數控技術現狀

      隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現代制造系統(tǒng)中，數控技術是關鍵技術，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。由于數控技術是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現國家綜合國力水平的重要基礎性產業(yè)，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現代化程度的核心標志，因此#實現加工機床及生產過程數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。機械制造的競爭，其實質是數控的競爭。

      現代數控技術集傳統(tǒng)的機械制造技術、計算機技術、成組技術與現代控制技術、傳感檢測技術、信息處理技術、網絡通訊技術、液壓氣動技術、光機電技術于一體，是現代制造技術的基礎，它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化。數控技術的廣泛使用給機械制造業(yè)生產方式、產業(yè)結構、管理方式帶來深刻的變化，它的關聯(lián)效益和輻射能力更是難以估計；數控技術是制造業(yè)實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎，CAD/CAM、FMS、CIMC等技術都是建立在數控技術之上，離開了數控技術，先進制造技術就成了無本之木；數控技術是國防現代化的重要戰(zhàn)略物質和商業(yè)貿易的重要構成，工業(yè)發(fā)達國家把數控機床視為具有高技術附加值、高利潤的重要出口產品，世界貿易額逐年增加。日本由于數控技術高度發(fā)展使其制造業(yè)迅速崛起，美國要挽回其失去的地位，歐洲要適應市場競爭的需求，從而以數控技術為主要標志的現代制造技術成了美國、日本和歐洲等工業(yè)國家競爭的焦點。由于數控產業(yè)的企業(yè)行為，而在某種程度上體現了政府意志，其發(fā)展快慢有賴于政府的支持。中國政府也已充分意識到發(fā)展數控技術的重要性，正積極采取各種有效措施大力發(fā)展中國的數控產業(yè)，把發(fā)展數控技術作為振興機械工業(yè)的重中之重。

      數控技術的發(fā)展趨勢

      1、功能發(fā)展方向

      （1）用戶界面圖形化。用戶界面是數控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前internet 、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。柔性用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。

      （2）科學計算可視化?？茖W計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環(huán)境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM ，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。

      （3）插補和補償方式多樣化。多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B 樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。

      （4）內裝高性能PLC。 數控系統(tǒng)內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準BC6 用戶程序實例，用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。

      （5）多媒體技術。應用多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域，應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。

      2結構體系發(fā)展方向

      （1）模塊化、專門化與個性化。為了適應數控機床多品種、小批量的特點，機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。硬件模塊化易于實現數控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU 、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，做成標準化系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數系統(tǒng)。個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢。

      （2）智能化。智能化的內容包括在數控系統(tǒng)中的各個方面：

      a）自適應控制技術。數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。

      b）專家系統(tǒng)。將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。當前已開發(fā)出模糊邏輯控制和帶自學習功能的人工神經網絡電火花加工數控系統(tǒng)。

      c）故障診斷系統(tǒng)。如智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

      d）智能化數字伺服驅動裝置?？梢酝ㄟ^自動識別負載而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；

      （3）網絡化和集成化。數控機床向網絡化和集成化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線（FMC 、FMS 、FTL 、FML ）向面（工段車間獨立制造島、FA ）、體（CIMS 、分布式網絡集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展；另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展。網絡化和集成化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，通過研究計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE ）、工程計算機輔助工藝過程規(guī)程（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）等設計自動化技術和網絡技術， 在綜合自動化概念框架下集成CAD/CAE/CAPP/CAM/NET的應用，將其功能有機地結合起來，統(tǒng)一組織和管理有關信息提取、交換、共享。其重點是易于聯(lián)網和集成；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高集成方向發(fā)展；數控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD/CAPP/CAM/MTS聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。#p#分頁標題#e#

      （4）開放化。采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統(tǒng)。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，構成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現集成化、智能化、網絡化。基于PC的第六代方向發(fā)展所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程和聯(lián)網通信等問題。由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務，PC機所具有的友好的人機界面將普及到所有的數控系統(tǒng)，遠程通訊等，遠程診斷和維修將更加普遍。日本、歐盟和美國等針對開放式的#.# ，正在進行前后臺標準的研究。

      3、高速、高效、高精度、高可靠性發(fā)展方向

      （1）高速、高效。機床向高速化方向發(fā)展，不但提高加工效率、降低成本，而且還提高零件的表面加工質量和精度。新一代數控機床（含加工中心）通過高速化、大幅度縮短切削工時，進一步提高其生產率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開發(fā)應用緊密相關。高速主軸單元（電主軸，轉速 ）、高速且高加,減速度的進給運動部件（快移速度 ，切削進給速度高達 ）、高性能數控和伺服系統(tǒng)以及數控工具系統(tǒng)都出現了新的突破，達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加,減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決，新一代高速數控機床應運而生。依靠快速、準確的數字量傳遞技術對高性能的機床執(zhí)行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理，滿足其高速、高效化。由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達到 以上；主軸轉數在 （有的高達100000r/min）以上；工作臺的移動速度：進給速度在分辨率為1微米時，在 （有的到 ）以上；在分辨率為 時，在 以上；自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到 。根據高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發(fā)展，高速直線電機的推廣應用，開發(fā)出一批高速、高效的高速響應的數控機床以滿足模具、航空、軍事、汽車等工業(yè)的需求。

      （2）高精度。從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（ ），其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等）。近10多年來，普通級數控機床的加工精度已由 提高到 ，精密級加工中心的加工精度則從 提高到 。隨著現代科學技術的發(fā)展，新材料及新零件的出現，更高精度要求的提出等都促進了超精密加工工藝，新型超精密加工機床等現代超精密加工技術的完善，以適應現代科技的發(fā)展。

      （3）高可靠性。數控機床的工作環(huán)境比較惡劣，工業(yè)電網電壓的波動和干擾對數控機床的可靠性極為不利，因而對CNC的可靠性要求要優(yōu)于一般的計算機。數控機床加工的零件型面較復雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上，且有多種報警和保護措施；出故障時盡可能不損壞機床、刀具和工件，并能根據報警信息了解故障部件，及時排除故障。

      4、其它

      （1）為適應制造自動化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備，要求數字控制制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭（有時帶坐標變換）、自動誤差補償、自動診斷、進線和聯(lián)網等功能，廣泛地應用機器人、物流系統(tǒng)。

      （2）圍繞數控技術、制造過程技術在快速成型、并聯(lián)機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線電機、軟件補償精度等單元技術方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結構的新型數控機床實用化。這種虛擬軸數控機床用軟件的復雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床機構的復雜性，開拓了數控機床發(fā)展的新領域。

      （3）以計算機輔助管理和工程數據庫、因特網等為主體的制造信息支持技術和智能化決策系統(tǒng)，對機械加工中海量信息進行存儲和實時處理。應用數字化網絡技術，使機械加工整個系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應用。

      （4）采用了神經網絡控制技術、模糊控制技術、數字化網絡技術，虛擬制造技術以及FMC、FMS、Web-based 制造和無圖紙制造技術的方向發(fā)展。

      （5）研究以MTP、ERP、PDM為主體的技術以及數據庫技術、WEB 技術、面向對象技術、數據安全和監(jiān)控技術、應用集成技術、配置管理技術等開發(fā)面向國際化市場競爭所需要的新一代管理信息系統(tǒng)軟件，并在制造行業(yè)推廣應用。

      （6）按照現場總線工業(yè)數字通訊協(xié)議，進行通訊模板設計、生產技術及防爆、可靠性一致性測試技術研究；符合制造業(yè)自動化現場總線標準的產品開發(fā)；現場總線產品的開發(fā)工具、系統(tǒng)軟硬件開發(fā)；產品互換性、互操作性技術及認證技術與工具方法研究；基于現場總線的、面向行業(yè)的自動化系統(tǒng)研究及集成技術研究。

      （7）重點進行高精度、高可靠性自動化儀表和現場總線智能儀表及控制系統(tǒng)的開發(fā)；總線式自動測試系統(tǒng)軟件及基本模件開發(fā)；自調零、自校正、自診斷的數字化科學儀器（分析儀器、大地測量儀器、試驗機）的開發(fā)；數字照相機、數字打印機、數字IC卡等文化辦公設備的開發(fā)以及醫(yī)用X線診斷裝置、醫(yī)用超聲診斷裝備、計算機層掃描裝置（CT）、磁共振成像裝置等醫(yī)療設備；各類醫(yī)用電生理診斷設備；臨床檢驗分析設備。