导语：对于高档数控机床而言，从国内高端数控机床以及配套供应链发育程度来看，除五轴联动数控机床部分部件存在“卡脖子”以外，其他高端数控机床部件以及数控系统基本能够实现国产化，但部分核心关键部件的加工精度、可靠性不足以及数控系统功能相对落后，国产化数控机床的性能、质量暂无法达到国外先进企业水平。
当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。如今国内数控机床发展迅速，年产量逐年攀升，但所产机床精度等方面达不到要求。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
·机床被称为“工业母机”，2021年或为新周期伊始
机床行业为装备制造业提供生产设备，是装备制造业的工作母机，下游涵盖传统机械工业、汽车工业、电力设备、铁路机车、船舶、国防工业、航空航天工业、石油化工、工程机械、电子信息技术工业以及其他加工工业。机床行业的上游主要是基础材料及零部件，其中包括结构件、铸铁、钢铁、数控系统、驱动系统、传动系统等。
机床的一般产品寿命约为10年，在2011年全球机床消费量和产值达到顶峰后回落，此后进入长达十年的下行周期。根据Gardner公司数据，2019年全球机床消费为821亿美元，减少131亿美元，同比下降13.8%，是2010年以来最低点。与消费类似，2019年全球机床产量为842亿美元，减少129亿美元，同比下降13.3%，也是2010年以来的最低水平，目前全球机床行业仍处于周期底部。我国机床行业正处于存量替换的高峰期以及产业结构的调整升级阶段，整机及核心零部件国产化水平逐渐提升，数控化作为行业的升级趋势，发展空间广阔，新周期或已启动。
·我国数控机床行业存在结构性失衡，高端领域缺乏核心竞争力
我国数控机床行业存在明显的供需矛盾，主要体现在低档数控机床的产能过剩和高档数控机床的供应不足而导致供给侧结构性失衡。由于低档数控机床行业门槛低，进入企业多，且近几年低档数控机床市场有效需求不足，该领域已经出现产能过剩的现象；另一方面，随着国民经济的发展以及产业结构的升级，高档数控机床的应用越加普及，产品需求越来越大，供给却难以满足需求。
对于中低档数控机床而言，机械电气部件以及数控系统现已基本能够实现国产化，各类部件均有多个供应商配套供应，基本不存在“卡脖子”问题，国内数控机床先进企业实现国产化产品性能、质量与国际先进企业相比无明显差异。
对于高档数控机床而言，从国内高端数控机床以及配套供应链发育程度来看，除五轴联动数控机床部分部件存在“卡脖子”以外，其他高端数控机床部件以及数控系统基本能够实现国产化，但部分核心关键部件的加工精度、可靠性不足以及数控系统功能相对落后，国产化数控机床的性能、质量暂无法达到国外先进企业水平。在中国数控机床的企业中，大族激光(002008,股吧)是前部企业，大族激光智能装备集团“三维五轴数控激光机床系统设计”项目荣获“中国好设计”银奖。
·多轴联动数控机床符合机床行业未来的发展趋势，适用范围广、加工质量精、工作效率高
多轴联动技术是高端数控机床的核心技术之一。多轴联动是指数控机床各进给轴（包括直线坐标进给轴和回转坐标进给轴）在数控装置控制下按照程序指令同时运动。高档数控机床一般都具有3轴或3轴以上联动控制功能，多为4轴联动或5轴联动。
工业上需要加工复杂的曲面，舰艇、飞机、火箭、卫星、飞船中许多关键零件的材料、结构、加工工艺都有一定的特殊性和加工难度，用传统加工方法无法达到要求，必须采用多轴联动、高速、高精度的数控机床才能满足加工要求。以五轴联动加工中心为代表的高档数控机床作为难度最大、应用范围最广的数控机床技术，在加工方面有着不可替代的优点，符合未来机床的发展趋势，被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等行业加工关键部件的最重要加工工具。在飞机典型结构件、航天复杂与精密结构件、飞航导弹发动机零部件等领域实现批量示范应用，为大飞机、新型战机、探月工程等国家重大专项和重点工程提供了关键制造装备。
▲五轴联动数控机床
·高端数控机床的核心技术、关键零部件为日德相关企业所垄断
目前数控机床产业呈现出高端技术垄断的格局，核心技术被控制在特定国家、特定公司的手中，关键零部件大多来自德国、日本的相关企业。技术的差距体现在稳定性、可靠性、效率、精度等各方面。
德国重视数控机床和配套件的高、精、尖和实用性，各种功能部件研发生产高度专业化，在质量、性能上位居世界前列；日本重点发展数控系统，机床企业注重向上游材料、部件布局，一体化开发核心产品；美国在数控机床设计、制造和基础科研方面具有较强的竞争力。
中国数控机床行业起步较晚，中国企业在行业竞争中往往是靠“量”来取胜，产品附加值较低，在核心技术方面与西方制造强国和日本之间还存在着较大的差距，暂时还未能在世界高端数控机床市场取得优势。
·全球多轴联动技术领域主要由中日及欧美主导；我国多轴联动技术领域呈快速发展态势
截至2021年5月，多轴联动数控机床技术领域的全球专利公开量约有1.1万件，中国专利公开量约有5368件。从公开趋势来看，早期全球专利公开主要集中于欧美及日本，且年专利公开量增长缓慢，2009年开始，无论全球还是中国年专利公开量均呈现快速增长趋势，且两者趋势基本保持一致，可见中国专利公开情况是影响全球专利公开趋势变化的主要因素。
从申请人地域分布情况来看，全球多轴联动数控机床相关专利申请主要来源于中国、美国、日本、德国、英国。其中，中国申请人在全球公开专利数量达5458件，占全球专利公开量的51.6%，在全球排名第一位。中国不同于其他国家的是，科研院所占据技术研发优势地位，实力显著，代表高校有华科、大连理工、上海交大等，而企业研发实力相对高校偏弱，代表企业有成都飞机工业、科德数控、佛山普拉迪，因此，促进高校科研成果转化、加强产学研合作对于我国多轴联动数控机床产业发展十分重要。其次，美国在全球公开专利数量1807件，在全球排名第二，占全球专利公开量的17.1%，代表企业有波音、通用电气、赫克。再次，日本在全球公开专利数量1288件，在全球排名第三，占全球专利公开量的12.1%，代表企业有发那科、三菱电机、牧野机床。值得注意的是，虽然日本专利公开总量排在全球第三位，但从重点申请人的角度来看，日本几大龙头公司却处于全球申请人排名前列，发那科公司更是居于首位，专利公开量遥遥领先。可见日本在该领域技术的专利集中掌握在龙头企业手里，相对而言，中国该技术领域专利申请人较为分散。
从国内31省市和海外在华专利布局对比情况来看，近十年来，国内31省市在华专利布局量远高于海外在华专利布局量，且差距还在不断拉大，可见，多轴联动数控机床相关技术在国内的受关注程度在不断提高。
从技术分布情况来看，多轴联动数控机床相关专利技术主要涉及一般的控制或调节系统或其功能单元，或用于这种系统或单元的监视或测试装置（G05B），以及机床的零件、部件或附件，或以特殊零件或部件的结构为特征的通用机床，或不针对某一特殊金属加工用途的金属加工机床的组合或联合（B23Q），占总公开量的56.3%。
·多轴联动数控机床领域主要有数控装置或系统、刀具路径轨迹生成、加工参数选取、加工检测或补偿、后置处理等技术创新方向
数控机床的大脑就是数控系统，数控系统的性能和功能与机床本身的设计和制造品质一同影响着数控机床的性能和功能，在多轴联动数控机床中亦是如此。就目前阶段而言，数控系统起码应具有以下基本要素:多通道、多轴联动(至少五轴以上)，具有刀具的空间补偿及优化功能，具有全闭环或者是双闭环进行控制的能力，其插补周期应该小于0.5ms，其前瞻功能的控制能力大于1000程序段，其在数据运算与交换上满足单位小于1nm。未来，多轴联动数控机床要向着高速、高精度、智能化、复合化的方向发展。
目前，国际上多轴联动数控机床技术领域的难点主要有：对控制器、伺服系统要求非常严格；编程抽象、操作困难；后置处理器进一步开发；对CAD/CAM系统的要求；刀具半径补偿问题；双摆角数控万能铣头等核心部件开发难度大；投资巨大等。此外，我国目前虽已基本解决有无问题，但仍面临主机大而不强，高档数控系统和关键功能部件发展滞后，技术服务能力不足等问题。
未来多轴联动数控机床领域的技术发展方向主要是，数控装置、系统革新，优化数控加工检测、补偿，优化刀具路径轨迹生成，优化加工参数选取，优化加工模拟、仿真，优化后置处理技术、零件三维建模技术等。在数控装置、系统方面，发那科株式会社通过设置多种计算单元以及将多轴向通过修正量加法运算单元求出的位置驱动的单元，使得以刀具侧面也能按照指令指示严格进行加工（US8350514B2）。在加工检测或补偿方面，西门子公司通过铣刀朝向和实际尺寸差以及端侧铣削的面法线和环周铣削的面法线确定校正向量以校正尺寸差，实现在存在尺寸差的情况下生成精确和高品质的表面（US11003158B2）。
此外，我国还应将重点放在多轴、多通道，高精度插补、动态补偿以及智能化编程的研究中，进而让多轴联动数控机床在实际应用中能够实现自主监控、维护、重组、优化等功能。
对于当前我国数控机床“大而不强，高端缺乏”的产业现状，要顺应国家出台的多项刺激高档数控机床加快实现产业化的相关政策，加大对高端数控机床核心技术及关键零部件的研发投入，攻坚克难，打破日本、德国相关企业的长期垄断，实现高端数控机床整机国产化，进而推动我国数控机床产业更好更快发展。
展望未来，新的一轮工业革命给数控机床的发展带来新的挑战和机遇，先进制造技术与新一代信息技术及新一代人工智能融合，也给数控机床的技术创新、产品换代和产业升级提供了技术支撑，数控机床将走向高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化，并拥抱未来的量子计算新技术，为新的工业革命和人类文明进步提供更强大、更便利和更有效的制造工具。
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（李显杰 ）
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