數控系統(tǒng)技術的發(fā)展現狀

　　1、國外數控系統(tǒng)技術的發(fā)展現狀

　　1952 年，美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統(tǒng)，開創(chuàng)了世界數控系統(tǒng)技術發(fā)展的先河。20 世紀 80 年代中期，數控系統(tǒng)技術進入高速發(fā)展階段。1986 年，三 菱 （ MITSUBISHI） 推出了采用Motorola 32 位 68020 CPU 的數控系統(tǒng)，掀起了 32 位數控系統(tǒng)的熱潮。1987 年，發(fā)那科（ FANUC） 公司32 位多 CPU 系統(tǒng)—FS-15 的問世，使系統(tǒng)內部各部分之間的數據交換速度較原來的 16 位數控系統(tǒng)顯著提高。

　　90 年代以來，受計算機技術高速發(fā)展的影響，利用 PC 豐富的軟硬件資源，數控系統(tǒng)朝著開放式體系結構方向發(fā)展。該結構不僅使數控系統(tǒng)具備更好的通用性、適應性和擴展性，也是智能化、網絡化發(fā)展的技術基礎。工業(yè)發(fā)達國家相繼建立開放式數控系統(tǒng)的研究計劃，如歐洲的 OSACA 計劃、日本的OSEC 計劃等。此外，隨著數控系統(tǒng)性能的不斷提升，數控機床的高速化成效顯著。德、美、日等各國爭相開發(fā)新一代的高速數控機床，加工中心的主軸轉速、工作臺移動速度、換刀時間分別從 80年代的 3 000～4 000 r/min、10 m /min 和 5～10 s 提高到 90 年代的 15 000 ～ 50 000 r/min、80 ～ 120 m/min和1～3 s。

　　進入 21 世紀，數控系統(tǒng)技術在控制精度上取得了突破性進展。2010 年國際制造技術（ 機床） 展覽會（ IMTS 2010） 上，專業(yè)的數控系統(tǒng)制造商紛紛推出了提高控制精度的新舉措。FANUC 展出的 Series30i /31i /32i /35i-MODEL B 數控系統(tǒng)推出了 AI 納米輪廓 控 制、AI 納米高精度控制、納 米 平 滑 加 工、NUＲBS 插補等先進功能，能夠提供以納米為單位的插補指令，大大提高了工件加工表面的平滑性和光潔度（ 圖 1） 。SIEMENS 展出的 SINUMEＲIK 828D數控系統(tǒng)所獨有的 80 位浮點計算精度，可充分保證插補中輪廓控制的精確性，從而獲得更高的加工精度。此外，MITSUBISHI 公司的 M700V 系列數控系統(tǒng)也可實現納米級插補。

　　圖 1 納米平滑加工技術表面加工效果

　　經過持久研發(fā)和創(chuàng)新，德、美、日等國已基本掌握了數控系統(tǒng)的領先技術。目前，在數控技術研究應用領域主要有兩大陣營： 一個是以發(fā)那科（ FANUC） 、西 門 子（ SIEMENS） 為代表的專業(yè)數控系統(tǒng)廠商; 另一個是以山崎馬扎克（ MAZAK） 、德瑪吉（ DMG） 為代表，自主開發(fā)數控系統(tǒng)的大型機床制 造 商。2015 年 FANUC 推 出 的 Series oiMODELF 數控系統(tǒng)，推進了與高檔機型 30i 系列的“無縫化”接軌，具備滿足自動化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運轉率技術，強化了循環(huán) 時 間 縮短功能，并支持最新的 I/O 網絡—I/OLink。MAZAK 提 出 的 全 新 制 造 理 念—SmoothTechnology，以基于 Smooth 技術的第七代數控系統(tǒng)MAZATＲOL SmoothX 為樞紐，提供高品質、高性能的智能化產品和生產管理服務。SmoothX 數控系統(tǒng)搭配先進軟硬件，在高進給速度下可進行多面高精度加工; 圖解界面和觸屏操作使用戶體驗更佳，即使是復雜的五軸加工程序，通過簡單的操作即可修改;內置的應用軟件可以根據實際加工材料和加工要求快速地為操作者匹配設備參數。DMG 推 出 的CELOS 系統(tǒng)簡化和加快了從構思到成品的進程，其應用程序（ CELOS APP） 使用戶能夠對機床數據、工藝流程以及合同訂單等進行操作顯示、數字化管理和文檔化，如同操作智能手機一樣簡便直觀（ 圖 2） 。CELOS 系統(tǒng)可以將車間與公司高層組織整合在一起，為持續(xù)數字化和無紙化生產奠定基礎，實現數控系統(tǒng)的網絡化、智能化。

　　圖 2 CELOS APP 的圖解界面和觸屏操作

　　2、 國內數控系統(tǒng)技術的發(fā)展現狀

　　我國對數控系統(tǒng)技術的研究始于 1958 年，經過幾十年的發(fā)展已形成具有一定技術水平和生產規(guī)模的產業(yè)體系，建立了華中數控、沈陽數控、航天數控、廣州數控和北京精雕數控等一批國產數控系統(tǒng)產業(yè)基地。雖然國產高端數控系統(tǒng)與國外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距，但近年來在多軸聯(lián)動控制、功能復合化、網絡化、智能化和開放性等領域也取得了一定成績。

　　多軸聯(lián)動控制。多軸聯(lián)動控制技術是數控系統(tǒng)的核心和關鍵，也是制約我國數控系統(tǒng)發(fā)展的一大瓶頸。近年來，在國家政策支持和多方不懈努力下得到了快速發(fā)展，逐漸形成了較為成熟的產品。華中數控、航天數控、北京機電院、北京精雕等已成功研發(fā)五軸聯(lián)動的數控系統(tǒng)。2013 年，應用華中數控系統(tǒng)，武漢重型機床集團有限公司成功研制出CKX5680 七軸五聯(lián)動車銑復合數控加工機床，用于大型高端艦船推進器關鍵部件—大型螺旋槳的高精、高效加工（ 圖 3） 。同年，北京精雕推出了 JD50數控系統(tǒng)，具備高精度多軸聯(lián)動加工控制能力，滿足微米級精度產品的多軸加工需求，配備 JD50 數控系統(tǒng)的 SmartCNC500E－ DＲTD 系列精雕機，可用于加工航空航天精密零部件葉輪（ 圖 4） 。

　　圖 3 七軸五聯(lián)動復合機床加工大型螺旋槳

　　圖 4 五軸聯(lián)動精雕機加工葉輪

　　功能復合化。目前，國際主流數控系統(tǒng)廠商大多推出了集成 CAD/CAM 技術的復合式數控系統(tǒng)。數控技術與 CAD/CAM 技術的無縫集成，有效提高了產品加工的效率和可靠性，在加工技術產業(yè)鏈里的地位愈加重要。國內已開始在這方面進行探索和嘗試，北 京 精 雕 推 出 的 JD50 數 控 系 統(tǒng)，正 是 集CAD/CAM 技術、數控技術、測量技術為一體的復合式數控系統(tǒng)，具備在機測量自適應補償功能。該功能是以機床為載體，輔以相應的測量工具（ 接觸式測頭） ，在工件加工過程中實時測量，并根據測量結果構建工件實際輪廓，將其與理論輪廓間的偏差值自動補償至加工路徑。該功能有效解決了產品加工過程中由于來料變形、裝夾變形、裝夾偏位等因素影響導致后續(xù)加工質量不穩(wěn)定的問題。圖 5 所示為利用 JD50 數控系統(tǒng)此項功能，完成在雞蛋表面的圖案雕刻。

　　圖 5 在機測量自適應補償技術完成的蛋殼表面雕刻

　　網絡化與智能化。隨著計算機及人工智能技術的發(fā)展，國產數控系統(tǒng)的網絡化、智能化程度不斷提高。沈陽數控于 2012 年推出了具有網絡智能功能的 i5 （ industry，information，internet，intelligent，integrate） 數控系統(tǒng)［13］。該系統(tǒng)滿足了用戶的個性化需求，用戶可通過移動電話或電腦遠程對 i5 智能機床（ 圖 7） 下達各項指令，使工業(yè)效率提升了 20%，實現了“指尖上的工廠”。i5 數控系統(tǒng)提供的豐富接口使數據在設備和異地工廠之間實現雙向交互，為用戶提供了不同層次和規(guī)模的應用［14］。2014 年第八屆中國數控機床展覽會（ CCMT 2014） 上，華中數控圍繞新一代云數控的主題，推出了配置機器人生產單元的新一代云數控系統(tǒng)和面向不同行業(yè)的數控系統(tǒng)解決方案。

　　新一代云數控系統(tǒng)以華中 8 型高端數控系統(tǒng)［15］（ 圖 6） 為基礎，結合網絡化、信息化的技術平臺，提供“云管家、云維護、云智能”3 大功能，完成設備從生產到維護保養(yǎng)及改造優(yōu)化的全生命周期管理，打造面向生產制造企業(yè)、機床廠商、數控廠商的數字化服務平臺。

　　圖 6 華中數控 HNC-808M 數控系統(tǒng)

　　圖 7 搭載 i5 數控系統(tǒng)的 T5. 2 智能臥式車床

　　開放性。盡管目前國內市場上傳統(tǒng)的封閉式數控系統(tǒng)依舊應用廣泛，但開放式數控系統(tǒng)已是大勢所趨。數控系統(tǒng)的開放性為大型生產活動的自動化、信息化創(chuàng)造了有利條件，也是“工業(yè) 4. 0”時代對數控系統(tǒng)提出的新要求。北京精雕的 JD50 數控系統(tǒng)采用開放式體系架構，支持 PLC、宏程序以及外部功能調用等系統(tǒng)擴展功能。PLC 系統(tǒng)硬件平臺提供多種總線接口，可靈活實現與各類外部設備的連接，為大型加工企業(yè)的自動化改造提供了軟、硬件支持。此外，JD50 數控系統(tǒng)提供包括加工文件操作、機床信息獲取、機床狀態(tài)監(jiān)控、機床遠程控制在內的4 大類網絡接口，可以輕松接入客戶工廠的信息化管理系統(tǒng)。另外該數控系統(tǒng)還支持半導體設備通訊標準接口 SECS，支持包括 HSMS、SECS-Ⅱ和 GEM在內的三層標準協(xié)議，能快速接入高度自動化的半導體制造廠的計算機集成制造管理系統(tǒng)（ computerintegrated manufacturing system，CIMS） 。

　　遠程監(jiān)控及故障診斷。近年來在國家“863”計劃的資助下，國內許多大學和企業(yè)都開展了面向數控設備的遠程監(jiān)測和故障診斷解決方案研究。西北工業(yè)大學與企業(yè)合作研究建立了基于 Internet 的數控機床遠程監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，為數控機床廠家創(chuàng)造了一個遠程售后服務體系的網絡環(huán)境，節(jié)省了生產廠家的售后服務費用，提高了維修和服務的效率。廣州數控提出的數控設備網絡化解決方案，可對車間生產狀況進行實時監(jiān)控和遠程診斷，目前已實現了基于 TCP /IP 的遠程診斷與維護，降低了售后服務成本，也為故障知識庫和加工知識庫的建立奠定了基礎。

　　數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　趨勢之一：數控系統(tǒng)向開放式體系結構發(fā)展

　　20世紀90年代以來，由于計算機技術的飛速發(fā)展，推動數控技術更快的更新?lián)Q代。世界上許多數控系統(tǒng)生產廠家利用PC機豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng)。開放式體系結構使數控系統(tǒng)有更好的通用性，柔性，適應性，可擴展性，并可以較容易的實現智能化，網絡化。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學制造中心（NCMS）與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結構”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。開放式體系結構可以大量采用通用微機技術，使編程、操作以及技術升級和更新變得簡單快捷。開放式體系結構的新一代數控系統(tǒng)，其硬件，軟件總線規(guī)范都是對外開放的，數控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據這些開放的資源進行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據實際需要靈活配置數控系統(tǒng)帶來極大的方便，促進了數控系統(tǒng)多檔次，多品種的開發(fā)和廣泛應用，開發(fā)生產周期大大縮短。同時，這種數控系統(tǒng)可隨CPU的升級而升級，而結構可以保持不變。

　　趨勢之二：數控系統(tǒng)方向軟數控方向發(fā)展

　　現在，實際用于工業(yè)現場的數控系統(tǒng)主要有一下四種類型，分別代表了數控技術的不同發(fā)展階段，對不同的數控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現，數控系統(tǒng)不但從封閉式體系結構向開放式體系結構發(fā)展，而且正在從硬數控向軟數控方向發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)，如FANUC 0 系統(tǒng)，MITSUBISHI M50系統(tǒng)，SINUMERIK 810/M/T/G 系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結構的數控系統(tǒng)。目前，這種系統(tǒng)還是占據了制造業(yè)的大部分市場。

　　數控機床是數字控制機床的簡稱，亦稱NC機床，是為了滿足單件、小批、多品種自動化生產的需要而研制的一種靈活的、通用的能夠適應產品頻繁變化的柔性自動化機床，具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高的優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果。隨著機床數控技術的迅速發(fā)展，數控機床在機械制造業(yè)中的地位越來越重要。

　　第一臺數控機床是適應航空工業(yè)制造復雜零件的需要而產生的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機葉片輪廓用檢查樣板的加工機床時，提出了數控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構試驗室合作，開始從事數控機床的研制工作。經過三年時間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺數控機床樣機，這是一臺直線插補三坐標立式銑床，其數控系統(tǒng)全部采用電子管，也稱第一代數控系統(tǒng)。經過三年的改進和自動程序編制的研究，于1955年進入實用階段，一直到20世紀50年代末，由于晶體管的應用，數控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數控機床，其中多數是鉆床、沖床等點位控制的機床。數控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數控技術不斷地擴展應用范圍。

　　我國的數控機床是從1958年開始研制的，經歷了40多年的發(fā)展歷程，目前數控技術已在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，數控加工中心也相繼研制成功。