数控研究与发展趋势

     目前 数控系统技术是机械制造和控制技术相结合的产物，是当今装备制造业的核心技术之一。本文主要从数控机床产业角度阐述了国内外数控系统技术发展现状，概述了主流数控系统在性能、体系架构等方面的研发成果，分析了数控系统技术的高速、高精度、复合化、智能化、开放性等发展趋势，提出了提高国产数控系统技术水平的具体措施，为我国数控系统技术的研究发展提供参考。

     到目前为止， 在经济化和信息技术革命的影响下，制造业正在发生深刻变化，制造业的规模和水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。数控机床特别是数控机床是装备制造业竞争的热点领域。我国已经将数控机床与基础制造装备列入国家科技重大专项给予大力推进。数控系统是数控机床的控制核心，价值占到整机的 30% ～40%，其功能、控制精度和可靠性直接影响机床的整体性能、性价比和市场竞争力。

     目前在德、美、日等工业发达国家已先后完成了数控机床的产业化进程，数控系统的发展日趋成熟。我国数控系统由于起步晚、研发队伍实力较弱、研发投入力度不够等多方面原因，长期以来始终处于低端迅速膨胀、中端进展缓慢、依靠进口的局面。目前，正值装备制造业高速发展期，数控机床的重要性愈加明显，对数控系统的需求越来越大，然而国内数控系统的市场基本被国外厂商占领，因此加强数控系统技术领域的基础研究和共性关键问题攻关，已成为我国装备制造业发展的当务之急，对提升我国数控系统的独立设计开发能力和竞争力具有重要意义。

1. 1 国内数控系统技术的发展现状  

     我国对数控系统技术的研究始于 1958 年，经过几十年的发展已形成具有一定技术水平和生产规模的产业体系，建立了华中数控、沈阳数控、航天数控、广州数控和北京精雕数控等一批国产数控系统产业基地。虽然国产数控系统与国外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距，但近年来在多轴联动控制、功能复合化、网络化、智能化和开放性等领域也取得了一定成绩。
      多轴联动控制。多轴联动控制技术是数控系统的核心和关键，也是制约我国数控系统发展的一大瓶颈。近年来，在国家政策支持和多方不懈努力下得到了快速发展，逐渐形成了较为成熟的产品。华中数控、航天数控、北京机电院、北京精雕等已成功研发五轴联动的数控系统。2013 年，应用华中数控系统，武汉重型机床集团有限公司成功研制出CKX5680 七轴五联动车铣复合数控加工机床，用于大型舰船推进器关键部件—大型螺旋桨的高精、加工 。同年，北京精雕推出了 JD50数控系统，具备高精度多轴联动加工控制能力，满足微米级精度产品的多轴加工需求，配备 JD50 数控系统的 SmartCNC500E－ DＲTD 系列精雕机，可用于加工航空航天精密零部件叶轮

       网络化与智能化。随着计算机及人工智能技术的发展，国产数控系统的网络化、智能化程度不断提高。沈阳数控于 2012 年推出了具有网络智能功能的数控系统。该系统满足了用户的个性化需求，用户可通过或电脑远程对 i5 智能机床下达各项指令，使工业效率提升了 20%，实现了“指尖上的工厂”。i5 数控系统提供的丰富接口使数据在设备和异地工厂之间实现双向交互，为用户提供了不同层次和规模的应用。2014 年第八届中国数控机床展览会( CCMT 2014) 上，华中数控围绕新一代云数控的主题，推出了配置机器人生产单元的新一代云数控系统和面向不同行业的数控系统解决方案。 

1. 2 、数控系统技术的发展趋势

     近两年机床博览会上，充分展示了数控机床行业的发展方向和技术成果，让业界更加明确了“高速、高精、复合、智能、环保、 等”是未来机床发展的重要方向。数控系统作为数控机床的核心，也正向着该方向发展，简单的介绍趋势如下:

       1) 向高速、高精度、高可靠性方向发展高速是数控机床的重要指标，机床的高速化可极大地提高加工效率，降低加工成本，缩短生产周期和提高市场竞争力［18-19］。随 着 数 控 系 统运算速度的不断提高和高速机床主要功能部 件的研发突破，目前直线电机驱动的主轴转速可达15 000 ～ 100 000 r /min，工作台快移速度可达60 ～ 200 m /min，加工切削进给速度高于60 m /min，zui高 加 速 度 可 达 10 g。DMG 公 司的 DMC 165 机床zui高转速可达 30 000 r /min，zui快移动速度可达 90 m /min，加速度可达 2 g; 沈阳机床集团与国外联合设计的高速强力主轴，zui高转速可达 70 000 r /min; 北京精雕集团自主研发的 JDVT600_A12S 高速钻 铣 中 心 和 JDLVM400P高 光 加 工 机，主 轴 zui 高 转 速 分 别 可 达20 000 r /min和 36 000 r /min，且 运 行 平 稳，加 工出的高光产品表面粗糙度可达 Ｒa20 nm。
       高精度是数控机床和数控系统的另一项重要指标，它直接关系到产品的加工质量。近 10 年来，普通数控机床和精密加工中心的加工精度分别从当初的 10 μm、3～5 μm 提高到现在的 5 μm、1～1. 5 μm，超精密加工的精度则已进入纳米级。FANUC 公司推出了一款加工精度高达 1 nm 的超精密加工机床，能够实现超精密细微加工凹槽。发展新型超精密加工机床以完善现代超精密加工技术，已成为世界各工业强国致力发展的方向。
       可靠性是数控系统综合性能优劣的直接体现，能否在可靠性方面缩短与国外数控系统的差距是关系到国产数控系统及其装备能否占领市场的关键因素。高可靠性是指数控系统的可靠性需要比被控设备的可靠性高出一个数量级以上。以每天工作 16 h的无人化车间为例，要保证机床在工作时间内连续正常运转，则*率需达到 99%以上，数控机床的 平 均 无 故 障 工 作 时 间 ( Mean Time BetweenFailure，MTBF) 必须大于 3 000 h，这意味着数控系统的 MTBF 要大于 33 333. 3 h，而其中数控装置、主轴及驱动等部件的 MTBF 就必须在 100 000 h 以上。国外数控机床已经表现出了相当高的可靠性，其数控装置和伺服系统的 MTBF 值已分别超过 6 000 h 和 30 000 h。

1.  向智能化、柔性化、网络化方向发展
           智能化体现在数控系统的方方面面。智能控制加工质量和效率，如自适应控制加工过程、自动生成工艺参数等; 智能提高驱动性能，如负载自动识别、电机参数自适应运算、前馈控制等; 智能编程和操作，如自动编程和智能化的人机界面; 此外，智能监控、智能诊断等也属研究范畴。
         数控系统向柔性化发展的趋势表现在两个方面: 一方面是由点( 数控单机) 、线( 柔性生产线) 向面( 自动化车间) 、体( CIMS) 的方向发展; 另一方面是向注重经济性和实用性的方向发展。柔性自动化技术作为*制造领域的基础技术，可助制造业快速响应市场动态需求和产品更新换代，是制造业发展的主流趋势。该技术以异域联网和集成为目标，注重单元模块的扩展型和更换性，用以提高数控系统的可靠性和实用性。数控系统的柔性化使得FMS 可与 CAD、CAM、CAPP、MTS 便捷联结，实现制造过程的信息集成。
             数控系统的网络化是实现虚拟制造、敏捷制造、制造等新制造模式的基础单元，也是满足制造企业对信息集成需求的技术途径。近年来，国外的数控机床和数控系统制造商都推出了有关网络化的样机和新概念，如 MAZAK 的智能生产控制中心、SIEMENS 的开放制造环境、三菱电机的工厂网络集成制造系统等，均反映了数控加工向网络化方向发展的趋势。

      数控机床是装备制造业的“工作母机”，数控系统则是数控机床的灵魂和大脑。国产数控系统能否满足我国装备制造和国家战略安全的需求一直备受关注。经过逾半个世纪的研究和发展，德、美、日等工业发达国家已基本掌握数控系统的关键技术并影响着整个数控产业的发展趋势。在数控系统技术向高速、高精度、复合、智能、开放等方向持续迈进的今天，立足国产数控系统发展缓慢且受制于人的现状，我国必须重视自主设计理论与技术研究，不断提升数控系统及相关配套功能部件的各项性能，依靠夯实基础和科技创新开拓我国数控系统技术与产业发展的新局面，为“中国制造 2025”发挥更重要的作用。

     数控机床是装备制造业的“工作母机”，数控系统则是数控机床的灵魂和大脑。国产数控系统能否满足我国装备制造和国家战略安全的需求一直备受关注。经过逾半个世纪的研究和发展，德、美、日等工业发达国家已基本掌握数控系统的关键技术并影响着整个数控产业的发展趋势。在数控系统技术向高速、高精度、复合、智能、开放等方向持续迈进的今天，立足国产数控系统发展缓慢且受制于人的现状，我国必须重视自主设计理论与技术研究，不断提升数控系统及相关配套功能部件的各项性能，依靠夯实基础和科技创新开拓我国数控系统技术与产业发展的新局面，为“中国制造 2025”发挥更重要的作用。