机床是制造机器的机器，又被称为工业母机。机床是现代制造业最为重要的工具之一，也是国家基础制造能力的综合体现。狭义的机床以金属加工机床为主，按照工艺用途可划分为金属切削机床和金属成形机床。按照是否配备数控系统可划分为数控机床和普通机床。数控机床即为装有数控系统的机床，可以通过编制程序来实现自动化加工，集微电子技术、计算机技术、测量技术、传感器技术、自动控制技术及人工智能技术等多种先进技术于一体，与普通机床相比，数控机床具有高效率、高精度、高柔性化及高集成化等特点。
从功能和性能角度，可将数控机床划分为低档（经济型）、中档（标准型或普及型）和高档三类。性能决定着制造的质量，特别是高档的数控机床，其技术水平更是一个国家先进工业化的体现。
2、数控系统的构成及工作原理
数控系统是数字控制系统的简称，也被称为计算机数控（CNC），其性能优劣直接影响机床稳定性和精度水平，是最核心的零部件。数控系统是指能按照零件加工程序的数值信息指令进行控制，使机床完成工作运动的控制系统，通常由控制系统、伺服系统和位置测量系统三部分组成。控制系统按零件加工程序进行插补运算，发出控制指令到伺服系统；伺服系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；位置测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈给控制系统以修正控制指令。
从机床成本构成上看，数控系统是成本占比第二大的核心零部件。根据海天精工招股书，数控机床主要成本构成为结构件、数控系统、传动系统、驱动系统、刀库及其他，其中数控系统占比高达22%，是成本占比第二大的核心零部件。
3、数控系统相关分类
（1）根据功能分类
根据数控系统的功能水平的不同，可以把数控系统分为经济型、标准型和高档型数控系统，高档数控系统是国家战略级资源。高档型数控系统的控制类型、加工速度、加工精度等方面会有明显的提升，为五轴或五轴以上联动。西方发达国家目前正严格管控甚至禁止对外出售高档数控系统，或者对高档数控系统的部分功能进行限制。日本发那科的五轴联动数控系统并未对国内企业开放。美国机床企业会对用户进行定时核查，掌握其设备使用情况。
五轴联动数控系统强化空间复杂特征加工能力，符合制造业升级趋势。数控系统控制几个坐标按照需要的函数关系同时协调运动称为坐标联动，按照联动轴数分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。以三轴联动机床为例，其包含了X/Y/Z三个直角坐标系轴，故刀轴方向固定，机床的运动控制只能沿着X/Y/Z三个线性轴进行控制。五轴联动机床则增加了两个自由旋转轴，让刀具的运动可以灵活变化。
五轴加工通过更高加工效率、更小占地面积与能耗带来经济性，对三轴加工具有一定替代性。根据全球机床龙头德马吉森精机披露数据，其使用10台五轴机床替换50台立式五面加工机床，带来了更高加工量、更小占地面积，并且节约能耗42%。
五轴联动数控系统和机床技术壁垒最高，对应的毛利率也处于领先水平。以主要销售五轴联动数控系统与机床的科德数控为例，其21年五轴联动机床、数控系统毛利率分别高达43.62%、49.81%。
（2）根据运行方式分类
数控系统按照控制系统运行方式，分为开环、半闭环、全闭环控制数控系统，闭环的数控机床精度更高、速度更快、驱动功率更大，但对于机床结构和传动要求更高，更容易造成系统的不稳定。
数控系统技术发展趋势
传统数控系统不满足现代制造业的生产需求，数控系统应当朝着智能化、网络化和开放化方向发展，在发展过程中，还需要解决网络制造接口问题、跨平台运行通讯机制以及先进控制算法问题，以此促进数控系统的全新发展，从根本上提升现代制造业的发展水平。
1、高速、高精度、高可靠性
机床的高速化极大地提高加工效率、降低加工成本、缩短生产周期和提高市场竞争力；高精度直接关系到产品的加工质量；可靠性是数控系统综合性能优劣的直接体现，能否在可靠性方面缩短与国外数控系统的差距是关系到国产数控系统及其装备能否占领市场的关键因素。
2、多轴联动、复合化
多轴联动数控系统集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，多轴联动加工可利用刀具的最佳几何形状进行切削，产品的加工效率、加工质量和加工精度将大幅提升。随着市场对于个性化需求日益强烈，交货日期不断缩短，金属加工行业愈来愈多地采用复合机床对复杂工件进行综合加工，数控系统在工艺上的复合程度不断提升，相较只具备单一加工功能的数控系统，用户更需要能够提供车削铣削、镗削、钻削和磨削等工序的复合型数控系统。
3、智能化、柔性化、网络化
智能化体现在方方面面：1）智能控制加工质量和效率，如自适应控制加工过程、自动生成工艺参数等；2）智能提高驱动性能，如负载自动识别、电机参数自适应运算、前馈控制等；3）智能编程和操作，如自动编程和智能化的人机界面。数控系统向柔性化发展的趋势表现在两个方面：一方面是由点（数控单机）、线（柔性生产线）向面（自动化车间）、体（CIMS）的方向发展；另一方面是向注重经济性和实用性的方向发展。数控系统的网络化主要是数控系统与外部控制系统进行网络连接与控制。在网络技术成熟发展过程中，逐渐提出数字制造概念，已经成为机械制造企业的现代化标志。
4、开放式、软数控模式
开放式数控系统是指数控系统制造商可通过对数控系统功能进行重新组合、修改、添加或删减，快速构建不同品种和档次的数控系统，并且可以针对不同厂家、用户和行业需求，将其特殊应用和技术经验集成到数控系统中，形成定制型数控系统。未来的数控系统能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、监视加工过程、实现网络通信和远程诊断等，而不必重新设计软硬件。
新技术与数控系统结合
如今机床控制系统不再仅局限于承担加工职能，而是兼容涵盖了向设计、仿真、感知、分析、控制、维护、诊断等多功能一体化的方向发展。人工智能的自学习、自调节等属性将促进控制系统功能进一步丰富优化。当前AI、数字孪生等新技术发展方兴未艾，运用于数控系统领域有望为国产系统创造“换道超车”的契机，AI智能决策+控制、智能化加工成为重要特色。
数控系统中人工智能、数字孪生等新技术的运用集中体现在智能决策的自主性，包含加工工艺的智能推理制定，加工信息的自主建模与智能分析，加工过程的智能决策、智能控制，工业大数据累积知识的自成长学习、智能迭代优化等多个方面，贯穿加工前、加工中、加工后的全加工流程。总体来说，在数控系统中引入人工智能、数字孪生等新技术，将进一步优化加工的效率、精度，并进一步代替人工进行感知、分析、推理、决策。
1、加工前
AI将进行零部件要求分析、工艺方法选择、加工特征排序、加工轨迹规划、加工过程仿真以及程序智能编制等工艺任务流程。在工艺决策阶段，AI会直接从零部件的CAD模型中提取材料、尺寸、工艺要求等特征，并匹配合适的工艺。采用BP神经网络模型，AI会根据工件孔加工特征类型、毛坯类型、表面粗糙度等指标，快速制定工艺路线，并智能规划加工轨迹。同时，AI可以对粗加工、半精加工和精加工等不同环节进行过程建模和仿真分析，并规划最优加工解决方案。
2、加工中
人工智能、数字孪生等新技术面对切削过程的复杂特征，需要实时监测/评估切削刀具、工件、机床等多个实时状态变化并对存在的偏差进行感知与修正，对可能发生的故障、错误等问题进行提前预警。
刀具：对切削过程中切削力、振动、切削温度、主轴功率、2D图像等信息搜集及分析实现对刀具状态智能量化感知，对刀具剩余寿命进行预测判断，保证刀具的高效加工及效果一致性。
工件：对工件的几何精度、表面形貌、粗糙度、残余应力、加工硬化等不同状态进行智能分析判断，并进行误差补偿等优化控制。
机床：对机床加工误差（几何误差、热误差、动态误差等）、模态、刚度等机床性能状态及各种可能的故障状态进行建模分析，并进行误差补偿等优化控制。
3、加工后
充分利用生产数据信息中的价值，经过采集、预处理、清洗和关联整合等步骤，形成基于工业大数据的知识库。利用不同机床的大数据知识集组合，比如机床能耗大数据、机床故障诊断等，可以对机床各个方面状态进行智能分析与优化应用。同时人工智能可以对工艺大数据、参数优化大数据、故障诊断大数据等实现自学习成长，代替人工经验判断，极大提升工作效率。
相较以前的数控系统更侧重于完成高精度、高效率的加工，引入人工智能、数字孪生等新技术，或将真正意义上使机床设备实现“自主感知-自主学习-自主决策-自主执行”的智能化制造。
来源： 投研锋向
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