高檔數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢(shì)

王太勇 喬志峰 韓志國(guó) 董靖川 支勁章

1.天津大學(xué)，天津，300072 2.天津輕工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300161

高檔數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢(shì)

王太勇1喬志峰1韓志國(guó)2董靖川1支勁章1

1.天津大學(xué)，天津，300072 2.天津輕工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300161

綜合介紹了現(xiàn)今高檔數(shù)控裝備各關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，首先，結(jié)合機(jī)床關(guān)鍵功能部件的發(fā)展?fàn)顩r，講述了數(shù)控機(jī)床在高速、高精度、高效率、高可靠性方面的主流發(fā)展動(dòng)態(tài)，并進(jìn)一步指出機(jī)床的可靠性是影響我國(guó)機(jī)床企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵因素；然后，結(jié)合當(dāng)前高檔數(shù)控系統(tǒng)在智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化等方面的發(fā)展，闡述了最新的數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)高檔數(shù)控技術(shù)的重要影響及其未來發(fā)展方向，并介紹了國(guó)內(nèi)外最新的相關(guān)研究成果；最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了關(guān)于高檔數(shù)控裝備發(fā)展的相關(guān)建議。

高檔數(shù)控；高速高精；智能的；網(wǎng)絡(luò)化

0 引言

當(dāng)今世界各國(guó)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(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，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(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。目前，我國(guó)已經(jīng)將高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造技術(shù)列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》所確定的十六個(gè)重大專項(xiàng)?，F(xiàn)今高檔數(shù)控裝備的技術(shù)呈現(xiàn)了以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：①機(jī)床自身幾何精度和控制運(yùn)動(dòng)軌跡的精度不斷提高，機(jī)床的加工速度和效率大幅提高；②機(jī)床的加工精度、可重復(fù)性和可信賴度不斷提高，性能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)［1］；③出現(xiàn)許多高性能和高可靠的新型功能部件，如高頻電主軸、直線電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、電滾珠絲桿等；④機(jī)床智能化水平不斷提高，結(jié)合當(dāng)今高檔數(shù)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)等功能的智能型、開放式、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控裝備越來越多。

1 高速高精度高效率是主流發(fā)展趨勢(shì)

高速切削是指速度高于常規(guī)速度的5～10倍的切削方式［2］。高速加工（特別是高速銑削）與新一代高速數(shù)控機(jī)床（特別是高速加工中心）的開發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)。近十多年來，刀具、伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得高速加工和高精加工，特別是高速切削（HSM）已在航空、航天、模具制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和推廣，傳統(tǒng)的電火花加工在很多場(chǎng)合已被高速切削所替代。通過高速銑削對(duì)一次裝夾下的模具坯件進(jìn)行綜合加工，不僅大大提高了工件的加工精度和表面質(zhì)量，大幅度縮短了加工時(shí)間，而且簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程，從而顯著縮短了工件的制造周期，降低了工件的生產(chǎn)成本。在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是每輛40s，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，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(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工，近年來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他連接方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高［2］。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精度和高柔性的要求。

為了實(shí)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(jī)等得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大［3］。高頻電主軸、直線電機(jī)、電滾珠絲桿、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、高速切削刀具等越來越多地應(yīng)用在高檔數(shù)控裝備中。

（1）高頻電主軸［4］（圖1）。直接將電動(dòng)機(jī)裝配在主軸中，中間不需傳動(dòng)環(huán)節(jié)，是高頻電動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)。電主軸結(jié)構(gòu)緊湊，軸承的內(nèi)外環(huán)采用高氮合金鋼制造，配以陶瓷滾動(dòng)元件，并采用優(yōu)良的密封和冷卻技術(shù)以滿足主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)要求。高頻電主軸是精密制造技術(shù)、軸承技術(shù)、電機(jī)調(diào)速技術(shù)、電機(jī)技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)的綜合成果。國(guó)際上高速、高精度數(shù)控機(jī)床普遍采用電主軸單元。在多工件復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動(dòng)多面體加工機(jī)床、并聯(lián)機(jī)床和柔性加工單元中，電主軸更有機(jī)械主軸不可替代的優(yōu)越性。

圖1 高頻電主軸

（2）直線電機(jī)［5］（圖2）。專門為動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床設(shè)計(jì)的直線電機(jī)，雖然價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但卻大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，有效提高了機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。進(jìn)給速度和加速度方面，直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g。現(xiàn)在，進(jìn)給速度100m／min、加速度1g～2g的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床已很普遍，西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電機(jī)移動(dòng)速度為120m／min，加速度為2g。德國(guó)Trumpf公司、法國(guó)Renault automation公司，可生產(chǎn)最大速度達(dá)150～200 m／min、加速度達(dá)5g的直線電機(jī)。在定位精度方面，利用直線電機(jī)并采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.01～0.1μm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減小跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。從行程方面來講，傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，行程一般為4～6m，更長(zhǎng)的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無論是制造工藝方面還是性能方面都不理想，而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無限加長(zhǎng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心X軸長(zhǎng)達(dá)40m以上。由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作平臺(tái)具有高速、高加速度、高精度、行程不受限制的特點(diǎn)，故可以更好地滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)于進(jìn)給伺服電機(jī)的要求。

圖2 直線電機(jī)

（3）電滾珠絲桿（圖3）。電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成。具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。采用電滾珠絲桿可以大大簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)。

圖3 電滾珠絲桿

（4）轉(zhuǎn)矩電機(jī)（圖4）。在高速加工中心上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動(dòng)的部件上，所以沒有機(jī)械傳動(dòng)元件，它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置的。轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)所能達(dá)到的角加速度高6倍，應(yīng)用于擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到3g。由于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性，因而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)定位精度。

圖4 轉(zhuǎn)矩電機(jī)

（5）高速切削刀具。刀具材料的進(jìn)步是切削加工技術(shù)進(jìn)步的決定性因素之一。對(duì)于高速切削加工，刀具材料更具有舉足輕重的影響。近三四十年來刀具材料所取得的突破使高速切削中出現(xiàn)的問題得到了較好解決。一些新型刀具材料（如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和立方氮化硼（CBN）等）具有良好的耐熱性；晶須增韌陶瓷刀具和涂層技術(shù)的應(yīng)用大大提高了刀具硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韌性的基體；用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度高達(dá)HV3500～4500，已成為高速切削淬硬鋼的首選刀具；同樣用聚晶方法得到的聚晶金剛石（PCD）刀片的硬度可達(dá)HV6000～10 000，用PCD材料制作的車刀、銑刀、鉆頭等可對(duì)有色金屬進(jìn)行高速切削，有時(shí)也應(yīng)用于黑色金屬的切削加工。

值得提及的是，直接驅(qū)動(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合，使機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)軸都具有較高的動(dòng)態(tài)性能和較好的調(diào)節(jié)特性，從而為高速度、高精度和高表面質(zhì)量的自由曲面加工提供了最佳條件。這些高性能和高可靠的新型功能部件的出現(xiàn)使數(shù)控機(jī)床的開發(fā)和試制周期縮短，數(shù)控機(jī)床的性能與可靠性也得到大幅度提升。此外，隨著功能部件性能的大幅提升，對(duì)高檔數(shù)控裝備的控制系統(tǒng)的控制精度又有了新的要求，國(guó)外的大型數(shù)控廠商紛紛提出了納米插補(bǔ)的概念，在國(guó)內(nèi)，天津天大精益數(shù)控技術(shù)有限公司也在其最新的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)TDNC－SX中采用了納米級(jí)插補(bǔ)技術(shù)。

2 高檔數(shù)控裝備的可靠性

數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。衡量可靠性重要的量化指標(biāo)是平均無故障工作時(shí)間（meantime between failures，MTBF）。作為數(shù)控機(jī)床的大腦——數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由20世紀(jì)70年代的大于3000h，80年代的大于10 000h，提高到90年代初的大于30 000h。在數(shù)控系統(tǒng)可靠性大幅提高的同時(shí)，要求數(shù)控機(jī)床的可靠性也要大幅提高，這樣才能提高數(shù)控裝備的整機(jī)可靠性。

高速、高效、高精度、高可靠性是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的研發(fā)，主要面向高檔次，追求高速、精密和多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工等。然而，隨著復(fù)合功能的增多和密集型技術(shù)的引入，不可靠因素和故障隱患增多，在運(yùn)轉(zhuǎn)和使用過程中發(fā)生故障的幾率增加，系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，其先進(jìn)性能和功能不能維持，就降低或失去了使用價(jià)值。而且，由于高檔數(shù)控裝備復(fù)合功能密集，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工況多變等，使得可靠性問題成為制約國(guó)內(nèi)高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要瓶頸。

我國(guó)是世界上數(shù)控機(jī)床消費(fèi)的大國(guó)，數(shù)控機(jī)床尤其是高檔數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口量一直居高不下。究其原因，產(chǎn)品的可靠性是影響市場(chǎng)占有率的關(guān)鍵因素［6］。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外產(chǎn)品相比，在機(jī)床可靠性上存在明顯差距，國(guó)外機(jī)床平均無故障工作時(shí)間都在5000h以上，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床僅在800h左右。國(guó)產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問題之一。近些年來，雖然我國(guó)機(jī)床行業(yè)的許多企業(yè)與有關(guān)高校合作，實(shí)施可靠性技術(shù)，國(guó)產(chǎn)機(jī)床的可靠性水平在穩(wěn)步提高，但與發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品相比仍然差距明顯。我國(guó)眾多行業(yè)的數(shù)控機(jī)床用戶，不選購(gòu)國(guó)產(chǎn)機(jī)床的主要原因就是產(chǎn)品的可靠性不能滿足用戶要求［7］。機(jī)床市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)主要是產(chǎn)品可靠性的競(jìng)爭(zhēng)，能否占領(lǐng)市場(chǎng)是影響我國(guó)數(shù)控裝備產(chǎn)業(yè)存亡和發(fā)展的要害。目前，國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)正在實(shí)施當(dāng)中，并對(duì)數(shù)控裝備（數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件）的可靠性技術(shù)研究以及產(chǎn)品可靠性的提升和考核給予了高度關(guān)注，要求所研制的成果和樣機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，即得到應(yīng)用驗(yàn)證，并在可靠性方面得到提升和考核。

3 多軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展

隨著飛機(jī)產(chǎn)品飛行性能的提高，對(duì)現(xiàn)代航空零件加工精度的要求也逐步嚴(yán)格，復(fù)雜形狀表面的精度誤差從早期的±（0.15～0.30）mm已經(jīng)提高到 ±（0.08～0.12）mm，表面粗糙度 Ra 從1.6～6.4μm提高到0.8～1.6μm。對(duì)于以機(jī)翼梁、機(jī)身框、翼肋及壁板為典型代表的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件，以及以機(jī)匣、整體葉盤、葉片和軸、盤為典型代表的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，既要保證零件的表面質(zhì)量，又要保證加工的位置精度和形狀精度，這些零件，一般都要求一次裝卡，一次定位加工成形，只有多軸聯(lián)動(dòng)的加工中心才能滿足上述要求。在目前，對(duì)于航空零部件，五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床以及具有五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制、轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床等復(fù)合設(shè)備的需求增加。復(fù)合化加工包括工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。采用五軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件進(jìn)行加工時(shí)，可調(diào)整刀具的最佳幾何形狀來進(jìn)行切削，不僅加工表面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可等于2臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，五軸聯(lián)動(dòng)加工可比三軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。圖5所示為德國(guó)德馬吉公司生產(chǎn)的HSC－20Linear五軸高速切削精密加工中心，其各進(jìn)給軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，X、Y、Z向快速移動(dòng)速度達(dá)到30m／min，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)42 000r／min，具有很高的精度、可靠性，且可獲得Ra＜0.2μm的加工表面質(zhì)量。

圖5 HSC－20Linear五軸機(jī)床

當(dāng)前由于電主軸和大功率力矩電機(jī)的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小［8］。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含五面加工機(jī)床）的發(fā)展。

在復(fù)合加工機(jī)床方面，車銑加工可以完成車削加工硬質(zhì)材料難以完成的精密加工，其加工表面質(zhì)量可以和磨削相媲美，并且可以通過優(yōu)化切削用量來提高刀具壽命。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗精加工等工序的概念，加工中心又把車、銑、鏜、鉆等類的工序集中到一臺(tái)機(jī)床來完成。一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑加工中心，不僅一次裝卡可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗(yàn)等工序，還可以完成箱體5個(gè)面粗精加工的工序。

近年來，又相繼出現(xiàn)了許多跨度更大、功能更集中的復(fù)合化數(shù)控機(jī)床。如日本池貝鐵工所的TV／4LII方式加工中心，由于采用了U軸，故亦可進(jìn)行車加工；東芝機(jī)械的GMC一95立式加工中心，在一根主軸上既可進(jìn)行切削又可進(jìn)行磨削；美國(guó)CINCNNAI MILACRON公司的車、銑、鏜、鉆偏心孔多用途制造中心，在一臺(tái)車削中心上不僅可以完成回轉(zhuǎn)體外圓和端面的車削加工，還可完成銑平面鉆斜孔、開曲線槽等加工。在多軸和多軸聯(lián)動(dòng)控制方面，日本的FANUCIS系統(tǒng)為2～15根軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)達(dá)24根軸。

4 高檔數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)

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)容包括數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)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)的自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，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；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)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。

為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的封閉性和數(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(guó)家制定了專項(xiàng)計(jì)劃對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的 NGC（the next generation work－station／machine control）、歐盟的 OSACA（open system architecture for control within automation systems）、日本的 OSEC（open system environment for controller）、中 國(guó) 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(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)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(gè)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(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是研究的核心。

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化主要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet／Intranet技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱“e－制造”，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能［9］。

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步促進(jìn)了柔性自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)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。柔性自動(dòng)化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，同時(shí)注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成的柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS連接，向信息集成方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。

圖6所示為天津大學(xué)數(shù)字化制造與測(cè)控技術(shù)研究所研制的基于開放式數(shù)控體系開發(fā)的新型智能數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)八軸五聯(lián)動(dòng)加工的同時(shí)，進(jìn)一步集成了在機(jī)質(zhì)量檢測(cè)與在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。在機(jī)質(zhì)量檢測(cè)功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)正在加工的零件隨時(shí)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，做到對(duì)不符合質(zhì)量要求的工件及時(shí)修正，減少裝卡工序，縮短檢測(cè)時(shí)間，降低不合格率。在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)整臺(tái)機(jī)床的智能監(jiān)控和智能診斷，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，通過建立遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。

圖6 天津大學(xué)精益TDNC－H8開放式智能數(shù)控系統(tǒng)

由德國(guó)西門子公司推出的840Di全PC集成的開放式數(shù)控系統(tǒng)與其傳統(tǒng)的840D系列數(shù)控系統(tǒng)相比，具有如下顯著特點(diǎn)：CNC控制功能與HMI功能一起在PC處理器上運(yùn)行，省略了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中所需的NC處理單元。這種控制系統(tǒng)包含了大量的標(biāo)準(zhǔn)化部件：帶接口卡的工業(yè)PC機(jī)、Windows NT操作系統(tǒng)、PROFIBUS－DP、OPC（用于過程控制的OLE）用接口和NC控制軟件。

5 總線式、全數(shù)字、多軸多通道的通用型數(shù)控系統(tǒng)成為發(fā)展熱點(diǎn)

控制對(duì)象的復(fù)雜多變、生產(chǎn)的柔性化趨勢(shì)，需要數(shù)控系統(tǒng)具有較好的柔性結(jié)構(gòu)功能重構(gòu)與配置功能，基于此，采用現(xiàn)場(chǎng)總線將擁有獨(dú)立的控制和運(yùn)算能力的功能單元，以一種全新的優(yōu)化方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中，實(shí)現(xiàn)多層次的軟硬件可擴(kuò)展，這已經(jīng)成為高檔數(shù)控系統(tǒng)的必然選擇。

全數(shù)字化不僅包括數(shù)控單元到伺服接口以及伺服系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字化，而且還要包括測(cè)量單元的數(shù)字化。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線、編碼器到伺服的數(shù)字化接口、驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部三環(huán)（位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán)）數(shù)字化是數(shù)控系統(tǒng)全數(shù)字化的重要標(biāo)志。目前國(guó)外的高檔數(shù)控系統(tǒng)甚至中低檔數(shù)控系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，這使其系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力得到大幅提升。

圖7所示為大連光洋科技工程有限公司推出的全數(shù)字總線開放式高檔數(shù)控系統(tǒng)GDS07，該系統(tǒng)使用的是實(shí)時(shí)串行總線協(xié)議GLINK，是世界首臺(tái)采用單一總線方式實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字總線開放式高檔數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)、伺服裝置以及PLC I／O之間以超五類雙絞線環(huán)形互連。系統(tǒng)內(nèi)各裝置間傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可達(dá)32位，能滿足納米加工的需求。該系統(tǒng)可完成兩軸以上各類機(jī)床的控制，如車銑復(fù)合加工中心、五軸龍門加工中心、五軸立式加工中心、多軸磨床等；可提供包括總線式數(shù)控系統(tǒng)、總線式伺服驅(qū)動(dòng)器、總線式一體化電機(jī)、總線式PLC I／O擴(kuò)展模塊、總線式模擬量控制模塊等設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)整體解決方案。

圖7 大連光洋全數(shù)字總線開放式數(shù)控系統(tǒng)GDS07

針對(duì)制造業(yè)對(duì)整合數(shù)控機(jī)床（即融合工業(yè)機(jī)器人、影像處理系統(tǒng)和精密物料搬運(yùn)各項(xiàng)功能的機(jī)械，該機(jī)械不僅能完成通常的加工功能，而且還具備自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷和聯(lián)網(wǎng)等功能）的巿場(chǎng)需求，各著名數(shù)控系統(tǒng)廠商紛紛將多軸（包括多主軸）多通道控制、軸同步控制、軸疊加控制、軸混合控制、信道協(xié)同等功能列為新的研究點(diǎn)。同步控制可以令不同通道的運(yùn)動(dòng)軸按照某種時(shí)序關(guān)系或某種條件達(dá)到同步，混合控制可讓一個(gè)軸的混合命令在各通道之間進(jìn)行交換，疊加控制能把一個(gè)軸的移動(dòng)命令疊加到屬于另一通道的另一個(gè)軸上去。

FANUC開發(fā)的新一代復(fù)合、高速、高精、高效、多軸聯(lián)動(dòng)、多通道的數(shù)控系統(tǒng)——FANUC 30i系統(tǒng)具有10通道，8根主軸，可控進(jìn)給軸數(shù)達(dá)32根，可聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)給軸數(shù)達(dá)24根，能同時(shí)運(yùn)行10個(gè)獨(dú)立的數(shù)控加工程序，具有軸同步、混合、疊加控制等功能?；诖讼到y(tǒng)，F(xiàn)ANUC公司推出了4個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人、一套天車輸送線、外加兩部六腿切削加工機(jī)器人的整合加工系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)、有序，銜接順暢，體現(xiàn)了典型的多通道數(shù)控系統(tǒng)的特征。

6 新一代的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步發(fā)展

傳統(tǒng)的數(shù)控加工程序大多遵循ISO6983（G／M代碼）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)至今仍然是絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)遵循的基本程序輸入的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。ISO6983標(biāo)準(zhǔn)約定了加工運(yùn)動(dòng)軌跡的基本定義（G代碼），以及輔助加工過程的指令（M 代碼），但不包含加工過程的其他信息（毛坯的集合信息、材料信息、刀具信息及工序信息等）。這些信息表述的欠缺在一定程度上制約了制造過程的信息集成和自動(dòng)化管理。

針對(duì)上述問題，歐共體于1997年提出了OPTIMAL計(jì)劃，將 STEP（standard for the exchange of product model date，ISO 10303）標(biāo)準(zhǔn)延伸到自動(dòng)化制造的底層設(shè)備，開發(fā)了一種STEP－NC的數(shù)據(jù)模型，作為銑削加工編程的數(shù)據(jù)接口。該接口遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)，具有面向?qū)ο蟮奶卣鳌TEP－NC將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP擴(kuò)展到CNC領(lǐng)域，重新制訂了CAD／CAM與CNC之間的接口，它要求CNC系統(tǒng)直接使用符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD三維數(shù)據(jù)模型（包括工件幾何數(shù)據(jù)、參數(shù)配置和制造特征），工藝信息和刀具信息直接產(chǎn)生加工程序［10］，圖8所示為其信息模型。STEP－NC作為數(shù)控技術(shù)中編程技術(shù)和數(shù)據(jù)交換的重要技術(shù)，正成為制造自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

圖8 STEP－NC信息模型

縱觀國(guó)際上關(guān)于STEP－NC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)主流的數(shù)控系統(tǒng)制造商都是謹(jǐn)慎地參與和觀望。正視STEP－NC技術(shù)的發(fā)展，正確評(píng)估該技術(shù)對(duì)NC技術(shù)乃至制造自動(dòng)化技術(shù)的影響是非常必要的。首先，STEP－NC的實(shí)施將面臨著對(duì)具體裝備工藝解析個(gè)性化的難題。不同的機(jī)床或其他加工設(shè)備具有不同的加工運(yùn)動(dòng)特征，當(dāng)前數(shù)控裝備一般是針對(duì)加工對(duì)象的定制，基于模塊化和部件化的設(shè)計(jì)和制造模式正在形成潮流。其次，數(shù)控裝備本身的通用的模型描述還是值得研究的問題，而這部分模型是真正實(shí)現(xiàn)STEP－NC加工策略和加工路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)［1］。

因此，STEP－NC技術(shù)替代ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)在可預(yù)見的短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但STEP－NC技術(shù)作為國(guó)際上數(shù)控領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，也是值得我們繼續(xù)關(guān)注的。

7 結(jié)束語

從高檔數(shù)控裝備不斷創(chuàng)新的過程中可以看出，充分利用當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域里的最新成就，特別是利用機(jī)床關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的最新成果，是不斷提高高檔數(shù)控裝備制造和應(yīng)用水平的關(guān)鍵。中國(guó)要加速機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，最關(guān)鍵的還是要提高整體素質(zhì)，只有加速培養(yǎng)大批配套的專家和人才，機(jī)床工業(yè)才能真正加快發(fā)展速度，高檔數(shù)控機(jī)床、刀具和配套件也才能切實(shí)地做到真正過關(guān)。真正做到人才一流、科研一流、創(chuàng)新一流和競(jìng)爭(zhēng)力一流，使產(chǎn)品銷往國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，工作做到踏踏實(shí)實(shí)、堅(jiān)持有恒，這樣，才能真正進(jìn)入世界一流的、名副其實(shí)的機(jī)床工業(yè)強(qiáng)國(guó)之列。

此外還需要認(rèn)識(shí)到的是，我國(guó)對(duì)國(guó)外高檔數(shù)控裝備的依賴程度依然較大，尤其是作為現(xiàn)代制造裝備“大腦”與“心臟”的高檔數(shù)控系統(tǒng)依然嚴(yán)重依賴進(jìn)口。在國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)不斷發(fā)展與創(chuàng)新的同時(shí)，國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商，應(yīng)該認(rèn)清差距，腳踏實(shí)地，站在戰(zhàn)略規(guī)劃的高度，有步驟、分階段地追趕，優(yōu)先發(fā)展與高檔數(shù)控裝備密切相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)，在數(shù)控裝備穩(wěn)定性上下足功夫，切忌盲目跟從，企圖實(shí)現(xiàn)跳躍式發(fā)展，要有十年磨一劍的決心與勇氣。

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Development Trends of High－end NC Equipment

Wang Taiyong1Qiao Zhifeng1Han Zhiguo2Dong Jingchuan1Zhi Jinzhang1
1.Tianjin University，Tianjin，300072
2.Tianjin Light Industry Vocational and Technical College，Tianjin，300161

This paper introduced the key technology’s development trend of a modern high grade NC equipment.Firstly，according with the development of the key functional units in a machine tool，the paper discussed the mainstream development of the NC machine tool in the aspect of high speed，high precision，high efficiency and high reliability，and further pointed out the reliability of machine tool was the key factor that affected the market competitiveness of China machine tool companies.Secondly，with the continuous development of high－grade NC system in intelligence，open，networking and other aspects，the future development direction and important impact on the CNC technology of the latest digital control technology were described and the latest research results both at home and abroad were also introduced.Finally，combining with the current development situation of domestic NC industry，the relevant individual recommendations about the development of high－grade digital equipment were proposed.

high－grade NC；high speed and high precision；intelligent；networking

TG502；TP1；TP27

1004—132X（2011）10—1247—06

2010—12—30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975193）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2009ZX04014－101）

（編輯 袁興玲）

王太勇，男，1962年生。天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造與數(shù)控技術(shù)、智能診斷與動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造及信息化技術(shù)等。獲國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)。發(fā)表論文200余篇。喬志峰，男，1985年生。天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。韓志國(guó)，男，1973年生。天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。董靖川，男，1983年生。天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士后研究人員。支勁章，男，1979年生。天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。