引言：制造機器的機器

機床( machine tools )是指用來制造機器的機器，又被稱為“工作母機”或“工具機”。早在15世紀就已出現了早期的機床，1774年英國人威爾金森發明的一種炮筒鏜床被認為是世界上第1臺真正意義上的機床，它解決了瓦特蒸汽機的氣缸加工問題。至18世紀，各種類型機床相繼出現并快速發展，如螺紋車床、龍門式機床、臥式銑床、滾齒機等，為工業革命和建立現代工業奠定了制造工具的基礎。1952年，世界上第1臺數字控制(numerical control，NC )機床在美國麻省理工學院問世，標志著機床數控時代的開始。數控機床是一種裝有數字控制系統(簡稱“數控系統”)的機床，數控系統包括數控裝置和伺服裝置兩大部分，當前數控裝置主要采用電子數字計算機實現，又稱為計算機數控(computerized numerical control，CNC )裝置。

 數控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點，傳統上通常將數控機床分為數控金屬切削機床、數控金屬成形機床兩大類。近年來，由于復雜產品(如飛機、汽車、航空發動機等)中新型材料應用日益增加，數控機床被加工零件的材料不再限于金屬材料，礦物鑄件已擴展到復合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特種加工方法。此外，從功能和性能角度，又可將數控機床劃分為經濟型、中檔(或普及型)和高檔三類。當前對高檔數控機床尚無明確、統一的定義，筆者認為：高檔數控機床是具有高性能、智能化和高價值特征并達到相應功能及性能技術指標的數控機床。高檔數控機床是數控機床產業技術水平和裝備制造業競爭能力的典型代表。

數控機床進化史

機床作為“工作母機“，全程伴隨了工業化的發展。18 世紀的工業革命后，機床隨著不同的工業時代發展而進化并呈現出各個時代的技術特點。如圖 1 所示，對應于工業 1.0~ 工業 4.0 時代，機床從機械驅動/手工操作(機床 1.0 )、電力驅動/數字控制(機床 2.0 )發展到計算機數字控制(機床3.0）并正在向賽博物理機床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機床 4.0 )演化發展。

圖1 工業化與機床進化史

而數控機床發展歷程，則經歷了幾個重要拐點。

1952 年世界第 1 臺數控機床在美國麻省理工學院研制成功，礦物鑄件這是制造技術的一次革命性跨越。數控機床采用數字編程、程序執行、伺服控制等技術，實現按照零件圖樣編制的數字化加工程序自動控制機床的軌跡運動和運行，從此 NC 技術就使得機床與電子、計算機、控制、信息等技術的發展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計算機代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關鍵技術，計算機輔助設計/制造 ( CAD /CAM )技術也隨之得到快速發展和普及應用。可以說，制造數字化肇始于數控機床及其核心數字控制技術的誕生。

正是由于數控機床和數控技術在誕生伊始就具有的幾大特點——數字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結合、“機(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學科交叉，因而其后數控機床和數控技術的重大進步就一直與電子技術和信息技術的發展直接關聯(圖2)。

最早的數控裝置是采用電子真空管構成計算單元，20 世紀40年代末晶體管發明，50年代末推出集成電路，至 60年代初期出現了采用集成電路和大規模集成電路的電子數字計算機，計算機在運算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進展，為數控機床技術發展帶來第一個拐點——由基于分立元件的數字控制(NC)走向了計算機數字控制(CNC)，數控機床也開始進入實際工業生產應用。

PC機的發展，給數控機床技術帶來了第二個拐點。礦物鑄件20世紀80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個人微型計算機(personal computer，PC)，使得過去專用廠商開發數控裝置(包括硬件和軟件)，走向了通用的PC化計算機數控。與此同時，開放式結構的CNC系統也應運而生，推動數控技術向更高層次的數字化、網絡化發展，在此基礎上，高速機床、虛擬軸機床、復合加工機床等新技術快速迭代并應用。

21世紀以來，數控機床的第三個拐點開始變得清晰起來。智能化數控技術也開始萌芽，礦物鑄件當前隨著新一代信息技術和新一代人工智能技術的發展，智能傳感、物聯網、大數據、數字孿生、賽博物理系統、云計算和人工智能等新技術與數控技術深度結合，數控技術將迎來一個新的拐點甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數控。