能式主轴等[7]。
机床进给轴的伺服驱动方式从步进电机、电液比例伺服、晶闸管变流和 PWM 控制的直流电动机伺服等形式，发展到现在成为主流的矢量控制交流电动机伺服、双电机重心驱动、直线电动机/力矩电动机直接驱动等形式，而且多采用带有位置环、速度环、电流环和“前馈＋滤波”的全闭环控制，为各坐标轴进给提供高速度、高精度、高动态响应的运动控制。此外，伺服控制模式从模拟量控制，经过“模拟量＋数字量”混合控制模式，发展为全数字式现场工业总线控制模式，如串行实时通信协议总线、实时以太网控制自动化技术总线、过程现场总线等[8]。
主轴和进给伺服轴驱动技术的发展演进如图4 所示。
1.3.3
数控装置
数控装置是数控机床控制的中枢，如前所述，数控装置紧随电子技术、计算机技术、信息技术的发展而演变进化，其发展过程可分为7代(图5 )，第1、2、3代是分别采用电子管分立元件、晶体管、集成电路的数控装置，处于数控装置发展初期，体积和功耗大，可靠性低，实用性差。第4代为采用小型电子数字计算机的CNC装置，相对于前几代，其硬件平台结构紧凑、专用性强、可靠性大大提高，数控技术进入到计算机数控的新轨道，从而使数控机床真正地进入到实用阶段并加快了迭代和发展，此即为数控机床发展的第1个拐点，直接数控(DNC)、柔性制造系统(FMS)等概念和系统相继出现。随着超大规模集成电路微型中央处理器技术成熟，第5代数控装置将基于微处理器的专用硬件或单板机用作其硬件平台，进一步减小了硬件体积，降低了成本，但其硬件结构的兼容性和开放性较差。20世纪80年代，第6代数控装置中采用了个人微型计算机(PC)，带来了数控机床发展的第2个拐点。借用PC成熟的软/硬件平台、丰富的应用资源和通用的网络化接口等特点，数控装置的研究开发转向以软件算法实现各种功能，即进入到开放式、网络化和软件化数控阶段。随着工业 4.0 发展，融合智能传感、物联网/工业互联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生和赛博物理系统的第7代智能数控装置及智能机床正在向我们走来，这将给数控技术发展带来一个新拐点，甚至可能带来一次新的革命。
1.3.4
多轴联动与轨迹插补技术
多轴联动控制技术是数控机床控制的核心技术之一。数控机床各进给轴(包括直线坐标进给轴和回转坐标进给轴)在数控装置控制下按照程序指令同时运动称为多轴联动控制。高档数控机床一般都具有3轴或3轴以上联动控制功能，多为4轴联动或5轴联动。各个进给坐标轴的运动一般由电动机在伺服驱动器控制下实现，因此，高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动控制的物理基础。多轴联动控制就是根据数控加工程序给出运动轨迹(即走刀轨迹)，通过轨迹插补和实时控制，在每个伺服控制周期给出各个联动坐标轴的运动增量，实时控制所有坐标轴的联动。
轨迹插补也是数控机床控制的核心技术之一。实现插补运算的装置(或软件模块)称为插补器，现代数控机床普遍采用数字计算机通过软件实现轨迹插补。轨迹插补技术的发展过程如图6所示。从实现的插补功能角度来看，2轴联动的平面点位控制、平面直线和圆弧插补是最简单的插补功能;2．5轴联动插补实际上只有2轴联动控制，其第3轴只能实现与另外2轴非联动的控制，这样的联动插补方式可加工3D的曲线和曲面，但效率低、适应性差;3轴联动插补除了实现平面和空间的直线插补、圆弧插补功能外，高档数控系统还具有螺旋线插补、抛物线插补等功能;5 轴联动插补可高效方便地实现各种复杂曲线和曲面插补的功能，并进一步发展样条插补和先进的速度、加速度、加速度变化率(Jerk )等控制功能，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技术。笔者认为，未来的数控装置还将发展自由曲面直接插补功能(SDI )，并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹规划相结合，在考虑多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速度约束条件下，实现由3D模型驱动的刀轨生成和最优控制的多轴联动直接插补。
1.4
加工效率和加工精度的进展
2.1
我国数控机床发展的产业基础
2.1.1
机床工业的萌芽阶段
从洋务运动到新中国建立前，中国机床工业处于萌芽阶段。
19 世纪洋务运动期间，曾国藩“访募覃思之士、智巧之匠”，“觅制器之器与制器之人”。1863年容闳受曾国藩委派，历时两年从美国采购了第1 批机床设备，开始将西方现代机床工具引入中国。随后，江南机器制造总局自制出一批机床。到20世纪上半叶陆续建立了重庆机床厂、长沙机床厂、中央机器厂等一批机床厂，20世纪40年代，东北、上海、江浙等地又建立了一批机床制造企业，后来成长为沈阳三机、上海机床、济南一机、南京机床、无锡机床等国内知名的机床厂[11]。
从新中国成立到改革开放前(1949~1978 )的20年，中国机床工业发展可分为奠基阶段和大规模建设阶段。
1949年新中国成立后，中国机床工业开始进入快速发展时期。“一五”时期(1953~1957 )，在苏联专家指导下，第一机械工业部(简称“一机部”)按专业分工规划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业，还建立了以北京金属切削机床研究所(北京机床研究所的前身)为代表的被称为“七所一院”的一批机床工具研究机构。到1957年，一机部直属企业在机床、工具、磨料磨具和机床附件方面的产品产量都占全国的 90％以上。相关产品产量的国内自给率达 80％左右。机床工具工业成为一个独立的工业部门，为后续发展奠定了基础，这一时期是中国机床工业的奠基阶段。
1958~1978年期间，中国机床工业进入大规模建设阶段。60年代初期开展了高精度精密机床战役，通过攻关累计掌握5类26种高精度精密机床技术，机床精度、质量和工艺水平普遍提高。60年代中期开始的“三线建设”中，在川、黔、陕、甘、宁、青、豫西、鄂西等地区，由老厂老所迁建、包建了33个机床工具企业，改善了行业的地区布局，其中，为中国第二汽车制造厂(以下简称“二汽”)提供成套设备成为集机床工具行业技术能力和展示其发展水平的又一个全行业性大“战役”，大大提升了行业技术水平和能力。与此同时，国家大力支持发展大型、重型和超重型机床，以满足国民经济建设之所需。
2.2
我国数控机床发展历程
2.2.1
初始发展阶段——相对封闭的技术研发
在我国机床工业尚处在奠基发展的时期，美国于1952 年研制出了世界上第1台3轴联动数字控制铣床，机床开始向数控化发展。1958年北京第一机床厂与清华大学合作研发出了中国第1台数控铣床，仅比世界第1台数控机床晚6年。到1972年我国能提供数控线切割机、非圆插齿机和劈锥铣等少数品种的数控机床产品。从第1台国产数控机床研制成功到20世纪70年代中期，我国的数控机床处于初期技术研究探索阶段，只进行了少量产品试制工作，尚未全面开展数控机床关键技术攻关研究和工业化开发生产。70年代中后期，全面启动了数控机床研制生产工作，1975年齐齐哈尔第二机床厂完成了国产第1台数控龙门式铣床的研制。由于受到当时国内外形势限制，缺乏与先进工业国家的技术交流，彼此数控机床技术的研究开发基本上处于封闭的状态。
可以说，中国数控机床最早的研制工作几乎是与世界同步的，虽然起步较早，但初期数控机床技术研究和产业发展基本上处于一种封闭状态，从1958年到1978年改革开放前，数控机床关键技术研究开发及产业发展缓慢。相对于美、日和欧洲先进工业国家在70年代末和80年代初就已实现了机床产品的数控化升级换代，我国的机床数控化进程到70年代末才刚刚开始，并且这一升级换代过程历经了多重曲折困难，直到30多年后，机床工业的产品数控化升级换代才得以全面实现[12]。2.2.2
持续攻关和产业化发展阶段——初步建立产业体系并推进产业化
1978年后，随着国家的改革开放，我国数控机床进入一个新的发展时期。80年代初期，通过引进数控系统、机床主机技术，并与国外公司联合设计，我国开始研制和生产数控机床，例如：青海第一机床厂根据机械工业部安排与日本FANUC合作，研制成功国内第1台卧式数控加工中心XH754 (1980年);北京机床研究所与北京第三机床厂合作研制成功国内首个 JCS-FMC-1/2卧/立式加工柔性单元，北京机床所与日本FANUC合作研发的我国第1条回转体加工柔性制造系统投入生产;南京机床厂与德国TRAUB公司合作生产TND360数控车床，成批量应用于生产;北京航空航天大学研制的国内首台微型计算机数控系统 CNC-4D 成批量成功应用于航空企业XK5040铣床的数控化改造(1983年)。“六五”期间(1981~ 1985 )，对数控机床采用直接从国外“引进技术”的方式，通过许可证贸易、合作生产、购进样机等方式，引进数控机床及相关技术183项，开发出数控机床新品种81种，累计可供品种达113种，这成为我国数控机床从展品、样机走向商品的一个分水岭。
“七五”期间(1986~1990 )，国家安排了数控机床科技攻关专题和以引进技术“消化吸收”为主要内容的“数控一条龙”项目，包括5种机床主机和3种数控系统的消化吸收国产化。
“八五”期间(1991~1995 )，以“自主开发”为重点支持国产数控系统的技术攻关和产品开发，成功开发出了具有当时国际先进技术水平的中华Ⅰ型 (北京珠峰公司和北京航空航天大学联合开发)，华中Ⅰ型(武汉华中数控)和蓝天Ⅰ型(沈阳高档数控国家工程研究中心)等高档数控系统。
“九五”期间(1996~2000 )，以推进数控机床“产业化”为重点，在技术方面基于工业 PC 平台的普及型数控系统开始走向实用，并且攻克了开放式网络化多通道多轴联动技术;在产品方面，重点发展数控车床、加工中心、数控磨床、数控电加工机床、数控锻压机床和数控重型机床等6大类产品，形成主机批量生产能力和关键配套能力，到2000年，我国数控机床品种达1500种，还研发出了5轴联动数控加工中心并投入市场，但此期间机床工业的产值数控化率一直在 20％左右徘徊，产量数控化率不足 10％;在产业方面，国产数控机床面向市场竞争的产业化发展步伐加快，开始进入市场竞争阶段[13]。
2.2.3
高速发展和转型升级阶段——数控技术快速普及和产品升级换代
“十五”期间(2001~2005 )，随着 2002 年中国正式加入WTO，我国数控机床进入高速发展时期，国产数控机床产量以超过30％的幅度逐年增长，国产5轴联动加工中心和5面体龙门式加工中心为能源、汽车、航空航天等国家重点建设工程提供了关键装备。这期间，在国家“863计划”中还实施了“高精尖数控机床”重点专项，支持了航空、汽车等部分重点领域急需的高精尖数控装备研制。
“十一五”期间(2006~2010 )，我国机床工业保持持续稳定高速发展，2007 年沈阳机床和大连机床分别进入全球机床行业前 10 强。一方面，一批机床企业“走出去”，到发达国家进行技术并购，如沈阳机床在德国设立技术研发中心，大连机床、沈阳机床、北一机床分别并购 Ingersoll (美国)、Schiess (德国)和 Waldrich-Coburg (德国)等。另一方面，国内市场对中高档数控机床需求急增，机床企业加大产品研发力度，“十一五”期间金属切削机床中的数控机床产量达 72.8万台，与“十五”期间相比，增长 281％，产量数控化率从15％(2006 年)提高到30％( 2010年);一批民营数控机床企业开始快速发展，其产品在一些细分领域(如3C、汽车零部件和家电等)占有重要地位。从2009年开始，中国在金属加工机床的生产、消费和进口三个方面均列世界第一，并保持到 2018年。2009年，国家出台«装备制造业调整和振兴规划»，启动实施“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04 专项”)，聚焦航空航天、汽车以及船舶、发电领域对高档数控机床与基础制造装备的需求，进行重点支持。
“十二五”以来，总体来说国产数控机床市场竞争力不断增强，在国内中低端数控机床市场已占有明显优势。04专项对高档数控机床技术和产业发展发挥了重要推动作用，加快了高档数控机床、数控系统和功能部件的技术研发步伐，促进了机床企业与航空航天、汽车、船舶和发电等领域的用户企业的结合;一批高档数控机床(如车铣复合加工中心、大型龙门式 5 轴联动加工中心、多主轴镜像铣削机床等)实现了从“无”到“有”，并成功应用于重点领域和重点工程的实际生产;济南二机床已有 9 条用于大型快速高效全自动冲压生产线出口至福特汽车集团(美国)，并进一步拓展到日产汽车公司(日本)、标致雪铁龙集团(法国)，进入国际市场;5 轴联动数控机床精度测试“S试件”标准列入 ISO 标准，实现我国在国际高档数控机床技术标准领域“零”的突破。2015年，国家全面推进实施制造强国战略，“高档数控机床和机器人”等10大领域被列为重点。2016年，我国机床工业的产出数控化率和机床市场的消费数控化率均接近 80％ 的水平，基本实现了机床产品的数控化升级。我国数控机床产业在高速发展的同时，企业创新能力不足、核心技术缺失、专业人才不足、技术基础薄弱和产业结构失衡等深层次问题也逐渐显现，2019年国内机床行业两大巨头——大连机床和沈阳机床分别走向破产和重整，并被中国通用技术集团重组。与此同时，一批数控机床后起之秀异军突起，以东部沿海地区为主形成了面向市场的数控机床产业聚集地区等[14]。
2.3
“十八罗汉”机床企业变迁和04专项标志性成果
2.3.1
“十八罗汉”变迁和民营机床企业快速发展
2.3.1.1 “一五”时期布局的“十八罗汉”骨干机床企业
“一五”时期，我国由苏联及东欧国家援建了156项重点工程项目，其中涉及机床工业的项目有：新建沈阳第一机床厂和武汉重型机床厂、改建沈阳第二机床厂(即中捷友谊厂)，此外在苏联专家指导下，一机部按专业分工规划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业，这些企业及其专业产品分工见表1。
在计划经济环境下，“十八罗汉”和“七所一院”快速建立了我国较完整的机床工具产业和科研体系，支撑了建国后直至1978年改革开放前我国的工业化发展，并为改革开放后制造业的快速发展奠定了基础。近年来，“十八罗汉”经过多次改革，经营机制、管理体制、所有制结构都发生了很大变化。经过40多年发展变迁，曾经作为我国机床行业主力军的“十八罗汉”企业中，一部分改革创新稳定发展，如济南二机床已发展为世界三大数控冲压装备制造商之一，同时还生产大重型金属切削机床，成为“中国名牌”;一部分企业仍在改革调整之中，例如，沈阳机床、大连机床、齐二机床等已进入中国通用技术集团，并与集团下属的北京机床研究所、哈尔滨量具刃具公司、天津一机床等共同组成了先进制造与技术服务主业中的机床板块;少数企业已经破产不再经营，如长沙机床厂。
2.3.1.2 机床工业后起之秀和产业聚集区
近10年来，一批民营数控机床企业异军突起，在国内外市场产生重要影响，如北京精雕、四川普什宁江、大连光洋/科德、上海拓璞、纽威数控(苏州)、宁波海天精工、武汉华中数控、广州数控等，它们是在数控机床行业国内外市场竞争中崛起的后起之秀，成为中国数控机床产业发展新的有生力量。另外，以市场和用户需求为导向，东部沿海地区则形成了数控机床产业聚集区，如山东滕州中小机床之都、江苏泰州特种加工机床基地、浙江温岭工量具机床名城、浙江玉环经济型数控车床之都、浙江宁波模具之都、安徽博望刃具之乡等，它们为数控机床市场繁荣带来了新鲜的活力和特色。
2.3.2
04 专项标志性成果和关键装备
04专项于2009年启动实施，“十一五”期间，通过支持8大类、57种主机产品部署课题任务，重点解决“有无”问题;“十二五”期间，聚焦高档数控系统、功能部件及成套装备和生产线的研发;“十三五”期间，进一步重点聚焦航空航天、汽车两大领域，着力攻克数控系统与功能部件、可靠性和精度保持性技术、加工效率与工艺水平提升等问题。总体上，专项课题部署覆盖了实施方案确定的重点任务，涵盖了重点领域急需的关键制造装备，部分先进企业在专项实施过程中充分了解用户需求，由此催生出一批关键制造装备，具备了一定的国际竞争实力[15]。
在04专项支持下研制了一批高档数控机床和基础制造装备，标志性装备及相关技术成果如下[15-17]：
(1 )航空领域大型关键成套制造装备。成功研制一批典型航空结构件加工所需的切削/成形装备，如8万吨( 800MN )大型模锻压力机、龙门及卧式5轴联动加工中心、大型翻板卧式加工中心、复合材料铺带机和铺丝机等，填补了国内空白，实现了进口替代。
(2 )运载火箭大型特种制造装备。多主轴镜像铣削加工机床、大型龙门式 5轴加工中心、重型5轴龙门式搅拌摩擦焊装备、自动化铆接装备等制造装备得到示范应用，掌握了核心关键技术，实现了自主可控，为载人航天、空间站工程和新一代运载火箭提供了有力支撑。
(3 )汽车大型快速高效全自动冲压生产线。形成了“汽车车身大型快速高效全自动冲压生产线”等优势技术和产品，装备了国内几乎所有自主品牌、合资品牌的汽车企业，国内市场占有率达70％以上，国际市场占有率达30％，彻底摆脱了国产汽车高档冲压设备主要依赖进口的局面。
(4 )动力总成(汽车发动机)关键加工装备。面向动力总成的关键加工装备精密卧式加工中心实现100％数字化设计，突破了热误差综合补偿技术，可靠性大幅提升，国产数控系统和主要功能部件配套率显著提高。
(5 )发电设备重型制造装备。成功研制 3．6万吨(360MN )黑色金属垂直挤压机、超重型立式车铣复合加工中心、重型桥式龙门 5轴联动车铣复合机床等，为第三代核电提供了有效支撑。
(6 )大型船舶制造装备。成功研制 25m 数控立柱移动立式铣车机床、大型组合式曲轴车铣复合机床，解决了国家重大工程急需，填补国内空白，我国船舶用高档数控重型机床已可满足船舶自主化制造的需求。
(7 )光学元件超精密关键制造装备。突破了超精密制造机床关键技术，研制出主要技术指标达到国际先进水平的一批超精密加工关键装备，构建直接应用于国家重大光学工程的 3 条示范生产线，完成国家重大工程所需的典型光学元件试制。
(8 )高档数控机床成套装备。成功研制出箱体类零件加工 FMC50 柔性制造单元、航天发动机关重件 FMS 生产线、高压油泵驱动单元凸轮轴智能生产线、汽车自动变速器齿轮(箱)数字制造工艺装备链、螺纹/螺杆数字制造工艺装备链、汽车轮毂智能制造岛、五轴机床铝合金肋板类卧式加工生产线等，在航空航天、汽车等领域实现应用。
(9 )高档数控系统。多通道、多轴联动数控系统关键技术指标达到国际主流产品技术水平，功能与之相当，可靠性有效提升，打破国外数控系统产品一统天下的局面，实现了在航空航天重点企业的批量示范应用。
(10 )高档数控机床功能部件及配套体系。高速、高精、重载滚珠丝杠和直线导轨产品性能及市场占有率均明显提高，功能部件配套体系逐步完善。
(11 )关键领域所需成套刀具及成套装备。工具行业技术水平明显提升，研发能力和产业化能力明显增强，在航空和汽车行业基本具备刀具整体配套能力。
