淺談數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(1)

1、淺談數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢摘要：隨著計算機業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也發(fā)生了根本性的變革，是近年來應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術(shù)，文章結(jié)合國內(nèi)外情況，分析了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術(shù)是一門集計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、現(xiàn)代機械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，是近年來應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術(shù)。它是為適應(yīng)高精度、高速度、復(fù)雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代機床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：數(shù)控技術(shù) 現(xiàn)狀 趨勢一、國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著計

2、算機技術(shù)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(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)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。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修

3、正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理。 長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CN

4、C的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，己不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為我們國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 2、 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。工業(yè)發(fā)達國家還

5、將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展，提高綜合國力和國家地位的重要途徑。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：機械制造技術(shù)；信息處理、加工、傳輸技術(shù)；自動控制技術(shù)；伺服驅(qū)動技術(shù)；傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。從目前世界上數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。（1） 高速、高精度化高速切削加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以改善加工質(zhì)量，所以自20世紀90年代初以來，便成

6、為機床技術(shù)重要的發(fā)展方向。各國相繼推出了許多主軸轉(zhuǎn)速10 000 rmin至60 000 rmin以上的加工中心和數(shù)控銑床。高速切削加工正與硬切削加工、于切削和準干切削加工以及超精密切削加工相結(jié)合；正從銑削向車、鉆、鏜等其他工藝擴展；正向較大切削負荷方向發(fā)展。高速加工對機床和功能部件的要求是：主軸功能部件的速度應(yīng)能達到12 00040 000 rmin；工作臺最高進給速度應(yīng)達到4060 mmin；加速度達到lg；高剛性的機械部件結(jié)構(gòu)；高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸；精確的熱補償系統(tǒng)；高速處理能力的控制系統(tǒng)(具有NURBS插補功能和預(yù)處理能力的控制系統(tǒng))。瑞士的米克朗(MIKRON)公司生產(chǎn)

7、的HSM立式加工中心，它在主軸轉(zhuǎn)速為30 000 rmin(125 kW)、進給速度40 mmin、加速度17 ms2的情況下，實現(xiàn)平穩(wěn)運行；日本安田公司生產(chǎn)的YBM950V型立式加工中心，其主軸在20 00030 000 rmin高速運轉(zhuǎn)時，仍十分平穩(wěn)，銑削平面的粗糙度可達04斗m。 國產(chǎn)數(shù)控機床及其功能部件無論在技術(shù)參數(shù)上，還是在各種動態(tài)指標(biāo)上，與工業(yè)發(fā)達國家的同類產(chǎn)品均存在一定差距。目前，國內(nèi)沈陽機床集團在引進技術(shù)的基礎(chǔ)上成功開發(fā)出BW60HSI型系列高速臥式加工中心，并已批量進入市場。該機采用電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速16 000 rmin，由零至最高轉(zhuǎn)速的時間為l s，快速移動速度60 m

8、min。寧江集團開發(fā)的高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速高達40 000 rmin。 當(dāng)前，在數(shù)控機床精密化方面，美國的水平最高，不僅生產(chǎn)中小型精密機床，而且由于國防和尖端技術(shù)的需要，研究開發(fā)了大型精密機床。其代表產(chǎn)品有LLL實驗室研制成功的DTM一3型精密車床和LODTM大型光學(xué)金剛石車床，它們是世界公認水平最高的、達到當(dāng)前技術(shù)最前沿的大型精密機床。其它國家也相應(yīng)研制成功各種類似的裝備，如英國的Cranfield、日本的東芝機械等。近年來我國對超精密機床的研制也一直在進行。北京機床研究所研制成功了JCS一027型超精密車床、JCS一03型超精密銑床、JCS一035型數(shù)控超精密車床等。(二）智能化、開放式、

9、網(wǎng)絡(luò)化 2l世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電動機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載、自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、specid Repons綜述能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。日本MAZAK株式會社的日本工廠是世界上為數(shù)不多的智能管理的代表。整個工廠實行計算機網(wǎng)絡(luò)智能化管理。智能生產(chǎn)中心通過機床的數(shù)控系統(tǒng)、生產(chǎn)線上的網(wǎng)絡(luò)管理Pc機、

10、立體倉庫的計算機進行管理。智能生產(chǎn)中心由CAMWARE輔助制造編程系統(tǒng)、智能化日程管理系統(tǒng)、智能化工具管理系統(tǒng)、智能化監(jiān)控系統(tǒng)組成。馬扎克公司在中國的企業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)控機床用以太網(wǎng)并與智能生產(chǎn)中心相連。在此基礎(chǔ)上再借助以太網(wǎng)與企業(yè)上層的CADMRP(EPR)等系統(tǒng)聯(lián)接，實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，建立了智能網(wǎng)絡(luò)化工廠。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題，目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC、歐共體的OSACA、日本的OSEC，中國的ONC等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠

11、家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能)，形成系列化。并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在EM020

12、0l展中，日本山崎馬扎克公司展出的“Cyber-Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈機床公司展出的“IT plaza”(信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子公司展出的“Open Manufactufing Environment”(開放式制造環(huán)境，簡稱OME)等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。(3） 環(huán)保化隨著人們環(huán)境保護意識的加強，對環(huán)保的要求越來越高。不僅要求在機床制造過程中不產(chǎn)生對環(huán)境的污染，也要求在機床的使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領(lǐng)域?qū)C床提出了無冷卻液、無潤滑液、無氣味的環(huán)保要求，機床的排屑、除塵等裝置也

13、發(fā)生了深刻的變化。上述綠色加工工藝愈來愈受到機械制造業(yè)的重視。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10一15的加工實行了干切削或準干切削。美國HARDING的QUEST系列車床、德國HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技術(shù)；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷卻技術(shù)；日本富士公司的數(shù)控車床采用了冷風(fēng)冷卻技術(shù)。（四）采用五軸聯(lián)動加工和復(fù)合快速力 采用五軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅粗糙度好，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺五軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺三軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼工件時，五軸聯(lián)動加工可比三軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高

14、的效益。但過去因五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比三軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了五軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小，因此促進了復(fù)合主軸頭類型五軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床(含五面加工機床)的發(fā)展。在EM02001展會上，新日本工機的五面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得五面加工和五軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下五面加工和五軸聯(lián)動加

15、工，可由CNC系統(tǒng)控制或CADCAM直接或間接控制。我國復(fù)合加工機床剛剛起步，主要是車銑復(fù)合加工機。國內(nèi)首臺復(fù)合加工機床是由沈陽機床集團與德國MAXMULLER公司合作生產(chǎn)的車銑復(fù)合中心。（五）重視新技術(shù)標(biāo)準、規(guī)范的建立 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來l臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。STEPNC的

16、出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEPNC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標(biāo)準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEPNC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75)、加工程序編制時間(約35)和加工時間(約50)。歐美國家非常重視STEPNC的研究，歐洲發(fā)起了STEPNC的IMS計戈(19991120011231)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CADCAMCAPPCNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的STEP TOOLS公司是全球范圍內(nèi)

17、制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，已開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。這種新的數(shù)據(jù)交換格式已在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACANC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。三、對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 （一）戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重

18、影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 （二）發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點