摘要:文章从第一次工业革命开始全面总结了机械装备的发展进程，从1705年的空气蒸汽机到如今的智慧机床，工业革命突飞猛进的发展给世界政治、经济、军事等方方面面带来的翻天覆地的变化，进而国内外专家学者潜心研究，致力于机械装备前瞻性的探索;同时文章作者站在机械工业领域前沿给出了未来五年我国主要金属切削机床发展的建设性建议，为业内同行研究高端机械装备新产品、新工艺提供了一定的借鉴。
关键词:机械装备;金属切削机床;发展方向
0引言
至今为止世界经历了四次工业革命。第一次工业革命的主要标志是机械化，即机器生产普遍取代手工劳动;第二次工业革命的主要标志是电气化和自动化，即电力的广泛应用、专业化分工和大工业化生产;第三次工业革命的主要标志是数字化和网络化，即计算机、网络等信息技术的兴起;第四次工业革命的主要标志是智能化和信息化，即无人化和信息技术的升级创新与应用。未来一定会发生第五次工业革命，它的主要标志是智慧化，即自我收集、自我学习、自我优化、自我实施。“随着人口红利的消失，劳动力成本与日俱增，以及电子化、信息化高速发展和成本的降低，无疑将加快市场对自动化、智能化机床的需求，以摆脱对劳动力的过分依赖[1]”。因此有必要对机械装备发展进程进行全面总结，以利于本机械工程领域机床新产品、新工新制造的研发
1机械装备发展进程———以机床为例介绍
机床作为机械装备的主要代表产品之一系指制造机器的机器，亦称工作母机。
1705年，一名叫纽克曼的苏格兰铁匠发明了空气蒸汽机。1712年托马斯·纽科门发明了第一台实用的蒸汽机。1769年，仪表修理工詹姆斯·瓦特进行改良了蒸汽机，从而推动了第一次工业革命的发展。这个过程非常有趣，是什么推动了蒸汽机的改良和发展呢?1774年，英国人威尔金森发明了较精密的炮筒镗床。次年，他用这台炮筒镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽机的要求。为了镗制更大的汽缸，他又于1775年制造了一台水轮驱动的汽缸镗床，促进了蒸汽机的发展。从此，机床开始用蒸汽机通过曲轴驱动[2]。由此可见，机床的发展，促进了蒸汽机的发展，进而促进了工业革命的发展。而蒸汽机的发展反过来又促进了机床的发展。1797年，英国人莫兹利创制成的车床由丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。1817年，英国人罗伯茨创制龙门刨床;1818年美国人惠特尼创制卧式铣床;1876年，美国制成万能外圆磨床;1835年和1897年又先后发明滚齿机和插齿机。机床革命的进程与基础理论的共同作用，产生了电动机，产生了工业分工，产生了大规模生产，最终爆发了第二次工业革命。
第一次工业革命和第二次工业革命解决了机床的动力问题，从而又催生了两次机床革命。
二十世纪初，为了加工精度更高的工件、夹具和螺纹等，相继创制出坐标镗床和螺纹磨床。同时为了适应汽车和轴承等工业大量生产的需要，又研制出各种自动机床、仿形机床、组合机床和自动生产线，为工业自动化的实现提供了基础。因此，有的专家学者认为工业自动化是从第三次工业革命开始的，显然此观点不够准确。1920年进入半自动化时期。在1920年以后的30年中，机械制造技术进入了自动化时期，液压和电气元件在机床和其他机械上逐渐得到了应用。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得到推广使用[3]。1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。1950年，由于数控机床和自动线的出现，机床的发展开始进入了自动化和数字化时期。数控机床是在电子计算机发明之后，运用数字控制原理，编制加工程序进行加工的新式机床[4]。数控机床是由美国约翰·帕森斯于20世纪1947年提出，1951年他们正式制成了第一台电子管三坐标数控铣床样机。1958年美国成功研制了自动更换刀具，以进行多工序加工的加工中心。1968年，美国莫迪康公司诞生了第一台可编程逻辑控制器(PLC)，并于次年推出了“084”型号PLC，开启了第三次工业革命，实现了制造自动化。
Internet最早起源于美国国防部高级研究计划署DARPA(DefenceAdvancedResearchProjectsAgency)的前身ARPAnet，该网于1969年投入使用。由此，ARPAnet成为现代计算机网络诞生的标志。
第三次工业革命解决了机床的数字进给控制以及主轴转速数字控制问题。
“人工智能”的概念，早在1952年就由图灵(英国数学家、逻辑学家，计算机科学之父，人工智能之父)提了出来。智能制造的概念是1988年，美国纽约大学的怀特教授和卡内基梅隆大学的布恩教授出版的《智能制造》一书，首次提出了智能制造的概念，并指出智能制造的目的是通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器控制对制造技工的技能和专家知识进行建模，以使智能机器人在没有人工干预的情况下进行小批量生产。智能制造包含智能制造技术和智能制造系统，突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时，收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能[5]。如果只是做了信息的采集、存储、处理、检索和利用，这个不是智能的系统，而只是一个简单的信息系统;即使把它们都连成网络了，仍然只是一个联网的信息系统，而不是一个智能的系统。可见，没有智能装备，就不可能有智能制造。
1984年4月9日，世界上第一座实验用的“无人工厂”在日本筑波科学城建成，并开始进行试运转。试运转证明，以往需要用近百名熟练工人和电子计算机控制的最新机械，用两周时间制造出来的小型变速箱、柴油机等，“该工厂”只需要用4名工人一天时间就可制造出来。“无人工厂”里安装有各种能够自动调换的加工工具。从加工部件到装配以至最后成品检查，都可在无人的情况下自动完成。这个成功将进一步加快整个制造业的智能制造进程。该项目是日本政府通产省工业技术院在20家企业配合下，从1977年起负责筹建的，共耗资137亿日元。
新中国成立以后，政府一直非常重视工业的发展，尤其是机床的发展。1952年底，国家决定在机械工业部设立第二机器工业管理局，成为全国机床行业的统一领导管理机构，按照全面规划、合理布局的原则，调整产品发展方向，对接管的一批机器厂和修械厂进行扩建和改造。当时，在前苏联的援助下，改造和新建18个机床厂和四个工具厂，确定产品分工与发展方向，俗称“十八罗汉、四大金刚”，形成了行业的骨干。
与世界机床的发展历程一样，中国机床的自动化首先是体现在组合机床和仿形机床。世界上最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的外形尺寸和联系尺寸，但对部件结构未作规定。
1956年3月1日，第一机械工业部第二机器工业管理局刘淇生局长签发关于组织组合机床及专用钻镗床设计处的决定。决定中指出:“采用组合机床及专用机床是机械制造业的技术方向，自动化生产线和自动化工厂是它们的进一步发展，而组合机床的发展一般是从钻镗床开始的。为加速培养设计力量，提高设计水平，以发展组合机床及专用钻镗床，适应机械制造业日益增长的需要，特决定组织组合机床及专用钻镗床的专业设计机构，命名为沈阳第一专业设计处[6]”。
1956年3月15日，大连组合机床研究所的前身———沈阳第一专业设计处在沈阳正式成立。由当初职工不足三十人，技术干部仅18名，逐步发展到1985年成为一个拥有职工近800多名，有比较齐全的实验装备的研究所[7]。
1957年，我国第一台组合机床是由大连机床厂自行设计和制造的UT-001组合机床(24轴双面卧式钻镗床)，安装在济南第一机床厂，用于C616车床主轴箱体的加工。这样的机床当时共生产了两台，另一台安装在重庆第二机床厂。
1958年清华大学和北京第一机床厂联合研制，1959年试制成功我国第一台数控机床:X53K1。令人叹息的是，在X53K1诞生之后，中国的数控技术领域的发展也到此为止，出现了长达30年的停滞期。在那一年，日本也研制成功了第一台数控机床。时至今天，中国在数控加工技术领域与世界的差距十分巨大。
2国内外机床发展的现状暨智能制造现状
2.1国外智能制造现状
国际智能制造发展的比较早。如前所述，1988年，美国人首先提出了智能制造的概念，其他国家紧随其后将智能制造列为国家级发展计划;美国、德国、日本发展速度比较快，各种智能设备和装备得到了快速发展，机器人的应用、控制软件、智能管理都发展到了技术成熟阶段，特别是工业机器人的广泛应用，使智能制造、智能化装配、无人化车间、智能化工厂得到了实现[8]。
1990年，日本通产省首先提出了企业智能制造系统的概念。该智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，它突出了在制造活动各个环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。目前所讲智能制造中的“制造”是“大制造”的概念，它不仅指传统意义的加工与工艺，而且还包括设计、组织、供应、销售、报废与回收在内的产品全生命周期各个阶段的活动。IMS(IntelligentManufacturingSystem，智能制造系统)的智能活动贯穿于产品的全生命周期。因此智能制造主要包含智能制造技术和智能制造系统。智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能相互渗透、相互交织而形成的一门综合性技术;智能制造系统是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展现的载体。从系统的内涵看，IMS可以是一个面向特定对象的IMS或一个企业的IMS，也可以是一个国家的IMS，甚至可以是全球的IMS。
2.2国内智能制造现状
国内企业智能化装备发展的相对差距较大，国内目前已经进入需求的初期，发达国家的产品已经开始进入国内市场，一旦需求扩大这些产品会大举进入中国市场形成新的垄断。所以，我们必须加快智能产品的研发，特别是智能机床、智能物流、智能工具、智能软件、智能管理、智能生产线等的开发必须加大研制力度，是事关国家经济高质量发展当务之急。
我国智能制造加工或智能装配生产线只有在个别独资或合资的汽车行业、家电行业中存在，在机床工具行业几乎没有。汽车行业的智能装配是针对其具有单一品种大批量的特性，易于实现零件的检索与追溯，具有相对固定的成熟的工序内容和工位器具。家电行业的智能装配组装也是基于大批量的特性，组装的零件尺寸较小易于物流及仓储，智能管理比较方便。
汽车行业与家电行业的智能生产线技术大部分源于国外发达国家，有的生产线还是直接从国外进口，智能制造的软件硬件核心技术基本掌握在发达国家手中。
2.3国外机床行业制造现状
日本机床行业对智能化制造技术的应用起步较早，其自动化、信息化、智能化水平较高。以MAZAK公司为例，以可视化和信息化为手段的智能管理，装配全程自动流水作业，可实现单台加工中心的装配周期为7天。MAKINO公司的机床主轴制造可实现7×24不间断制造模式，车间布局紧凑合理，加工、装配、检测、包装相互独立，恒温检测，可视化看板管理，主轴装配过程为半自动流程作业，个别工序人为辅助完成，关键工序有智能检测手段，保证产品质量，节能环保水平高，工人劳动强度小，工作环境舒适。
2.4国内机床行业制造现状
随着中国加入WTO，以及全球生产制造中心向中国的逐渐转移，机械制造企业开始面临更多的机遇与挑战。越来越多的机械企业加快了企业信息化的步伐，不同程度地增加了在IT应用方面的投入。机床行业近几年的发展和面临的形势呈现新的局面:第一、国内机床行业近几年处于高速增长期，2010年以前，连续三年以30%左右的增长速度快速增长;2011年以后，国内机床行业仍处于增长期，但增速放缓;第二、大多数机床企业正在进行重组或大规模改造，以适应高速发展和市场竞争的个性化的需要;第三、高档数控机床的需求持续攀高，普通机床需求渐趋萎缩;第四、在信息化建设方面，多数机床企业二维及三维CAD数字化设计应用已经普及，但管理信息化仍处于较低水平。
相关期刊推荐：《组合机床与自动化加工技术》(月刊)创刊于1959年，是中国机械工程学会与大连组合机床研究所共同主办，中国科学技术协会主管的，由科技部和新闻出版署共同审核批准的国内外公开发行的学术性科技期刊。本刊主要讨论新技术在生产工程领域内的实际应用，内容侧重大批量制造技术及成套技术装备的开发设计。
3未来五年我国主要金属切削机床的发展方向
3.1未来的机床装备一定是多种技术的融合
以数控技术、柔性制造技术、自动检测技术、工业机器人技术等为核心技术，以高速数控机床、高速加工中心、工业机器人等以及由典型设备组成的用于制造业所需的高效自动化加工技术与装备的规划、设计、集成、制造、运用、标准与规范、服务、培训的综合能力为研发中心的技术制高点。一定会通过大数据，装备本身具备自我调节、自我优化、自我学习的能力，姑且称之为智慧制造。一定会更加注重研究数控机床的基础与共性技术，应用机械结构、刀具、切削工艺、清洗、自动测量、自动装配、控制系统、监控、故障诊断和计算机辅助设计及虚拟制造、仿真等领域里的最新科研成果，以高速加工中心、复合加工中心(立卧复合、工艺复合)、复合车铣中心等为主体构建高速柔性生产线，在跨学科的综合性工程化研究上取得突破性发展。习近平同志强调:装备制造业是制造业的脊梁，装备制造业是国之重器。习近平同志2018年5月28日在中国科学院第九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上指出:要推进互联网、大数据、人工智能同实体经济深度融合，做大做强数字经济。要以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级，推动制造业产业模式和企业形态根本性转变。而机床又是装备制造业的重中之重。2009年，日本日机联在广泛征求业界意见的基础上，制订了20～25年高精密加工技术发展的路线图，该技术战略路线图瞄准高端技术，侧重能够提高产品在国际市场的竟争力的先进加工制造技术。可以预见，制造业对加工技术的要求越来越高，除了高质量、组化、高速高效、高精度等性能要求，还包括复合加工以适应新材料的加工，满足量身定制的要求，以及节约能源和资源的要求等。为了灵活应对加工要求不断提高的现状，路线图将未来的加工技术概括为四类:先进的核心加工技术、节约能源和资源的加工技术、按需加工技术和多尺度多工序复合加工技术。先进的核心加工技术是至今为止加工技术中特别重要的组成部分。这类加工技术是为了制造加工要求高、具有高附加值的产品的技术，为了制造使用寿命短、但要求快速进入市场的产品的模具的快速精密加工技术，能够满足各种要求的智能加工技术，能够完全预测加工结果的CAD/CAM仿真技术。节约能源和资源的加工技术是按照环境约束原则分类的先进技术，特别是净成形、近净成形和无排放的加工技术，目的是减少能源消耗和热排放，减少资源消耗。属于这个分类的有微冲压模具、纤维增强塑料深加工等。按需加工技术包括铸造、注塑、压铸、将快速成形(RP)，逆转录(RT)快速制造(RM)组合应用的综合加工技术(RX)。但是RP、RT、RM这些技术要素目前在日本的进展相对滞后，相信五年、十年以后，这些技术能够取得长足的进展，但还不会成为主流技术。多尺度多工序复合加工技术(MC/MP)在超精密加工、微细加工中特别受到重视。它是将不同的工艺原理、工序融合并一体化衔接，例如，多功能多轴铣削加工、锻造切削复合加工以及粉末治金一体化和工序集约化(MC/MP)技术。
3.2急迫的核心技术两项:
3.2.1基于新原理的加工技术创新
(1)超精密金属三维加工技术，通过制造各种金属粉末和粉末烧结制造三维物体。
(2)净成形技术(薄壁结构、三维复杂形状):用粉末成形、注射成形等近净成形技术制造更薄、更复杂形状的微型零件。
(3)自组织应用:利用物质的复杂性的加工原理。
(4)微型机器人制造系统:用微型机器人完成物料搬运、焊接以及零部件制造。
(5)纳米级工程技术:基于新原理的纳米结构的生产系统的开发。
3.2.2利用脑科学实现技师技能传承
即使用超级计算机模拟技师的知识、思维和动作，实现知识和信息的积累、建模及其仿真。测量技师的作业并数据化，将技师的思维语言化、模式化，形成可以识别的三维图像。最终实现加工、装配流程的标准化和智能化。近期德国更在积极研究旨在提升德国工业全球竞争力的《国家工业战略2030》，确立十大关键工业领域，以政府基金持股企业方式培育产业冠军。机床工具成为本轮再工业化的重点创新方向，以及实现智能制造、工业互联网、共享经济等新技术、新模式、新业态的主要载体。
3.3未来我国主要金切机床制造水平
服务国家战略，面向中、高端，解决“卡脖子”、替代进口问题;加大“专、特、精”机床研发的力度，开展标准机床的设计工作，适应多变的市场、众多客户的个性化需要;产品要向精密、高效、智能、复合方向发展。
3.3.1高速、精密、复合数控金切机床
(1)高速立、卧式加工中心现状与需求:该类产品是航空、航天、军工、汽车等工业急需的装备，主要用于有色金属和难加工材料零件的批量生产，每年约需2000台。目标参数:主轴转速15000～30000r/min，快速进给60～100m/min，加速度1～2.5g。研究内容:高速主轴结构优化设计技术;高速进给系统结构优化设计技术、切削机理、工艺参数数据库;直驱技术。
(2)精密立、卧式加工中心现状与需求:该类产品为航空、航天、军工、发电设备、汽车、铁路、船舶等工业急需，主要用于精密箱体类零件、模具等加工。目标参数:定位精度≤0.005mm，重复定位精度≤0.003mm，要求精度稳定好。研究内容:整机结构优化及热稳定性结构设计技术;热误差补偿、温度测量技术;大型精密可回转工作台。
(3)立式铣车复合加工中心:现状与需求:用于航空航天、军工、发电设备、汽车、铁路、船舶等工业中大、中型箱体类复杂零件铣削、车削等多工序加工。目标参数:铣削主轴转速15000～30000r/min，快速进给60～100m/min，加速度1～2.5g，车削主轴最高转速≥800r/min。研究内容:功能组件模块化设计技术;铣车双功能转台设计与制造技术;机械摆角头的设计与制造技术。
(4)五轴联动加工中心:现状与需求:航空、航天、军工、发电设备、汽车、铁路、船舶等工业用于叶片、叶轮、螺旋桨、导叶、整流罩等复杂空间曲面复杂零件加工。目标参数:摆角头连续最大扭矩500～2000N·m，夹紧时(液压或机械)最大扭矩3000～6000N·m。B轴旋转360°，A轴摆动-120°～+30°，A/C轴转动范围±120°～±360°，多轴控制五轴联动。研究内容:整机结构优化设计技术;热变形及其补偿技术;系统高动态响应特性;可交换工作台结构设计技术;五轴联动加工编程技术。
(5)精密数控车床及车削中心:现状与需求:航空、航天、军工、发电设备、汽车、铁路、船舶等工业用于回转体与其各平面、曲面组成的复杂零件加工。目标参数:定位精度0.009mm，重复定位精度0.0045mm，主轴径跳0.0008mm，要求精度稳定性好。研究内容。高精度加工机床结构优化设计技术;数控热变形及补偿技术;精密动力刀架;三维干涉模拟技术;复合加工工艺技术。
(6)高速数控车床及车削中心:现状与需求:航空、航天、军工、汽车、铁路等工业用于金属回转体与其各平面、曲面组成的复杂零件加工。目标参数:车削主轴转速5000～8000r/min，动力刀具转速6000～8000r/min，快进速度30～60m/min。研究内容:高效加工结构优化设计技术;数控机床热变形及补偿技术;高速复合加工动静态检测技术;复合加工工艺技术;三维干涉模拟技术;高速驱动技术。
(7)卧式铣车复合加工中心:现状与需求:航空、航天、军工、发电、汽车、铁路、船舶等工业急需。主要用于回转体类复杂零件车、铣等多工序复合加工。目标参数:坐标数≥7，联动数≥5，铣削主轴转速15000～30000r/min，快速进给30～60m/min，车削主轴转速≥8000r/min。研究内容:高效高精复合加工结构优化设计技术;热变形及补偿技术;精密动力刀架;复合加工机床动静态检测技术;复合加工工艺技术;三维干涉模拟技术。
(8)五轴联动航空发动机叶片数控磨床:现状与需求:航空发动机及汽轮机等叶片加工急需。解决航空发动机叶片由于叶身厚度太薄，加工过程容易变形的难题，并显著提高加工精度和效率。目标参数:五轴联动控制系统，分辨率达0.1μm;主轴最高转速20万rpm;X.Y定位精度0.005mm;重复定位精度(R)0.002mm;磨削表面粗糙度为Ra≤0.4;加工精度:叶身<0.02mm叶片的前后缘<0.04mm。研究内容:高精度、高分辨率五轴联动控制系统;五轴联动磨削技术;叶片磨削加工工艺及加工软件。——论文作者：丁伟明，徐武军，刘春阳，于忱毅，董万智
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