數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢

李 科

(江西省化學(xué)工業(yè)高級技工學(xué)校)

一、引言

沒有指導(dǎo)的實踐是盲目的實踐，沒有實踐的理論是空洞的理論。

我國從事數(shù)控機床編程、加工工藝與維修工作的技術(shù)人員數(shù)以萬計，然而由于此項技術(shù)的復(fù)雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環(huán)境因素的制約，還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。當(dāng)今控制理論與自動化技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是微技術(shù)和機技術(shù)的日新月異，使得數(shù)控技術(shù)也在同步飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上的PC基、開放化和性能上的多樣化、復(fù)雜化、高智能化不僅給其應(yīng)用從觀念到實踐，帶來了巨大變化，也在其維修理論、技術(shù)和手段上帶來了很大的變化。因此，一篇論文形式的文章不可能把已經(jīng)形成了一門專門學(xué)科的數(shù)控機床技術(shù)理論完整地表述出來，本文僅是將業(yè)內(nèi)眾老師及同仁的經(jīng)驗加以適當(dāng)?shù)臍w納整理，以求對該學(xué)科有更深刻的認識。

二、數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)

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)；是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率必不可少的物質(zhì)手段；是國防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物資；是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。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。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。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)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)。因此，專家們預(yù)言：機械制造的競爭，其實質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。

根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展和國家重點建設(shè)工程的具體需求，設(shè)計制造“高、精、尖”重大數(shù)控裝備，打破國外封鎖，掌握數(shù)控裝備關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)出中國數(shù)控機床品牌，提高市場占有率是全面提升我國基礎(chǔ)制造裝備的核心競爭力的關(guān)鍵所在。

三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 性能發(fā)展方向

(1)高速高精高效化

速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化包含兩方面

數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。

(3)工藝復(fù)合性和多軸化

減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。

2.2 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(dāng)前INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形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(xiàn)。

(2)科學(xué)計算可視化

科學(xué)計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(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、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，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)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(biāo)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(guān)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?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語言編程，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)PLC用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。

2.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

(1)集成化

采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。

(2)模塊化

硬件模塊化易于實現(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、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。

(3)網(wǎng)絡(luò)化

機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設(shè)定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。

(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式

采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，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(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。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(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、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

四、中國數(shù)控的出路

縱觀目前我國的數(shù)控市場，我國數(shù)控產(chǎn)品在性能、外觀、可靠性方面與國外產(chǎn)品有一定差距，特別是國外企業(yè)有雄厚的資金，加上外國企業(yè)為占領(lǐng)中國市場，對我國能夠生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)壓價銷售，而對我國未能生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，不僅高價而且附加許多限制。在國外數(shù)控企業(yè)采用技術(shù)封鎖和低價傾銷的雙重策略下，中國數(shù)控產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了坎坷的歷程，我國曾花巨資引進西門子和FANUC的技術(shù)，并希望在此基礎(chǔ)上吸收消化，開發(fā)我國自己的數(shù)控技術(shù)。如北京密云所引進了FANUC的數(shù)控系統(tǒng)，可是，F(xiàn)ANUC賣給我們的都是即將過時的落后技術(shù)。我國引進后，尚未來得及吸收消化和批量生產(chǎn)，F(xiàn)ANUC即宣布停止生產(chǎn)該系統(tǒng)的生產(chǎn)，并將性能價格比更好、質(zhì)量更高、體積更小的數(shù)控系統(tǒng)推向中國市場。這種總是跟在別人后面走的做法，必然受人制約，永遠落在后面。中國數(shù)控出路何在？隨著計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，基于微機的開放式數(shù)控是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。在傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)方面，我國處于相對落后的狀態(tài)，開放式數(shù)控為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的契機，加強和重點扶持開放性數(shù)控技術(shù)的研究和應(yīng)用，我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)才有發(fā)展壯大可能，才有可能在未來的市場競爭中立于不敗之地。

五、結(jié)語

制定符合中國國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，確立與國際接軌的發(fā)展道路，對21世紀(jì)我國數(shù)控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。本文在對數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的分析，對我國數(shù)控領(lǐng)域存在的問題進行研究的基礎(chǔ)上，對21世紀(jì)我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑進行了探討，堅持可持續(xù)發(fā)展道路的總體發(fā)展戰(zhàn)略。在此基礎(chǔ)上，研究了發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機床整機等的具體技術(shù)途徑。

我們衷心希望，我國科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識經(jīng)濟給我們帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，為在21世紀(jì)使我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國經(jīng)濟的發(fā)展和數(shù)控技術(shù)共同騰飛！

[1]趙玉剛，宋現(xiàn)春.數(shù)控技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]饒軍.數(shù)控機床與數(shù)控技術(shù).2006.

[3]羅良玲.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用.2006.