數(shù)控技術(shù)現(xiàn)狀

      隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)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)，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)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(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。由于數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，因此#實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。機(jī)械制造的競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)質(zhì)是數(shù)控的競(jìng)爭(zhēng)。

      現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)集傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展和運(yùn)用，開(kāi)創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化。數(shù)控技術(shù)的廣泛使用給機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式帶來(lái)深刻的變化，它的關(guān)聯(lián)效益和輻射能力更是難以估計(jì)；數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，CAD/CAM、FMS、CIMC等技術(shù)都是建立在數(shù)控技術(shù)之上，離開(kāi)了數(shù)控技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)就成了無(wú)本之木；數(shù)控技術(shù)是國(guó)防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物質(zhì)和商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把數(shù)控機(jī)床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤(rùn)的重要出口產(chǎn)品，世界貿(mào)易額逐年增加。日本由于數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展使其制造業(yè)迅速崛起，美國(guó)要挽回其失去的地位，歐洲要適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，從而以數(shù)控技術(shù)為主要標(biāo)志的現(xiàn)代制造技術(shù)成了美國(guó)、日本和歐洲等工業(yè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。由于數(shù)控產(chǎn)業(yè)的企業(yè)行為，而在某種程度上體現(xiàn)了政府意志，其發(fā)展快慢有賴于政府的支持。中國(guó)政府也已充分意識(shí)到發(fā)展數(shù)控技術(shù)的重要性，正積極采取各種有效措施大力發(fā)展中國(guó)的數(shù)控產(chǎn)業(yè)，把發(fā)展數(shù)控技術(shù)作為振興機(jī)械工業(yè)的重中之重。

      數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

      1、功能發(fā)展方向

      （1）用戶界面圖形化。用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對(duì)話接口。由于不同用戶對(duì)界面的要求不同，因而開(kāi)發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前internet 、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等技術(shù)也對(duì)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(guò)窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

      （2）科學(xué)計(jì)算可視化?？茖W(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語(yǔ)言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM ，如自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過(guò)程的可視化仿真演示等。

      （3）插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化。多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B 樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C樣條)、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?/p>

      （4）內(nèi)裝高性能PLC。 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級(jí)語(yǔ)言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)BC6 用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。

      （5）多媒體技術(shù)。應(yīng)用多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。

      2結(jié)構(gòu)體系發(fā)展方向

      （1）模塊化、專門化與個(gè)性化。為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn)，機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價(jià)格比顯著提高并加快優(yōu)化。硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU 、存儲(chǔ)器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，做成標(biāo)準(zhǔn)化系列化產(chǎn)品，通過(guò)積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)系統(tǒng)。個(gè)性化是近幾年來(lái)特別明顯的發(fā)展趨勢(shì)。

      （2）智能化。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：

      a）自適應(yīng)控制技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。

      b）專家系統(tǒng)。將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，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(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。當(dāng)前已開(kāi)發(fā)出模糊邏輯控制和帶自學(xué)習(xí)功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工數(shù)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(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置?？梢酝ㄟ^(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；

      （3）網(wǎng)絡(luò)化和集成化。數(shù)控機(jī)床向網(wǎng)絡(luò)化和集成化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床）、線（FMC 、FMS 、FTL 、FML ）向面（工段車間獨(dú)立制造島、FA ）、體（CIMS 、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展；另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化和集成化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，通過(guò)研究計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE ）、工程計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程規(guī)程（CAPP）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 在綜合自動(dòng)化概念框架下集成CAD/CAE/CAPP/CAM/NET的應(yīng)用，將其功能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一組織和管理有關(guān)信息提取、交換、共享。其重點(diǎn)是易于聯(lián)網(wǎng)和集成；注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓、完善；CNC單機(jī)向高精度、高速度和高集成方向發(fā)展；數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD/CAPP/CAM/MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開(kāi)放、集成和智能化方向發(fā)展。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

      （4）開(kāi)放化。采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開(kāi)放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級(jí)，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。加工過(guò)程中采用開(kāi)放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化?；赑C的第六代方向發(fā)展所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程和聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題。由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)，PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通訊等，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。日本、歐盟和美國(guó)等針對(duì)開(kāi)放式的#.# ，正在進(jìn)行前后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(zhì)量和精度。新一代數(shù)控機(jī)床（含加工中心）通過(guò)高速化、大幅度縮短切削工時(shí)，進(jìn)一步提高其生產(chǎn)率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數(shù)控機(jī)床特別是高速加工中心的開(kāi)發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 ）、高速且高加,減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度 ，切削進(jìn)給速度高達(dá) ）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。依靠快速、準(zhǔn)確的數(shù)字量傳遞技術(shù)對(duì)高性能的機(jī)床執(zhí)行部件進(jìn)行高精密度、高響應(yīng)速度的實(shí)時(shí)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(dá)到 以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在 （有的高達(dá)100000r/min）以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度：進(jìn)給速度在分辨率為1微米時(shí)，在 （有的到 ）以上；在分辨率為 時(shí)，在 以上；自動(dòng)換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到 。根據(jù)高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速直線電機(jī)的推廣應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出一批高速、高效的高速響應(yīng)的數(shù)控機(jī)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(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。其精度從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)（ ），其應(yīng)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(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工和各種復(fù)合加工等）。近10多年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 提高到 ，精密級(jí)加工中心的加工精度則從 提高到 。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都促進(jìn)了超精密加工工藝，新型超精密加工機(jī)床等現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的完善，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。

      （3）高可靠性。數(shù)控機(jī)床的工作環(huán)境比較惡劣，工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，因而對(duì)CNC的可靠性要求要優(yōu)于一般的計(jì)算機(jī)。數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，要求平均無(wú)故障時(shí)間在2萬(wàn)小時(shí)以上，且有多種報(bào)警和保護(hù)措施；出故障時(shí)盡可能不損壞機(jī)床、刀具和工件，并能根據(jù)報(bào)警信息了解故障部件，及時(shí)排除故障。

      4、其它

      （1）為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)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(dòng)測(cè)量、自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換主軸頭（有時(shí)帶坐標(biāo)變換）、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛地應(yīng)用機(jī)器人、物流系統(tǒng)。

      （2）圍繞數(shù)控技術(shù)、制造過(guò)程技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床、機(jī)器人化機(jī)床、多功能機(jī)床等整機(jī)方面和高速電主軸、直線電機(jī)、軟件補(bǔ)償精度等單元技術(shù)方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床實(shí)用化。這種虛擬軸數(shù)控機(jī)床用軟件的復(fù)雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，開(kāi)拓了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新領(lǐng)域。

      （3）以計(jì)算機(jī)輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫(kù)、因特網(wǎng)等為主體的制造信息支持技術(shù)和智能化決策系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械加工中海量信息進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理。應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使機(jī)械加工整個(gè)系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應(yīng)用。

      （4）采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，虛擬制造技術(shù)以及FMC、FMS、Web-based 制造和無(wú)圖紙制造技術(shù)的方向發(fā)展。

      （5）研究以MTP、ERP、PDM為主體的技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、WEB 技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、數(shù)據(jù)安全和監(jiān)控技術(shù)、應(yīng)用集成技術(shù)、配置管理技術(shù)等開(kāi)發(fā)面向國(guó)際化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用。

      （6）按照現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)數(shù)字通訊協(xié)議，進(jìn)行通訊模板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)及防爆、可靠性一致性測(cè)試技術(shù)研究；符合制造業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工具、系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)；產(chǎn)品互換性、互操作性技術(shù)及認(rèn)證技術(shù)與工具方法研究；基于現(xiàn)場(chǎng)總線的、面向行業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)研究及集成技術(shù)研究。

      （7）重點(diǎn)進(jìn)行高精度、高可靠性自動(dòng)化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；總線式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件及基本模件開(kāi)發(fā)；自調(diào)零、自校正、自診斷的數(shù)字化科學(xué)儀器（分析儀器、大地測(cè)量?jī)x器、試驗(yàn)機(jī)）的開(kāi)發(fā)；數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字打印機(jī)、數(shù)字IC卡等文化辦公設(shè)備的開(kāi)發(fā)以及醫(yī)用X線診斷裝置、醫(yī)用超聲診斷裝備、計(jì)算機(jī)層掃描裝置（CT）、磁共振成像裝置等醫(yī)療設(shè)備；各類醫(yī)用電生理診斷設(shè)備；臨床檢驗(yàn)分析設(shè)備。