數(shù)控技術(shù)的國(guó)內(nèi)外分析與發(fā)展趨勢(shì)的展望

周曉楓，王子偉，張?zhí)熨x，張兆夕

（石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043）

隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，制造業(yè)對(duì)數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。為了迎合時(shí)代發(fā)展的需求，必須加強(qiáng)對(duì)數(shù)控技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，確保其符合實(shí)際需求，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，也確保整體質(zhì)量的提高。為了進(jìn)一步分析數(shù)控技術(shù)的優(yōu)化策略，總結(jié)出數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，現(xiàn)就國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與研究成果進(jìn)行概述。

1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）國(guó)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)出世界上第1臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)，開創(chuàng)了數(shù)控技術(shù)的先河。在隨后的30年里，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)代。三菱（MITSUBISHI）與發(fā)那科（FANUC）公司先后于1986年、1987年推出了32位CPU數(shù)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換速度有了顯著提高。90年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣，數(shù)控技術(shù)朝著開放式系統(tǒng)的方向發(fā)展。這種系統(tǒng)使數(shù)控技術(shù)有了良好的通用性，也為網(wǎng)絡(luò)化和智能化打下了技術(shù)基礎(chǔ)。歐洲和日本相繼開展OSACA與OSEC計(jì)劃，搶先建立開放式的數(shù)控系統(tǒng)。

21世紀(jì)后，數(shù)控技術(shù)在控制精度上有了大幅度的突破。2010年國(guó)際制造機(jī)床展覽會(huì)（IMTS 2010）上，F(xiàn)ANUC公司展出Series 30i/31i/32i/35i-MODEL B數(shù)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)運(yùn)用AI納米級(jí)控制，NURBS插補(bǔ)控制等先進(jìn)原理，大幅度提高了工件表面的光潔度與輪廓的精確度。

目前，國(guó)外的數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域主要有兩大陣營(yíng)：一個(gè)是以西門子（SIEMENS）、FANUC為代表的數(shù)控系統(tǒng)廠商；另一個(gè)是以德瑪吉（DMG）、山崎馬扎克（MAZAK）為代表的大型機(jī)床制造商。MAZAK在基于第7代MAZATROL SmoothX技術(shù)上，提出了全新的制造理念Smooth Technology，旨在提供高性能、高智能化的產(chǎn)品與生產(chǎn)服務(wù)。FANUC推出了Series oi-MODEL F數(shù)控系統(tǒng)，提高了與高檔車床的兼容性，并通過自動(dòng)化裝卸工件來提高運(yùn)行效率，縮短制造時(shí)間。

（2）國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研發(fā)工作開始于1958年，目前已經(jīng)具有了一定的自主知識(shí)技術(shù)與生產(chǎn)規(guī)模，例如：北京精雕數(shù)控、華中數(shù)控與沈陽數(shù)控等。雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在可靠性與功能性上與國(guó)外技術(shù)相比存在一定的差距，但是近年來我國(guó)在多軸聯(lián)合控制、系統(tǒng)的智能化與開放性等領(lǐng)域取得了一定的成績(jī)。

2012年，沈陽數(shù)控推出了具有智能功能的i5數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以由用戶遠(yuǎn)程下達(dá)指令，滿足用戶的個(gè)性需求，使工業(yè)效率提升了20%，被稱為“指尖上的工廠”。2013年，華中數(shù)控、武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司成功研發(fā)CKX5680七軸五聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床。同年，北京精雕推出了JD50數(shù)控系統(tǒng)，具備了操縱多軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)的能力，能夠滿足微米級(jí)精度的要求。2014年，在第八屆中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)（CCMT 2014）上，華中數(shù)控推出了華中8型高端數(shù)控系統(tǒng)，擁有“云管家、云維護(hù)、云智能”的3大功能，旨在打造面向控制廠商、機(jī)床廠商、用戶的數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)，奠定了建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)和加工知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)。

2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向

（1）開放式。隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的通用性與適應(yīng)性被寄予了較大的期望。開放式數(shù)控技術(shù)具有高度模塊化的特征，采用母系統(tǒng)、子系統(tǒng)以及各個(gè)模塊的分級(jí)式控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造是可移植和透明的，能夠快速適應(yīng)不同種類和檔次的數(shù)控車床，滿足廠家和用戶的需求。目前，國(guó)際上的OSACA、OMAC和OSEC數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，能夠滿足用戶對(duì)性能最優(yōu)化、價(jià)格最低化的要求，人機(jī)交互感好、系統(tǒng)配置靈活。

（2）多軸聯(lián)動(dòng)、系統(tǒng)復(fù)合化。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)能夠在工件表面加工出復(fù)雜的曲面，采用多軸聯(lián)動(dòng)加工可實(shí)現(xiàn)刀具的最佳切割，整體加工效率與質(zhì)量精度有大幅度的提升。一般認(rèn)為1臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的效率是2～3臺(tái)三軸機(jī)床才能達(dá)到的。目前，我國(guó)多采用國(guó)外的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于我國(guó)來說還有許多壁壘，因此要加快多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，真正擁有國(guó)產(chǎn)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，制造業(yè)越來越需要對(duì)工件進(jìn)行綜合加工。能對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合加工的數(shù)控機(jī)床，相較于只具備單一加工功能的數(shù)控機(jī)床，大幅度縮短了加工周期、省去了工件在不同工序上的轉(zhuǎn)移、提高加工精度與生產(chǎn)效率，有效的減少了機(jī)床與夾具的數(shù)量，減少作業(yè)面積。

（3）高速、高精度、高可靠性。數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)之一是加工速度，機(jī)床的高速化將大幅度提升加工效率，降低加工成本。目前直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主軸轉(zhuǎn)速為15000～100000r/min，工作臺(tái)快移速度為60～200m/min，切削進(jìn)給速度高于60m/min,最高加速度約為10g。我國(guó)沈陽機(jī)床集團(tuán)與國(guó)外共同設(shè)計(jì)了高速主軸，最高轉(zhuǎn)速可為70000r/min；北京精雕集團(tuán)自主研發(fā)的DVT600_A12S高速鉆銑中心主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min，運(yùn)行平穩(wěn)，加工精度可達(dá)Ra20nm。

精度是數(shù)控機(jī)床的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到工件的加工質(zhì)量。近年來，加工中心與數(shù)控機(jī)床的精度分別從10um、3～5um提高到了5um、1～1.5um，某些超精密機(jī)床的精度已到達(dá)納米級(jí)。FANUC公司的一款超精密加工機(jī)床的精度可達(dá)1nm。研發(fā)超精度數(shù)控機(jī)床或加工中心，成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。

可靠性（穩(wěn)定性）是系統(tǒng)能否正常工作的前提，對(duì)于數(shù)控技術(shù)來說，是直接判明優(yōu)劣的關(guān)鍵之處。

3 我國(guó)數(shù)控技術(shù)存在的問題

（1）數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位問題。數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)形成以結(jié)果為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念，雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能與要求，但是往往會(huì)忽視設(shè)計(jì)的流暢性與整體性，其結(jié)果就是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)大量的重復(fù)定位的問題，大量的重復(fù)定位不但會(huì)帶來零件變形的問題，同時(shí)偶然的公差也會(huì)持續(xù)累積，導(dǎo)致工件的最終加工質(zhì)量下降。另外，重復(fù)定位也會(huì)影響加工效率，不利于提升經(jīng)濟(jì)效益。

（2）傳統(tǒng)加工過程粗糙。傳統(tǒng)加工過程的粗糙問題也是目前數(shù)控機(jī)床應(yīng)用過程中難以解決的問題之一。由于設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素質(zhì)參差不齊，往往會(huì)導(dǎo)致舊刀具與新刀具的銜接不流暢，可能會(huì)導(dǎo)致規(guī)格的制定等方面存在問題，其結(jié)果就是工人的技能水平高低成為傳統(tǒng)工藝加工水平的關(guān)鍵點(diǎn)。工件的平潔度低、粗糙度高、輪廓不清晰、外形尺寸不精確的問題難以從數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上加以解決。

4 提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的建議

我國(guó)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但在高端數(shù)控技術(shù)上主要依賴于進(jìn)口。為提高我國(guó)的數(shù)控技術(shù)，提出以下參考建議。

（1）提升數(shù)控技術(shù)的性能指標(biāo)。數(shù)控技術(shù)要實(shí)現(xiàn)高速、高精度與高智能化，需要與計(jì)算機(jī)技術(shù)與PLC控制技術(shù)相結(jié)合。采用64位高速芯片和先進(jìn)的高精度控制技術(shù)，如：高速平滑處理、柔性控制、參數(shù)曲線插補(bǔ)等技術(shù)；要實(shí)現(xiàn)高可靠性，需深化相關(guān)的理論研究，包括：試驗(yàn)技術(shù)、故障模式和分布模型等，全面分析各種數(shù)控系統(tǒng)的故障原因，建立完整客觀的評(píng)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)數(shù)控技術(shù)的可靠性；對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)控制與復(fù)合化，需解決多軸輪廓誤差補(bǔ)償技術(shù)和多軸同步控制難題，掌握多主軸、多刀架的設(shè)計(jì)能力與復(fù)合編程的技術(shù)能力等。

（2）增強(qiáng)配套軟硬件功能。研發(fā)出高性能的相關(guān)配套部件，可以使軟硬件的配合到達(dá)預(yù)期的狀態(tài)。例如研發(fā)可控制高精度、高速的伺服系統(tǒng)和更高分辨率的編碼器等數(shù)控設(shè)備；開發(fā)高性能的電機(jī)與電動(dòng)主軸，高速、高精度的滾珠導(dǎo)軌、絲杠。

5 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的“主陣地”，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的頭腦。我國(guó)制造業(yè)能否向高端化邁進(jìn)，大程度取決于數(shù)控技術(shù)是否向開放式、復(fù)合化、高速、高精度等方向發(fā)展。在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)掌握關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)必須重視創(chuàng)新性技術(shù)的研究，大力開創(chuàng)數(shù)控技術(shù)的新局面。