裝備工業的技術水平和現代化程度決定了整個國民經濟的水平和現代化程度。數控技術與裝備是發展新興高技術產業和尖端產業(如信息技術及其產業、生物技術及其產業、航空、航天等國防工業)的使能技術和最基礎的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區別不在於生產什麽，而在於如何生產，用什麽勞動手段生產”。制造技術和裝備是人類生產活動中最基本的生產資料，數控技術是當今先進制造技術和裝備的核心技術。當今世界，數控技術被廣泛應用於制造業，以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭力。此外，世界發達國家還將數控技術和裝備列為國家戰略物資，不僅采取重大措施發展本國數控技術和產業，還對我國“高精”數控關鍵技術和裝備實施封鎖和限制政策。總之，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術，已經成為世界發達國家加快經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數控技術是利用數字信息控制機械的運動和工作過程的技術。數控裝備是以數控技術為代表的新技術向傳統制造業和新興制造業滲透而形成的機電壹體化產品，即所謂的數字化裝備。其技術範圍涵蓋多個領域:(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工和傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。
1國內外數控技術的發展
世界制造業在20世紀最後十年經歷了幾次反復，壹度幾乎成為夕陽產業，所以美國人首先提出振興現代制造業。20世紀90年代，世界數控機床制造業經歷了重大重組。比如美國、德國等幾大制造商都發生了很大的變化，從90年代初開始明顯反彈，形成了全世界制造業技術升級的新浪潮。比如德國機床行業從2000年開始，三個月後接受訂單合同，生產任務滿。
20世紀人類社會最偉大的科技成就是計算機的發明和應用。計算機和控制技術在機械制造設備中的應用是本世紀制造業發展中最重大的技術進步。從1952年美國的1數控銑床問世到現在已經50年了。數控設備包括車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工和各種專機，形成了數控制造設備的龐大家族，全球年產量65，438+000 ~ 20萬臺，產值數百億美元。
世界制造業在20世紀最後十年經歷了幾次反復，壹度幾乎成為夕陽產業，所以美國人首先提出振興現代制造業。20世紀90年代，世界數控機床制造業經歷了重大重組。比如美國、德國等幾大制造商都發生了很大的變化，從90年代初開始明顯反彈，形成了全世界制造業技術升級的新浪潮。比如德國機床行業從2000年開始，三個月後接受訂單合同，生產任務滿。
中國數控機床制造業在20世紀80年代有壹個高速發展階段，許多機床廠實現了從傳統產品向數控產品的轉變。但總的來說，技術水平不高，質量也不好。所以在90年代初，面臨國民經濟從計劃經濟向市場經濟的轉移和調整，經歷了幾年來最艱難的蕭條，當時產能下降到50%，庫存超過4個月。從1995“九五”以後，國家通過擴大內需啟動機床市場，加強限制數控設備進口的審批，主要投入支持關鍵數控系統、設備和技術研究，極大地促進了數控設備的生產。特別是1999之後，國家在國防工業和重點民用行業投入了大量的技術改造資金，使得數控裝備制造市場繁榮起來。從2000年8月的上海數控機床展和2001年4月的北京國際機床展也可以看出多種產品的繁榮。但這也反映了以下問題:
(1)低技術產品競爭激烈，互相壓低價格促進；
(2)高科技、全功能產品主要依賴進口；
(3)數控系統配套的優質功能部件和附件主要進口；
(4)應用技術水平低，組網技術沒有完全普及；
(5)自主開發能力差、技術水平相對較高的產品主要依靠進口圖紙、合資生產或進口零部件組裝。
當今世界工業國家擁有數控機床的數量反映了國家的經濟能力和國防實力。目前中國擁有世界上最多的機床(近300萬臺)，但我們的機床數控化率只有1.9%左右，與西方工業國家壹般的20%相差太遠。日本機床不到80萬臺，但制造能力是中國的近10倍。現有數控機床的數控率低、利用率低、開機率低，是21世紀發展中國制造業必須首先解決的最重要問題。中國每年生產3000 ~ 4000臺全功能數控機床，日本1生產5萬多臺數控機床。我們每年花費十幾億美元進口7000 ~ 9000臺數控機床。即便如此，中國制造業也很難大幅提升行業數控化率。因此，國家計委和經貿委從“八五”和“九五”提出了數控化改造的方針。“九五”期間，我們協會也進行了研究。屆時，擬進行數控改造的設備數量可達80 ~ 65438+萬臺，需要投資800 ~ 10億元，但經濟效益將是投資的5 ~ 10倍以上。所以這兩年湧現了壹大批企業公司，甚至有美國公司加入。十五之初，國防科工委明確提出對軍工企業投資6.8億元用於1.2 ~ 1.8萬臺機床的數控化改造。
經過50年兩個階段、六代的發展，數控技術；
階段1:硬件數控(NC)
1代:1952電子管
第二代:1959晶體管分離元件
第三代:1965小規模集成電路
第二階段:軟件數控(CNC)
第四代:1970小型計算機
第五代:1974微處理器
第六代:1990基於個人電腦(PC-baseo)
第六代系統的優勢主要包括:
(1)元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性達到50000小時以上；
(2)基於PC平臺，技術進步快，升級容易；
(3)提供了開放的基礎，可用的軟硬件資源豐富，使數控功能可以擴展到廣泛的領域(如CAD、CAM、CAPP、連接網卡、聲卡、打印機、相機等。);
(4)對於數控系統制造商來說，它提供了壹個優秀的開發環境，簡化了硬件。
目前世界上最大的數控系統生產廠家是日本FANUC公司，1年生產5萬多套系統，約占世界市場的40%，其次是德國西門子公司，占15%以上，其次是德國海德堡、西班牙福格、意大利菲迪亞、法國NUM、三菱、日本安川。
國內數控系統廠商主要有華中數控、北京航天機床數控集團、北京凱恩帝、北京凱奇、沈陽壹天、廣州數控、南京新方達、成都廣泰等。國內數控廠商規模較小，年產量不超過300 ~ 400臺。
近10年來，為了適應機械加工技術的發展，數控機床在以下技術領域取得了巨大的進步。
(1)高速
由於高速加工技術的普及，機床各方面的速度普遍提高。車床主軸轉速由3000 ~ 4000轉/分提高到8000 ~ 10000轉/分，銑床和加工中心主軸轉速由4000 ~ 8000轉/分提高到12000轉/分，24000轉/分。快速移動速度從10 ~ 20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min。同時要求提高運動部件的啟動加速度，由過去壹般機床的0.5G(重力加速度)提高到1.5 ~ 2g，最高達到65438。
(2)高精度
數控機床定位精度從0.01 ~ 0.02 mm提高到0.008mm左右，亞微米機床提高到0.0005mm左右，納米級機床提高到0.005 ~ 0.01微米，最小分辨率為1 nm (0.00001 mm)。
數控兩軸以上插補技術大幅提升。納米級的插補可以使兩軸鏈接的圓弧達到1μ。在插補之前，提前讀入了很多程序段，大大提高了插補質量，可以進行自動拐角處理。
(3)復合加工和新結構機床大量出現。
比如5軸5面復合加工機床，5軸5聯動加工各種異形零件。還衍生出各種新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床、串並聯鉸鏈機床等。采用特殊的機械結構、特殊的數控運行方式和特殊的編程要求。
(4)使用各種高效專用工具，使數控機床“更強大”。例如，內部冷卻鉆頭在鉆深孔時大大提高了效率，因為高壓冷卻液直接冷卻鉆頭的切削刃並去除切屑。鋼零件切割速度可達1000m/min，鋁零件切割速度可達5000m/min。
(5)數控機床的開放性和網絡化管理是使用數控機床的基本要求。它不僅是提高數控機床運轉率和生產率的必要手段，也是企業合理化和優化使用這些制造方法的方法。因此，在數控機床的基礎上發展計算機集成制造、網絡制造、遠程診斷、虛擬制造、異地工程等各種新技術，必然成為21世紀制造業發展的壹大趨勢。
2、數控技術的發展趨勢
數控技術的應用不僅給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的標誌，而且在壹些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展中發揮著越來越重要的作用。)隨著數控技術的不斷發展和應用領域的不斷擴大，因為這些行業所需設備的數字化已經成為現代發展的大趨勢。從世界數控技術及其裝備的發展趨勢來看，其主要研究熱點有[1 ~ 8]。
2.1高速高精加工技術與設備的新趨勢
效率和質量是先進制造技術的主體。高速高精加工技術可以大大提高效率，提高產品質量和檔次，縮短生產周期，提高市場競爭力。因此，日本先進技術研究協會將其列為現代制造五大技術之壹，CIRP將其確定為21世紀的中心研究方向之壹。
在汽車工業領域，每年30萬輛汽車的生產周期是40秒，多品種加工是汽車裝備必須解決的關鍵問題之壹。在航空航天領域，加工的零件多為薄壁薄筋，剛度差，材料為鋁或鋁合金。只有在高切削速度和小切削力的條件下，才能加工出這些筋和壁。最近采用“挖空”大型整體鋁合金毛坯的方法制造機翼、機身等大型部件，而不是通過眾多的鉚釘、螺釘等連接方式組裝多個部件，使部件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工設備提出了高速、高精度、高柔性的要求。
根據EMO2001的展示，高速加工中心的進給速度可以達到80m/min甚至更高，空轉速度可以達到100m/min左右。目前，世界上許多汽車廠，包括中國的上海通用汽車公司，都用高速加工中心組成的生產線部分替代了組合機床。美國辛辛那提公司HyperMach機床最大進給速度60m/min，快速度100m/min，加速度2g，主軸轉速達到了60 000r/min。加工壹個薄壁飛機零件只需要30分鐘，而在普通高速銑床上加工同樣的零件需要3個小時，在普通銑床上需要8個小時。德國DMG公司生產的雙軸車床主軸轉速和加速度分別達到12*！000轉/毫米和1克。
在加工精度方面，近10年，普通數控機床加工精度從10μm提高到5μm，精密加工中心從3 ~ 5μ m提高到1 ~ 1.5μ m，超精密加工精度開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值達到了6 000h以上，伺服系統的MTBF值達到了30000h以上，表現出了非常高的可靠性。
為了實現高速、高精度加工，電主軸、直線電機等配套功能部件發展迅速，應用領域進壹步擴大。
2.2五軸聯動加工bsp
利用五軸聯動加工三維曲面零件，刀具可以切削出最佳的幾何形狀，不僅光潔度高，而且效率大大提高。壹般來說，1五軸聯動機床的效率可以和2臺三軸聯動機床的效率相當，尤其是立方氮化硼這種超硬材料銑刀用於高速銑削淬硬鋼零件時，五軸聯動加工比三軸聯動加工能帶來更大的效益。但過去由於五軸數控系統和主機結構復雜，編程技術難度大，其價格比三軸數控機床高出數倍，制約了五軸數控機床的發展。
目前，由於電主軸的出現，用於5軸聯動加工的復合軸頭結構大大簡化，其制造難度和成本大大降低，數控系統的價格差距縮小。從而推動了復合軸頭式五軸聯動機床和復合加工機床(包括五面加工機床)的發展。
在EMO2001展會上，NIKO的5面加工機床采用了復合主軸頭，可以實現4個垂直面和任意角度的加工，從而可以在同壹臺機床上實現5面加工和5軸加工，還可以實現斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出的DMUVoution系列加工中心可在壹次裝夾下進行五面加工和五軸聯動加工，並可由CNC系統或CAD/CAM直接或間接控制。
2.3智能化、開放性和網絡化已成為當代數控系統發展的主要趨勢。
21世紀的數控設備將是壹個智能系統，它包括數控系統中的各個方面:為了追求加工效率和加工質量的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數的自動生成；為了提高驅動性能和易於連接的智能化，如前饋控制、電機參數自適應運行、負載自動識別、自動選型、自校正等。簡化編程，簡化操作的智能化，比如智能自動編程，智能人機界面；還有智能診斷，智能監控，方便系統診斷和維護等。
為了解決封閉的傳統數控系統和工業化生產數控應用軟件存在的問題。目前，許多國家都在研究開放式數控系統，如美國的NGC(下壹代工作站/機床控制)和歐洲的OSACA(Op)。
以及中國的ONC(開放式數控系統)。數控系統的開放性已經成為數控系統的未來。所謂開放式數控系統，是指數控系統的開發可以在統壹的操作平臺上面向機床制造商和最終用戶。通過改變、增加或削減結構對象(數控功能)，可以形成系列化，用戶的特殊應用和技術訣竅可以方便地集成到控制系統中，從而快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成個性鮮明的名牌產品。目前，開放式數控系統的體系結構規範、通信規範、配置規範、運行平臺、數控系統函數庫和數控系統功能軟件開發工具是當前研究的核心。
網絡化數控設備是近兩年國際知名機床博覽會上的壹個新亮點。數控設備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統和制造企業的信息集成需求，也是實現敏捷制造、虛擬企業和全球制造等新型制造模式的基本單元。國內外壹些知名數控機床和數控系統制造公司近兩年推出了相關的新概念和樣機，如Mazak Yamazaki在EMO2001展出的“CyberProduction Center”(簡稱CPC)；日本大間機床公司展出“IT廣場”(信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子公司展示的開放式制造環境(OME)反映了數控機床加工走向網絡化的趨勢。
2.4重視新技術標準和規範的建立。
2.4.1關於數控系統的設計和開發規範
如上所述，開放式數控系統具有更好的通用性、靈活性和適應性。許多國家實施了戰略發展計劃，研究並制定了開放式體系結構數控系統規範(OMAC、奧薩卡、OSEC)。世界上最大的三個經濟體在短時間內制定了幾乎相同的科學計劃和規範，這預示著數控技術新變革時期的到來。2000年，我國也開始研究制定我國ONC數控系統的標準框架。
2.4.2關於數控標準
數控標準是制造業信息化發展的趨勢。在數控技術誕生後的50年裏，信息交換是以ISO6983標準為基礎的，即用g代碼和M代碼來描述如何加工，其本質特征是面向加工過程。顯然，它已經不能滿足現代數控技術快速發展的需要。因此，國際上正在研究制定新的數控系統標準ISO 14649 (Step-NC ),旨在提供壹種不依賴於特定系統、能夠描述產品全生命周期統壹數據模型的中性機制，從而實現整個制造過程乃至各個工業領域的產品信息標準化。
STEP-NC的出現可能是數控技術領域的壹次革命，將對數控技術乃至整個制造業的發展產生深遠的影響。首先，STEP-NC提出了全新的制造理念。在傳統的制造觀念中，數控加工程序都集中在單臺計算機上。在新標準下，數控程序可以在網上發布，這是數控技術開放和網絡化發展的方向。其次，STEP-NC系統可以大大減少加工圖紙(約75%)、編程時間(約35%)和加工時間(約50%)。
目前歐美國家對STEP-NC的研究非常重視，歐洲發起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1 ~ 2001.12.31)。來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、制造商和學術機構參加了這個項目。STEP Tools是壹家美國公司，是制造數據交換軟件的全球開發商。他開發了數控機床信息交換的超級模型，目標是用統壹的規範描述所有的加工過程。目前，這種新的數據交換格式已經在裝有西門子、FIDIA和歐洲OSACA-NC數控系統的樣機上得到驗證。
2.5靈活性包括兩個方面:數控系統本身的靈活性，數控系統的模塊化設計，功能覆蓋面大，剪裁性強，容易滿足不同用戶的需求；群控系統的靈活性，同壹個群控系統可以根據不同生產過程的要求自動、動態地調整物流和信息流，從而最大限度地發揮群控系統的效率。
2.6工序復雜化和以減少工序和輔助時間為主要目的的多軸復合加工正在向多軸多系列控制功能發展。數控機床的工藝復合是指工件在機床上壹次裝夾後，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉盤等多種措施，進行多工序、多曲面的復合加工。西門子880系統控制的軸數可達24個。(4)實時智能化早期的實時系統通常是針對相對簡單的理想環境，其作用是如何調度任務，保證任務在規定的時限內完成。而人工智能則試圖用計算模型來實現人類的各種智能行為。隨著科學技術的發展，實時系統和人工智能相互結合，人工智能向著具有實時響應的更現實的領域發展，而實時系統也向著具有智能行為的更復雜的應用發展，從而產生了實時智能控制的新領域。在數控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發展:自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如，數控系統配備了編程專家系統、故障診斷專家系統、自動參數設置、自動刀具管理和補償等自適應調節系統，在高速加工時的綜合運動控制中引入了提前預測和預算、動態前饋等功能，在壓力、溫度、位置和速度控制中采用模糊控制，使數控系統的控制性能大大提高，從而達到最優控制的目的。
2.7功能發展方向
(1)用戶界面圖形用戶界面是數控系統與用戶之間的對話界面。由於不同的用戶對界面有不同的要求，開發用戶界面的工作量是巨大的，用戶界面已經成為計算機軟件開發中最難的部分之壹。目前，互聯網、虛擬現實、科學計算可視化和多媒體技術也對用戶界面提出了更高的要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便於實現藍圖編程和快速編程、三維彩色三維動態圖形顯示、圖形仿真、圖形動態跟蹤和模擬、不同方向視圖和局部顯示的縮放功能。
(2)科學計算的可視化科學計算的可視化可以用來高效地處理和解釋數據，使信息交流不再局限於文字和語言，而是可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視化信息。可視化技術與虛擬環境技術的結合進壹步拓寬了無圖紙設計、虛擬樣機技術等應用領域，對於縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用於CAD/CAM，如自動編程設計、自動參數設置、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示、加工過程的可視化仿真演示等。
(3)插補和補償方法多樣化，如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、納米插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條插補)、多項式插補等。多種補償功能，如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶有平滑進刀和退刀的刀具半徑補償以及相對點的計算等。
(4)內置高性能PLC數控系統內置高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具包括車床和銑床的標準PLC用戶程序的例子，用戶可以在標準PLC用戶程序的基礎上進行編輯和修改，從而方便地建立自己的應用程序。
(5)多媒體技術應用多媒體技術，將計算機、視聽、通信技術融為壹體，使計算機具備綜合處理聲音、文字、圖像、視頻信息的能力。在數控技術領域，多媒體技術的應用可以使信息處理綜合化、智能化，在實時監控系統、生產現場設備故障診斷、生產過程參數監控等方面有很大的應用價值。
2 .8建築的發展
(1)集成采用高度集成的CPU、RISC芯片、大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD和ASIC芯片，可以提高數控系統的集成度和軟硬件的運行速度。FPD平板顯示技術的應用可以提高顯示性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便於攜帶等優點，可以實現超大顯示。它已經成為與CRT相抗衡的新顯示技術，是21世紀顯示技術的主流。先進的封裝和互連技術被應用於集成半導體和表面安裝技術。通過增加集成電路的密度，減少互連的長度和數量，降低了產品價格，提高了性能，減小了元件尺寸，提高了系統的可靠性。
(2)模塊化硬件模塊化易於實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、I/O接口、通信等模塊做成標準系列產品，通過積木式方式進行功能裁剪和模塊數量增減，形成不同檔次的數控系統。
(3)聯網機床可以聯網進行遠程控制和無人操作。通過機床的聯網，可以在任何機床上對其他機床進行編程、設置、操作和運行，同時在每臺機床的屏幕上顯示不同機床的畫面。
(4)通用開放式閉環控制模式采用通用計算機，形成總線式、模塊化、開放式、嵌入式的體系結構，便於裁剪、擴展和升級，可形成不同檔次、類型和集成度的數控系統。閉環控制模式是針對傳統數控系統中唯壹專用的單機閉環控制模式而提出的。由於制造過程是多變量控制和加工技術綜合作用的復雜過程，包括加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等多種因素，為了實現加工過程的多目標優化，必須采用多變量閉環控制，在實時加工過程中動態調整加工過程變量。加工過程采用開放、通用的實時動態閉環控制模式，易於集成計算機實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態數據管理、動態刀具補償、動態仿真等高新技術，形成制造過程的嚴格閉環控制系統，實現集成化、智能化、網絡化。
3、智能數控系統
3.1國內外數控系統發展綜述
隨著計算機技術的飛速發展，傳統制造業開始了根本性的變革。發達國家投入巨資研發現代制造技術，提出了全新的制造模式。現代制造