1 數控系統發(fā)展趨勢
從1952年美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數控系統，到現在已走過(guò)了46年歷程。數控系統由當初的電子管式起步，經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：
分立式晶體管式——小規模集成電路式——大規模集成電路式——小型計算機式——超大規模集成電路——微機式的數控系統。到80年代，總體發(fā)展趨勢是：數控裝置由NC向CNC發(fā)展；廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統；提高系統的集成度，縮小體積，采用模塊化結構，便于裁剪、擴展和功能升級，滿(mǎn)足不同類(lèi)型數控機床的需要；驅動(dòng)裝置向交流、數字化方向發(fā)展；CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展；采用新型的自動(dòng)編程系統；增強通信功能；數控系統可靠性不斷提高。總之，數控機床技術(shù)不斷發(fā)展，功能越來(lái)越完善，使用越來(lái)越方便，可靠性越來(lái)越高，性能價(jià)格比也越來(lái)越高。到1990年，全世界數控系統專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家年產(chǎn)數控系統約13萬(wàn)臺套。國外數控系統技術(shù)發(fā)展的總體發(fā)展趨勢是：
●新一代數控系統采用開(kāi)放式體系結構
進(jìn)入90年代以來(lái)，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)數控機床技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數控系統生產(chǎn)廠(chǎng)家利用PC機豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)開(kāi)放式體系結構的新一代數控系統。開(kāi)放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向大大發(fā)展。近幾年許多國家紛紛研究開(kāi)發(fā)這種系統，如美國科學(xué)制造中心（NCMS）與空軍共同領(lǐng)導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐共體的“自動(dòng)化系統中開(kāi)放式體系結構”OSACA，日本的OSEC計劃等。開(kāi)發(fā)研究成果已得到應用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開(kāi)始在其生產(chǎn)的加工中心、數控銑床、數控車(chē)床等產(chǎn)品中采用了開(kāi)放式體系結構的A2100系統。開(kāi)放式體系結構可以大量采用通用微機的先進(jìn)技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實(shí)現聲控自動(dòng)編程、圖形掃描自動(dòng)編程等。數控系統繼續向高集成度方向發(fā)展，每個(gè)芯片上可以集成更多個(gè)晶體管，使系統體積更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優(yōu)勢，實(shí)現故障自動(dòng)排除；增強通信功能，提高進(jìn)線(xiàn)、聯(lián)網(wǎng)能力。開(kāi)放式體系結構的新一代數控系統，其硬件、軟件和總線(xiàn)規范都是對外開(kāi)放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數控系統制造商和用戶(hù)進(jìn)行的系統集成得到有力的支持，而且也為用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大方便，促進(jìn)了數控系統多檔次、多品種的開(kāi)發(fā)和廣泛應用，既可通過(guò)升檔或剪裁構成各種檔次的數控系統，又可通過(guò)擴展構成不同類(lèi)型數控機床的數控系統，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。這種數控系統可隨CPU升級而升級，結構上不必變動(dòng)。
●新一代數控系統控制性能大大提高
數控系統在控制性能上向智能化發(fā)展。隨著(zhù)人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制機理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習控制、自適應控制、工藝參數自動(dòng)生成、三維刀具補償、運動(dòng)參數動(dòng)態(tài)補償等功能，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專(zhuān)家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動(dòng)識別負載并自動(dòng)優(yōu)化調整參數。直線(xiàn)電機驅動(dòng)系統已實(shí)用化。
總之，新一代數控系統技術(shù)水平大大提高，促進(jìn)了數控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發(fā)展，使柔性自動(dòng)化加工技術(shù)水平不斷提高。
2 數控機床發(fā)展趨勢
為了滿(mǎn)足市場(chǎng)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達到現代制造技術(shù)對數控技術(shù)提出的更高的要求，當前，世界數控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現在以下幾個(gè)方面：
⑴ 高速、高效、高精度、高可靠性
要提高加工效率，首先必須提高切削和進(jìn)給速度，同時(shí)，還要縮短加工時(shí)間；要確保加工質(zhì)量，必須提高機床部件運動(dòng)軌跡的精度，而可靠性則是上述目標的基本保證。為此，必須要有高性能的數控裝置作保證。
●高速、高效
機床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實(shí)現高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。
新一代數控機床（含加工中心）只有通過(guò)高速化大幅度縮短切削工時(shí)才可能進(jìn)一步提高其生產(chǎn)率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開(kāi)發(fā)應用緊密相關(guān)。90年代以來(lái)，歐、美、日各國爭相開(kāi)發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速15000－100000r/min）、高速且高加/減速度的進(jìn)給運動(dòng)部件（快移速度60~120m/min，切削進(jìn)給速度高達60m/min）、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術(shù)水平。隨著(zhù)超高速切削機理、超硬耐磨長(cháng)壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線(xiàn)電機驅動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統（含監控系統）和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，應不失時(shí)機地開(kāi)發(fā)應用新一代高速數控機床。
依靠快速、準確的數字量傳遞技術(shù)對高性能的機床執行部件進(jìn)行高精密度、高響應速度的實(shí)時(shí)處理，由于采用了新型刀具，車(chē)削和銑削的切削速度已達到5000米~8000米/分以上；主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬(wàn)轉/分)以上；工作臺的移動(dòng)速度：（進(jìn)給速度），在分辨率為1微米時(shí)，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率為0.1微米時(shí)，在24米/分以上；自動(dòng)換刀速度在1秒以?xún)龋恍【�(xiàn)段插補進(jìn)給速度達到12米/分。根據高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速直線(xiàn)電機的推廣應用，開(kāi)發(fā)出一批高速、高效的高速響應的數控機床以滿(mǎn)足汽車(chē)、農機等行業(yè)的需求。還由于新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，模具、航空、軍事等工業(yè)的加工零件不但復雜而且品種增多。
●高精度
從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm），其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削（車(chē)、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等）。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機床，完善現代超精密加工技術(shù)，以適應現代科技的發(fā)展。
當前，機械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個(gè)數量級，超精密加工精度進(jìn)入納米級（0.001微米），主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
精密化是為了適應高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時(shí)的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著(zhù)高新技術(shù)的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶(hù)對機床加工精度的要求也越來(lái)越高。為了滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，近10多年來(lái)，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm，提高到±1~1.5μm。
●高可靠性
是指數控系統的可靠性要高于被控設備的可靠性在一個(gè)數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因為是商品，受性能價(jià)格比的約束。對于每天工作兩班的無(wú)人工廠(chǎng)而言，如果要求在16小時(shí)內連續正常工作，無(wú)故障率P(t)＝99%以上的話(huà)，則數控機床的平均無(wú)故障運行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。MTBF大于3000小時(shí)，對于由不同數量的數控機床構成的無(wú)人化工廠(chǎng)差別就大多了，我們只對一臺數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為10：1的話(huà)（數控的可靠比主機高一個(gè)數量級）。此時(shí)數控系統的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數控裝置、主軸及驅動(dòng)等的MTBF就必須大于10萬(wàn)小時(shí)。
當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時(shí)以上，驅動(dòng)裝置達30000小時(shí)以上。
⑵模塊化、智能化、柔性化和集成化
●模塊化、專(zhuān)門(mén)化與個(gè)性化
機床結構模塊化，數控功能專(zhuān)門(mén)化，機床性能價(jià)格比顯著(zhù)提高并加快優(yōu)化。為了適應數控機床多品種、小批量的特點(diǎn)，機床結構模塊化，數控功能專(zhuān)門(mén)化，機床性能價(jià)格比顯著(zhù)提高并加快優(yōu)化。個(gè)性化是近幾年來(lái)特別明顯的發(fā)展趨勢。
●智能化
智能化的內容包括在數控系統中的各個(gè)方面：
——為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應控制，工藝參數自動(dòng)生成；
——為提高驅動(dòng)性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動(dòng)識別負載自動(dòng)選定模型、自整定等；
——簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機界面等；
——智能診斷、智能監控方面的內容，方便系統的診斷及維修等。
●柔性化和集成化
數控機床向柔性自動(dòng)化系統發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線(xiàn)（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車(chē)間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò )集成制造系統）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術(shù)的開(kāi)拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò )系統向開(kāi)放、集成和智能化方向發(fā)展。
⑶開(kāi)放性
為適應數控進(jìn)線(xiàn)、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、小批量、柔性化及數控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結構的開(kāi)放性，設計生產(chǎn)開(kāi)放式的數控系統，例如美國、歐共體及日本發(fā)展開(kāi)放式數控的計劃等。
⑷出現新一代數控加工工藝與裝備
——為適應制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備，要求數字控制制造系統不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動(dòng)測量、自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換主軸頭（有時(shí)帶坐標變換）、自動(dòng)誤差補償、自動(dòng)診斷、進(jìn)線(xiàn)和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛地應用機器人、物流系統；
——FMC，FMS Web-based制造及無(wú)圖紙制造技術(shù)；
——圍繞數控技術(shù)、制造過(guò)程技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線(xiàn)電機、軟件補償精度等單元技術(shù)方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結構的新型數控機床實(shí)用化。這種虛擬軸數控機床用軟件的復雜性代替傳統機床機構的復雜性，開(kāi)拓了數控機床發(fā)展的新領(lǐng)域；
——以計算機輔助管理和工程數據庫、因特網(wǎng)等為主體的制造信息支持技術(shù)和智能化決策系統。對機械加工中海量信息進(jìn)行存儲和實(shí)時(shí)處理。應用數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，使機械加工整個(gè)系統趨于資源合理支配并高效地應用。
——由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，機械加工向虛擬制造的方向發(fā)展。