數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢及對策04820

1、數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢及對策裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) （如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別， 不在于生產(chǎn)什么， 而在于怎樣生產(chǎn)， 用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。 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。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資

2、，不僅采取重大措施來發(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。 總之，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)， 數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備， 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域： (1) 機械制造技術(shù)；(2) 信息處理、加工、傳輸技術(shù)； (3) 自動控制技術(shù)； (4) 伺服驅(qū)動技術(shù)； (5) 傳感器技術(shù)； (6) 軟件技術(shù)等。1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)

3、的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化， 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征， 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大， 他對國計民生的一些重要行業(yè)（ IT 、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面 14。1.1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。 高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次， 縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 為此日本先端技術(shù)研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一， 國際生產(chǎn)工程學(xué)會 （CIRP）將其確定

4、為 21 世紀(jì)的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 / 輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一； 在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域， 其加工的零部件多為薄壁和薄筋， 剛度很差，材料為鋁或鋁合金， 只有在高切削速度和切削力很小的情況下， 才能對這些筋、 壁進行加工。 近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、 機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝， 使構(gòu)件的強度、 剛度和可靠性得到提高。 這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。從 EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達 80m/min，甚至更高，

5、空運行速度可達 100m/min 左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司， 已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。 美國 CINCINNATI 公司的 HyperMach 機床進給速度最大達 60m/min ，快速為100m/min，加速度達 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min 。加工一薄壁飛機零件，只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國 DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和 1g。在加工精度方面，近10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m 提高到5m，精密級加工中心則從35m

6、，提高到1 1.5 m，并且超精密加工精度已開始進入納米級 (0.01 m)。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達 6000h 以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、 高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。1.2 5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展采用 5 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，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2 臺 3 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零件時， 5 軸聯(lián)動

7、加工可比3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5 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3 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5 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) 5 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 5 軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5 面加工機床）的發(fā)展。在 EMO2001展會上，新日本工機的 5 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 5 面加工和 5 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

8、出 DMUVoution系列加工中心， 可在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動加工，可由 CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。1.3智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀(jì)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、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)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、 智能化的人機界面等；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

9、維修等。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(The NextGeneration Work-Station/MachineControl) 、 歐 共 體 的OSACA(OpenSystemArchitecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open SystemEnvironment for Controller) ，中國的 ONC(Open Numerical Control System)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

10、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

11、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EMO2001展中，日本山崎馬扎克（ Mazak)公司展出的“ Cyber Production Center”（智能生產(chǎn)控制中心， 簡稱 CPC) ；日本大隈（Okuma）機床公司展出“ IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場 ) ；德國西門子( Siemens) 公司展出的OpenManufacturing Environment（開放制造環(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。1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)

12、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。關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50 年間的信息交換都是基于ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程， 顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種

13、新的CNC 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ISO14649（ STEP NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型， 從而實現(xiàn)整個制造過程， 乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。STEP-NC的出現(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(yuǎn)的影響。首先， STEP-NC 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(zhǔn)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，STEP-NC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（

14、約50）。目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了 STEP-NC 的 IMS計劃 (1999.1.1 2001.12.31) 。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20 個CAD/CAM/CAPP/CNC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)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)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。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS 、FIDIA 以及歐洲 OSACA-NC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。2對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控

15、技術(shù)起步于 1958年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3 個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。 在此階段， 由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制， 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。 第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。 在此階段， 由于改革開放和國家的重視， 以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善， 我國數(shù)控技術(shù)的研究、 開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。 第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間， 即實施產(chǎn)業(yè)化的研究， 進入市場競爭階段。 在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得

16、了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達 50，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績。a. 奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)， 基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。 我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。b. 初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、 航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。 蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠

17、以及北京第一機床廠、 濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。c. 建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步， 但我們也要清醒地認(rèn)識到， 我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。 從國際上來看， 對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。a. 技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后1015 年，在高精尖

18、技術(shù)方面則更大。b. 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低； 外觀質(zhì)量相對差； 可靠性不高， 商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。c. 可持續(xù)發(fā)展的能力上， 對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。a. 認(rèn)識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、 復(fù)雜性和長期性的特點認(rèn)識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。b. 體系方面從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)

19、化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少； 沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。c. 機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。d. 技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強， 核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠。3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3.1 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(yán)重影響我國現(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