数控机床的发展水平不仅体现了一个国家现代制造业的发展水平，更是衡量一个国家发展水平的重要指标之一。

　　清楚了世界数控机床与中国数控机床的发展过程以及它的意义所在。虽然我国发展迅速，但在数控床领域，我国同先进工业国家之间差距难以想象，更是目前一时半会难以达到的，与此同时我们正在努力缩小差距。

　　小到一枚螺丝钉、机械零件，大到汽车、船舶、飞机、铁路，都离不开工厂里轰鸣的机床。机床是制造工件的机器，是一个国家装备制造业的根本。机床行业技术水平和产品质量是衡量一个国家装备制造业发展水平的重要标志。而数控机床作为高端机床，是“大国重器”零部件的生产机器，更是智能装备发展的基础。数控机床的重要性可见一斑。

　　1774年，威尔金森发明了世界上第一台真正意义上的镗床，对蒸汽机的发展起到了巨大的推动作用。

　　1797年，“英国机床工业之父”莫兹利制成了第一台螺纹切削车床，带有丝杆和光杆，采用滑动刀架——莫氏刀架和导轨，可车削不同螺距的螺纹。

　　此后，莫兹利又不断地对车床加以改进。他在1800年制造的车床，用坚实的铸铁床身代替了三角铁棒机架，用惰轮配合交换齿轮对代替了更换不同螺距的丝杠，来车削不同螺距的螺纹。这是现代车床的原型，对英国工业具有重要意义。

　　19世纪，不同类型的机床相继出现。1817年，罗伯茨发明了龙门车床，来自美国的惠特尼制造出了卧式铣床，这两种机床可以分别应用于不同行业的零件制造需求。

　　机械技师惠特沃斯于1834年制成了测长机，该测长机可以测量出长度误差万分之一英寸左右。1835年，惠特沃斯在他32岁时发明滚齿机。还建议全部的机床生产业者都采用同一尺寸的标准螺纹。他的建议被广泛采纳。

　　为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔式六角车床。1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床。随着电动机的发展，机床也由蒸汽动力升级到了电动机驱动，这又是一个跨时代的改进。

　　1900年，为了实现福特提出的“汽车应该是‘轻巧的、结实的、可靠的和便宜的’”，高效率的磨床开始研制。美国人诺顿用金刚砂和刚玉石制成直径大而宽的砂轮，以及刚度大而牢固的重型磨床。磨床的发展，使机械制造技术进入了精密化的新阶段。

　　1920年以后，机械制造技术进入了半自动化时期，液压和电器元件在机床上开始应用。1938年，液压系统和电磁控制不但促进了新型铣床的发明，而且在龙门刨床等机床上也开始推广使用。

　　1952年，麻省理工学院和帕森斯公司合作，成功地研制出了第一台数字控制(numerical control，NC )机床，由于大量采用电子管元件，控制装置比机床本体还要大。

　　1958年，美国卡尼·特雷克公司首先研制成功出第一台加工中心。它在数控卧式铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。

　　20世纪60年代初期出现了采用集成电路和大规模集成电路的电子数字计算机，计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，为数控机床技术发展带来了第一个拐点——由基于分立元件的数字控制( NC )走向了计算机数字控制(CNC)，数控机床也开始进入实际工业生产应用。

　　1960年开始，各国陆续地开发、生产及使用数控机床。中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。

　　20世纪80年代IBM公司推出采用16位微处理器的个人微型计算机(personal computer，PC )，给数控机床技术带来了第二个拐点——由过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件)走向采用通用的PC化计算机数控。

　　近20年来，随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。

　　2006年，在美国举办的第26届芝加哥国际机床制造技术展览会上，日本Mazak公司以“智能机床”的名称，展出了具有“四大智能”的数控机床。

　　当前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。

　　(1) 主机：主机是数控机床的主体部分，包括机身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，主要用于完成各种切削加工。

　　(2) 数控装置：数控装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读器等）以及相应的软件，用于输入数字化的加工程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

　　(3) 驱动装置：驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元主轴电机及进给电机等。驱动装置在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线) 辅助装置：辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。辅助装置包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控监测装置等。

　　数控机床的工作过程一般为：数控装置内的计算机对通过输入装置以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，再通过伺服系统及可编程序向机床主轴及进给等执行机构发出指令，机床主体则在检测反馈装置的配合下按照这些指令，对工件加工所需的各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和进给速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。

　　数控机床的工作原理可以简单概括为：通过计算机控制系统，将加工程序转化为机床控制信号，控制机床在三维空间内进行各种运动和加工操作，从而实现对工件的加工。

　　按照数控机床的工艺用途分类，有以下四类：金属切削类、金属成型类、特种加工类、测量绘图类。金属切削类指采用车、铣、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。金属成型类指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等；特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等；测量、绘图类主要有三坐测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。

　　其中，金属切削类数控机床中有很重要的一种为加工中心。加工中心能自动更换工具，可以对一次装夹的工件实现多工序加工。加工中心同样可以按照加工工序和控制轴数分类，另外也可以按照主轴与工作台的相对位置分为卧式加工中心、立式加工中心等。加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多、精度要求比较高的工件，如：箱体类工件，复杂曲面类工件，异形件，盘、套、板类工件等。箱体类工件一般都要求进行多工位孔系以及平面的加工，定位精度要求高，在加工中心上加工的时候，一次装夹能完成普通机床一半以上的工序内容。除此之外，在加工中心上还可以进行特殊加工，如在主轴上安装调频电火花电源，可对金属表面进行表面淬火。

　　数控机床按照刀具的运动方式分类可以分为三类：点位控制数控机床，点位直线控制数控机床，轮廓控制数控机床。刀具的运动方式也有相应的三种，第一种只看起点和终点，不规定过程；第二种，规划路径和速度，通过某一个方向控制过程，但是只能按照既定路线运动；第三种，按照加工要求，通过两个及以上的方向控制刀具的运动路线，实时修正路径和进给速度。也就是说，点位控制只控制刀具或工作台从一点移至另一点的精准定位，点位直线控制在点位控制的基础上再通过控制一个坐标轴来按照确定的速度和轨迹控制刀具的运动，轮廓控制能够连续控制两个或者两个以上运动坐标的位移和速度。

　　点位控制通常用于执行孔加工和直线铣削操作的数控机床上，具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控铣床、数控冲床、数控镗床等。点位直线控制数控机床在移动的过程中刀具能以指定的进给速度进行切割，一般只能加工矩形、台阶形零件。目前，仅使用点位控制或点位直线控制的数控机床已不多见，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。

　　轮廓控制类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。

　　数控机床控制的坐标轴主要有X、Y、Z三个直线坐标轴和围绕这些直线坐标轴旋转的旋转坐标轴A、B、C轴。对于数控机床来说，联动轴数越多，自由度就越多，加工能力越强，可以加工的零件就越复杂。所以为了满足更复杂的加工要求，随着数控机床的发展，联动轴数也在不断增多，数控机床的联动轴数现在以五轴联动为主。理论情况下，五轴联动可以加工任意非闭合形状，但是因为刀具、刀柄以及夹具干涉问题，一些形状比如叶轮则需要特制刀具。

　　数控机床联动轴数最少的是二轴联动，二轴联动主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给，由于不全程参与机床控制，故称为“两轴半联动”。

　　三轴联动有两种，一种是常见的三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等。另一类是除了两个直线坐标轴外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）。三轴联动的数控机床一般多是三条直线坐标轴联动，一次只能加工一个面，适合加工一些盘类零件，难以在多个加工面上加工孔或者凹槽。

　　四轴联动的数控机床是在三轴联动的基础上增加一个旋转坐标轴，[SYT8] 能在水平面无障碍低速旋转，适用于加工箱体类零件，大多数数控机床也允许工件旋转，这种机床既可以当铣床也可以充当车床，适合用来在零件的侧面或者圆柱体的曲面钻孔，四轴联动能在保证高加工精度的情况下大大加快加工进程。

　　现在常用的是五轴联动，除X/Y/Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，形成五轴联动的模式，这时刀具可以被定在空间的任意方向。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对航空、航天[SYT9] 、精密器械、高精医疗设备等行业都有着举足轻重的影响力。五轴联动数控机床系统可以用来加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等重要零件。

　　数控机床的控制方式有开环控制、半闭环控制、闭环控制三种，这里的“环”可以参照图2数控机床的工作原理中含有信息反馈的闭环回路。开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。半闭环控制系统是在开环控制系统的基础上，在伺服机构中装有角位移检测装置，可以间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置中。闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置。

　　简而言之，三者的区别在于，一个是不带反馈装置，一个是间接反馈装置，一个是直接反馈装置。因为数控机床开环进给伺服系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统能够对数控机床工作台位移进行直接测量并通过反馈控制。闭环控制系统将数控机床本身包括在位置控制环之内，因此机械系统引起的误差可由反馈控制得以消除。

　　开环控制系统的信息流是单向的，在加工过程中的误差都将会影响被加工零件的精度，所以开环控制系统仅适用于加工精度要求不高的中小型数控机床。

　　半闭环控制系统的伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，主要应用在大多数中小型数控机。