追求卓越品质与高效能是机械制造领域不懈的追求，它不仅推动着工艺装备技术的持续进步，更是行业发展的不竭动力。随着工艺要求的不断提升和变革，机械制造工艺装备技术也在不断创新与演进，以适应日益复杂多变的制造需求。

国产数控机床历经50载风雨，近十年间发展尤为迅猛，得益于政府的大力扶持，通过设立重大技术攻关专项，极大推动了行业的进步。如今，国产数控机床的品种已逾1500种，涵盖数控金属切削机床、数控板材加工机床等多个领域，工业机器人、三坐标测量机等也一应俱全。2010年，数控金属切削机床保有量约150万台，其中进口仅占40%，而国产品牌的年产量已超过16万台。至2011年，1~10月份累计产量已达21.8万台，预计全年将突破25万台，国产品牌的市场占有率更是高达50%以上。在五轴联动、复合加工中心等高端技术领域，国产数控机床也取得了显著进展。

追求高生产率是机械制造领域的永恒主题，这驱动着数控设备不断向加工复合化、高速化、智能化、网络化以及工艺参数优化方向发展。

1. 复合化
   数控机床的复合加工，涵盖了工序的集中化、复合化以及工艺的复合化。
   1.1 工序集中化与复合化
   自20世纪70年代末，三联动加工中心引入机械制造领域以来，机械加工工序逐渐向集中化发展。到了20世纪80年代，我国自主研发的三联动加工中心也开始在机械制造中发挥作用，主要应用于箱体件和模具的加工。通过一次装卡，便能完成镗、铣、钻、攻丝等多道工序，从而显著提升了加工效率和精度。
   2000年至2011年，我国数控机床领域经历了飞速的发展。在此期间，国内自主研发了包括五轴联动加工中心、车铣复合加工中心、车铣磨复合加工中心以及磨削复合加工中心在内的多种高端机床。尽管某些产品仍属于重大专项攻关范畴，尚未完全商品化和产业化，但已展现出我国在数控机床领域的强大研发实力。
   1.1.1 五轴联动加工中心

国内多家厂家已投身于五轴联动加工中心的生产，如沈阳机床厂推出的GMC2590μ桥式五轴联动加工中心，以及VM22120μ立式五轴加工中心等多款产品。大连机床则成功研发出VDM500五轴立式加工中心，而北京机电院也推出了XKR32G五轴联动加工中心和XKH800五轴联动叶片加工中心。济南二机床的XV2525×60高架式五轴联动加工中心同样备受瞩目，这些产品均能实现零件的一次安装完成铣、镗、钻、铰、攻丝等多道工序。

然而，五轴联动加工中心的开发面临两大技术挑战：双摆角万能加工头和双轴回转台的技术突破。目前，国内厂商已着手研发这两种关键部件，但尚需进一步完善并实现商品化。双摆角万能加工头，特别适用于大型机床，而双轴回转台则更多用于小型机床。这两种部件均采用直驱力矩电机并配备编码器，旨在提升动态性能和精度。

在双摆角万能加工头方面，国内某厂商已成功开发出一种直驱产品，其关键参数包括额度扭矩、定位精度、绝对编码器分辨率以及摆角范围等，均提供了多种可选配置。尽管如此，我国在双摆角万能头系列化商品方面仍需努力，与国际领先水平保持同步。
1.1.2 车铣复合加工中心

车铣复合加工中心，一种结合了车削与铣削功能的机床，既能在数控车床的基础上进行开发，也能在立式加工中心的基础上进行创新。例如，南京数控机床有限公司推出的CK1840S型车铣复合加工中心，便是在数控车床技术基础上进行研发的。这款机床拥有双主轴、双刀架、双C轴和W轴，共计七轴联动，采用全闭环控制，其中C轴的分辨率高达0.001°。通过一次装卡，该机床能高效完成车削、分度偏心钻削、定位铣削等多道工序，效率倍增，同时减少了二次安装误差，提高了加工精度。

同样，安阳鑫盛机床股份有限公司的CX110立式车铣复合加工中心，是在立式加工中心的基础上增设车削功能而开发的。这款机床功能全面，不仅能进行车、镗、铣、钻、铰、攻丝等操作，还能实现五轴联动的五面加工，灵活性极高。此外，大连机床的VHT800五轴联动车铣复合加工中心、CHD25五轴联动车铣复合加工中心，以及武汉重型机床集团公司的WHGS7000车铣复合加工中心等，也都具备一次装卡完成多道工序加工的能力。
1.1.3 车铣磨复合加工中心

宁波海天精工机械有限公司推出的HTM-V120L数控立式车铣磨复合加工中心，凭借其独特的设计，使得工件在一次装卡后便能顺利完成车削、铣削以及磨削等多道工序。同时，它还具备重切削高精度加工的能力，特别适用于大型轴承的加工制造。
1.1.4 车铣磨齿轮加工复合中心

某些车削中心巧妙地在回转刀架上配备了第二主轴和砂轮轴，从而实现了齿轮刀具的安装与加工。这样的设计不仅允许加工轴齿轮和蜗轮，更进一步实现了五轴联动功能，使得指型铣刀能够高效地加工出弧齿轮和锥齿轮等复杂形状。
1.1.5 磨削复合加工中心

上海机床厂有限公司推出的H405-BE型数控复合磨床，巧妙地运用了西门子数控系统来分别操控砂轮架和工作台的进给动作，同时实现头架主轴的旋转与砂轮架的旋转功能。该磨床不仅具备外圆磨削的精细操作，还配备了砂轮架自动分度的智能特性。通过一次简单的装卡，便能轻松完成对内外圆和端面的自动循环磨削，高效且精准。
1.2 工艺复合

工艺复合加工技术在国内尚处于起步阶段，但沈阳机床集团SCHIESS公司已率先推出VTM3501立式车铣磨及激光淬火复合加工中心，集车、镗、钻、攻丝、铣、磨及激光淬火等多项工艺于一体。这一创新技术将冷加工与热加工巧妙结合，显著提升了生产效率。

相关资料显示，相较于三联动加工中心，五轴联动或多工序复合加工中心能将生产效率提升一倍以上。多轴联动和复合加工不仅加速了生产进程，更通过减少二次安装误差，确保了产品的高精度与高质量。目前，国内已具备生产五轴联动及多轴联动复合加工中心的能力，但部分核心技术的商品化和产业化尚需时日。
2. 高速化

为实现数控加工的高速化，传动系统采用了直驱技术，而数控系统则运用了高速运算处理技术。
2.1 直驱技术

数控机床传动部件正逐步采用直驱技术，以提高生产效率。主轴已普遍采用电主轴直驱，进给则利用直线电机驱动，而回转工作台和五轴联动的摆角万能头则采用力矩电机直驱。

我国在直驱技术方面的研究起步较早，山东博特精工股份有限公司、洛轴研科技股份有限公司以及北京首科凯奇电气技术有限公司等都在该领域取得了显著进展。尽管用户对这些产品的性能和技术指标反应良好，但与国外先进水平相比，仍存在一定的差距。

目前，国外先进的电主轴单元转速可高达15000100000r/min，而国内普遍使用的是4000050000r/min的规格。采用直线电机直驱的进给部件不仅要求高速度，还要求具备高加减速功能。其快速移动速度可达60200m/min，加速度达到2g10g；工作进给速度则超过60m/min，加速度为1g2g。相比之下，传统的滚珠丝杠传动进给部件的速度和加速度则相对较低。直驱技术的采用使得进给速度提高了1倍以上，从而减少了辅助时间，显著提高了生产效率。尽管直线电机驱动技术具有广阔的应用前景，但其成本和发热问题仍需进一步解决。
目前，我国已有部分厂家在数控机床领域应用了直驱技术，例如济南二机床制造的XHV2525×60高架式五轴联动高速镗铣加工中心，其x、y轴便采用了直线电机驱动。此外，北京机电院开发的XKR32G五轴联动加工中心，其工作台的2个回转轴采用了力矩电机直驱；而XKH800五轴联动叶片加工中心则选用了电主轴直驱主轴。尽管国内在直驱技术的应用上已取得一定进展，但整体而言，仍处于初级阶段，普及程度和应用性能与国外先进水平相比尚有差距。值得一提的是，德国DMG公司每年生产的数控机床中，有多达1500台采用了直驱技术。再以德国巨浪公司为例，其生产的FZ12KS五轴加工中心，主轴转速高达40000r/min，换刀时间不到0.6秒，进给加速度达到1g2g，快速进给速度更是高达90m/min，同时工件交换时间仅为2秒。
2.2数控系统的高速运算处理技术

高速直驱进给系统对数控系统的运算速度有着极高的要求，它需要系统能够快速采样，并具备强大的超前路径加（减）速优化和程序段预处理能力。当前，较先进的数控系统甚至能够预处理数千乃至数万个程序段。在多轴联动控制过程中，这些系统能够依据预处理缓冲区中的G代码进行精细的加减速优化处理。此外，为了确保加工的高效率，第六代数控系统每秒能进行2000至10000次的进给速度调整。
3. 智能化

为了提升数控机床的加工效率和质量，数控系统被赋予了多项智能化功能，包括自动编程、前馈控制、模糊控制、自学习控制等。此外，系统还能自动生成工艺参数、进行三维刀具补偿以及动态补偿运动参数。更进一步的是，故障诊断专家系统被融入其中，使得自诊断和故障监控功能更加完善。伺服驱动系统的智能化特性则能自动感知负载变化并优化调整参数。

当前，国产数控系统正在积极向智能化方向发展，并已引入了一些智能化技术。例如，“中华8型”和凯恩帝K1000TIV型数控系统都提供了自诊断功能、实时状态显示以及故障报警等智能化服务，且在不断完善这些技术。然而，与国外如西门子、发那科、三菱等生产的数控系统相比，国产系统在智能化技术方面还存在一定差距。例如，西门子的SINUMERIK828DBASICM提供了圆柱形零件加工的智能坐标转换功能，而发那科的Oi-D和OiDMate则具备轮廓智能控制功能。此外，30i/31i/32i/35i-MODELB系列数控系统是最新的人工智能纳米级系统，能灵活支持多种机床的复合加工需求。由此可见，智能化技术对于提升数控加工机床的生产效率至关重要，因此我们必须高度重视其发展。
4. 开放化与网络化

数控装置的开放化特性为其融入智能化网络化制造提供了便捷途径，进而显著推动生产效率的提升。
4.1 开放化

开放式数控装置的特点在于其硬件、软件以及总线设计均对用户保持开放状态。这一特性赋予了它出色的通用性、灵活性、适应性，以及可扩展性，从而能够充分满足用户进行二次开发的需求。
4.1.1 NC与CNC的概念及开放化

目前，数控装置主要分为NC和CNC两大类。NC装置，即由硬件逻辑电路构成的数控装置，而CNC数控装置则是结合了计算机硬件与软件的数控装置。在CNC数控装置中，硬件提供了软件运行的物理基础，而软件则是实现CNC运行和功能的核心。随着技术的发展，NC正逐渐被性能更为强大的CNC所取代。

CNC数控装置的硬件配置包括CPU、EPROM、RAM等关键组件，同时具备位置控制器、手动输入接口、显示接口以及PLC接口等多样化功能，使其成为一种专为数控应用而设计的计算机。

在软件层面，CNC分为管理软件和控制软件两大类。管理软件主要负责零件程序的输入输出管理、刀具位置系统参数的维护、零件程序显示以及机床状态监控等方面。而控制软件则涉及译码、插补、运算、刀具补偿、速度控制以及位置控制等核心功能。

现代开放式数控装置，特别是在PC机平台上开发的CNC数控装置，为用户提供了更大的灵活性和可扩展性。例如，我国自主研发的“华中8型”数控装置，采用了多处理器开放式软硬件体系结构和创新的总线技术，实现了软硬件多层次的开放功能。北京凯恩帝的K1000TIV数控装置则通过开放式PLC和调试软件的支持，为用户二次开发提供了便捷的途径。同样，广州数控的GSK25i数控装置也采用了开放式PLC，并提供了PLC梯形图在线编辑、诊断及信号跟踪等强大功能。
4.1.2 标准与规范的重要性

数控装置的开放化进程与建立统一的技术标准和规范紧密相连。自数控技术诞生以来的50余年里，信息交换一直遵循着ISO6983标准，即通过G、M代码来描述加工过程。然而，随着现代数控技术的迅猛发展，这一标准已逐渐显露出其局限性。

为了应对这一挑战，欧美和日本等发达国家在20世纪90年代便着手研究并制定了开放式数控装置的体系结构规范，如OMAC、OSACA和OSEC，为开放式数控装置的开发提供了战略指导。我国也在2000年开始了相关研究，并初步制定了开放式数控装置的规范框架，但目前仍需进一步完善。
4.2 网络化

网络化对于信息共享和生产效率的提升具有重要意义。有研究显示，在多品种小批量生产环境下，数控机床的切削时间仅占其机动时间的25%~35%，但通过网络化连接，这一比例可提升至60%~65%。

数控的网络化技术主要涉及数控系统与其他控制系统或上位机的网络连接与控制。这些系统首先在企业内部局域网内进行互联，再通过因特网实现企业间的外部传输，即所谓的Internet/Intranet技术。通过网络，企业间可以协同设计、协同制造，实现信息共享、远程监控、远程诊断及服务等功能。此外，网络还能提供全面的生产数据信息，支持远程加工程序传输、远程诊断和指令调整。它打破了地域限制，将分散的数控机床紧密联系在一起，进行协同优化和调整，从而实现社会化的产品加工模式。

尽管我国机械制造企业的信息化集成发展迅速，已实现车间级和企业级的信息网络集成，但跨企业、跨地区的信息化网络建设仍面临诸多挑战，需要进一步努力。
5. 优化工艺参数以提升效率

在数控加工过程中，工艺参数的合理性对于生产效率的提升和加工质量的保证至关重要。为了逐步优化这些参数并建立相应的工艺数据库，我们需要采用科学的方法。目前，有两种主要的优化途径：一是通过实际试切来摸索合理的工艺参数，但这种方法耗时、费力且浪费材料；另一种则是应用力学动态优化仿真技术，这种方法更为高效，能够节省时间和资源，同时也能获得较为合理的工艺参数。在实际生产中，我们还可以根据实际情况对这些参数进行灵活调整。

航空行业作为数控机床的重要应用领域，对优化工艺参数和建立工艺数据库有着迫切的需求。为此，政府支持北京航空航天大学和中航工业北京航空制造工程研究所开展相关技术攻关。这些单位成功开发了一套集工艺参数力学动态优化仿真、预测及数字化软硬件于一体的系统，并建立了相应的工艺参数数据库。这一成果不仅彻底改变了传统试切方式，更在提高加工效率和质量方面取得了显著成效。

陕西飞机制造公司在应用优化的工艺参数后，零件加工效率平均提高了2倍以上；望江工业有限公司在火炮零件加工中采用优化工艺参数，效率提升了4倍以上；昌河飞机工业(集团)公司同样通过优化工艺参数加工铝合金零件，效率提高了2.8倍以上。此外，西门子828D数控系统也提供了动态工艺包(Dynmics)，其中包含的“精优曲面”功能可实现高效加工并获得优质的表面质量。

综上所述，优化工艺参数对于提升数控加工效率和质量具有重要意义。我国数控设备生产企业应积极提供相关技术和服务，以推动制造业的绿色发展。
追求数控机床加工工件的高精度与高质量，首要条件是数控机床自身必须具备这些卓越性能。在机床的结构和布局上，以及材料的选择上，都必须充分考虑提升其刚性和承载能力，从而确保能够实现高精度加工。同时，数控系统、伺服驱动系统、传动系统以及测量传感器等核心部件，也必须具备高分辨率和高精度的特性，这样才能全方位满足加工工件对于高精度、高质量的严苛要求。

1. 结构布局

数控车床、车削中心、立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心以及车铣复合加工中心等在追求功能与刚性的道路上，其结构布局均经历了显著的变革。

以国内某些厂家为例，他们生产的立式和卧式加工中心在横向坐标上采用了立柱移动的设计，这种创新不仅简化了传统双层十字工作台的复杂结构，还大幅提升了工作台的刚性和承载能力。此外，龙门加工中心的结构也经历了从工作台固定、双立柱移动到桥式结构的演变，即工作台保持固定，而两个立柱则被设计成固定式墙体，上面装有导轨，横梁在导轨上实现纵向运动。这种改进不仅降低了运动部件的质量和运动惯性，还有助于更准确的定位，并减少了所需的占地面积。

值得一提的是，沈阳机床的GMC2590μ桥式五轴加工中心、济南二机床的XHV2525×60高架式五轴联动高速镗铣加工中心以及台湾亚太菁英(股份)公司生产的跨轨式高速龙门加工中心，都采用了桥架式龙门框架结构。这种结构不仅布局合理、刚性强、承载能力出色，还具有受力均匀、热平衡性好、精度稳定以及占地面积小等优势。其典型结构布局形式如图3所示。
2. 运用新型材料强化刚性

数控机床的刚性和精度，在很大程度上依赖于所采用的新材料。这些新材料不仅提升了机床的性能，还推动了结构设计的创新。例如，宁波海天精工机械有限公司在其HTM-V120L数控立式车铣磨加工中心上，选用了含有90%花岗岩成分的聚合浇铸床身。这种材料制成的床身，抗震强度相比常规铸铁床身提高了10倍。同样，大连科德公司在其TG-45型六轴（或五轴）联动数控刀具磨床上，也采用了人造石材作为底座材料。这些新型材料因其优异的吸震性、稳定性和耐磨性，为机床精度的保持提供了坚实基础。同时，蜂窝状材料、水泥材料以及天然花岗岩石材等也被探索应用于数控设备中，这些材料的运用无疑将进一步推动机床结构设计和性能的革新。
3. 高精度插补数控系统

高位数CPU（64位）在数控装置上的应用，显著推动了数控机床精度的提升。高速纳米级插补运算和高分辨率伺服功能，共同为数控机床的精度提升贡献了力量。随着CPU技术的不断发展，数控机床的运算速度和分辨率均有了显著提高，从0.1μm、0.01μm到更高的精度。

尽管国产数控系统已开始采用64位CPU，实现了微米级精度插补，但与国外先进数控系统相比，仍存在一定的差距。例如，发那科、三菱、西门子等知名品牌的数控系统，均已达到纳米级插补或运算精度。

要实现纳米级精度插补，伺服驱动系统的控制分辨率和响应能力至关重要。为此，驱动单元中的伺服电机轴上安装了高精度传感器，闭环系统中采用了高分辨率的光栅尺，从而确保了小型数控机床的运动部件定位精度达到2~3μm。然而，国产小型数控机床在整体综合性能上仍需努力提升。

综上所述，要实现数控设备的高生产率、高精度、高质量，需要各个部件（包括软硬件）都达到卓越的技术水平。同时，新工艺的研究与创新、数控加工工艺参数的优化和数据库的建立、新材料的应用以及智能化网络化技术的开发，都是未来数控技术发展的重要方向。政府、生产企业和机械制造企业应共同努力，推动我国数控机床技术从跟随到领跑的转变。