数控技术的发展趋势及对策
导语：概括了当前数控技术的发展趋势，提出了我国数控产业发展的战略思路与对策。 概括了当前数控技术的发展趋势，提出了我国数控产业发展的战略思路与对策。 1 引言 数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。作为制造系统最基本的加工单元，以数控技术为核心的数控机床的生产和应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。随着生产方式的变革和科技的发展，数控技术也发生了很大的变化，出现了一些新的发展趋势。关注这些新趋势，制定正确的对策，对促进我国数控技术的发展具有重要的战略意义。 2 数控技术的发展趋势 归纳起来，现代数控技术的发展具有下列一些特点： 2.1 高速、高效、高精度 质量、效率是先进制造技术的核心目标。机床向高速化方向发展，可大幅度地提高效率，提升产品的质量和档次，缩短生产周期和增强市场竞争能力。根据最新的发展情况，国外高档数控机床的快进速度可达120m/min，加速度达2g以上，主轴转速已达100000r/min换刀时间则少于0.4s，5轴联动成为方向，大大提高了加工效率。 为提高数控机床的加工精度，在控制精度方面采取很多措施，例如：提高系统最小分辨率（0.02μm甚至更高）；缩短采样插补周期（0.1ms）；伺服系统采用全数字交流伺服；采用各种先进的控制算法，提高伺服系统的跟踪精度，甚至实现零误差跟踪。目前，普通级数控机床的加工精度已提高到5μm，精密级加工中心则达到1μm，超精密加工精度已开始进入纳米级，其加工精度一般小于lOnm。 2.2 网络化、智能化 现代化生产系统呈现分散化、网络化制造的特点。在网络制造的模式下，数控机床就成了网络中的一个节点，这就要求数控系统具有联网通讯的能力，因此，网络化也是数控系统的研究热点之一。数控系统的网络化，将满足生产线、制造企业、制造系统对信息集成的需要，也为实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟制造、并行工程等提供了有利条件。目前正在发展的基于PC的第6代数控系统，可以充分利用PC的联网能力，大大增强了数控机床的网络化功能。 数控系统的智能化就是应用各种人工智能的方法和技术去控制制造过程。具有智能的数控系统可以更深入地解决加工中的技术问题，优质高效地完成加工任务。随着当今科学技术的发展，智能化已渗透到数控系统的各个方面。智能数控系统不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面更为友好，智能化的伺服系统能自动识别负载并自动优化调整参数，故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。这些智能化技术的应用，必将为数控机床带来更加美好的未来。 2.3 数控系统开放化 长期以来，数控系统都是在专有设计的基础上完成的，是一种封闭式的系统。这种封闭体系结构已经不能适应现代化生产的变革，不适应未来车间面向任务和定单的生产模式。因此，开放式数控系统应运而生。开放式数控系统具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发、适应网络操作等特点，它面向机床厂家和最终用户，使其可以自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电机等数控系统的各个构成要素，并可方便地将自己的技术诀窍和特殊应用集成到控制系统中，快速组成不同品种、不同档次的数控系统。 目前开放式数控技术的研究和开发方兴未艾，已成为数控机床不可逆转的发展趋势。美国、欧洲、日本都在进行开放式数控技术的研究，并制定出各自的开放式体系结构。但由于技术等方面的限制，要在短期内完全实现这种理想的开放式体系结构，还有不少困难。目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于PC的数控系统，也就是第6代数控系统。以PC为平台的数控可共享PC迅猛发展的众多成果，为数控系统的标准化、模块化和开放化奠定了硬件基础。数控系统的PC化正成为开放式数控系统一个潮流，代表了数控技术发展的主要方向。目前基于PC的开放式数控系统基本有3种结构形式：（1）PC嵌入CNC型。这种数控系统是在传统的CNC系统上插入一块专门开发的PC模板，使CNC装置具有了PC的柔性，但专业的数控部分仍处于封闭结构。（2）CNC嵌入PC型。以PC为硬件平台，把运动控制板或整个CNC单元（包括集成PLC），插入到PC的标准插槽中。PC实现非实时任务，机床的实时运动控制由运动来承担。这种模式目前应用的较为广泛。（3）全软件CNC型。这种方式以PC的概念和手段实现CNC功能，是一种完全采用PC的全软件形式的数控系统。但由于存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前还停留在实验室研究阶段。 2.4 并联机床 传统机床为串联结构，存在悬臂部件，不易获得高的结构刚度；另外，其组成环节多，结构复杂，限制了加工精度和速度的提高。在20世纪90年代中期问世的并联机床，正是为解决传统机床存在的问题而进行的一种新的尝试。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”，具有很大的开发潜力和广泛的应用前景。 并联机床的主轴（动平台）与机座（静平台）之间采用并联结构。它没有滑台，没有导轨，而只用几根可自由伸缩的驱动杆带动主轴箱、带着刀具（或工件）在空间运动，由计算机通过复杂的数算完成加工任务。并联机床具有承载能力强、响应速度快、精度高、机械结构简单、适应性好等优点，是一种“硬件”简单、“软件”复杂、技术附加值高的产品，因此，各国学术界和机床制造企业对并联机床的研究开发都非常重视，并先后推出多种结构形式的样机，为数控机床的发展开辟了新的领域。 2.5 STEP-NC 现在的数控机床是采用基于IS06983标准的C、M代码对工件进行编程加工。这种编程方法的本质特征是面向加工过程，具有很大的局限性，如包含的产品信息不完整、加工信息不能向上游系统反馈、兼容性差、编程困难等。为此，国际上正在研究和制定一种新的基于产品模型数据转换标准STEP的数控系统标准IS014649，其目的是提供一种中性机制，能够描述产品全生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程产品信息的标准化。STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了C、M代码的编程方式，采用了新的数据格式和面向特征的编程原则。STEP-NC和CAX系统统一采用STEP标准进行信息交换，包含了产品的所有信息，实现了设计、制造、管理等的无缝联接，提高了系统的开放性和智能化，并使数控编程得以简化。 STEP-NC代表了一种新的制造理念，它的出现将是数控机床诞生以来最大的技术变革，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。欧美国家非常重视STEP-NC的研究，纷纷推出开发计划对其进行研制，并取得了许多重要成果。美国一家公司开发的数据交换格式已在西门子的原型样机上进行了验证。 3 我国数控产业的发展对策 面对国际上数控技术的突飞猛进，为实现我国数控技术和数控产业的快速发展，需要确定发展数控产业的指导思想，统一发展规划，为此笔者提出如下建议： 3.1 国家应坚持正确的政策导向，继续积极扶持我国数控产业的发展 不但在税收、资金投入等方面对数控产业倾斜，还要加强产学研官四方面的协调与合作，牵头制定数控技术发展规划，加大数控产业组织结构调整力度，整合科技资源，对一些共性、关键性、前瞻性技术进行联合开发。特别对数控领域出现的一些新技术、新趋势，要由国家组织立项攻关，保证在新一轮数控技术更新换代的竞争中站在更高层次，处于有利地位。 3.2 突出创新 数控机床是高技术产品，为提高竞争力，就需要加快技术创新。过去我国数控技术的发展战略是“跟踪式”的，功能和结构主要模仿国外，缺乏对新技术的探索，严重制约了我国数控技术的先进性。面对数控技术新的发展形势，我们要扭转这种局面，尽快加强原始创新能力，研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为数控产业的可持续性发展奠定基础。 3.3 抓住机遇，发挥我国优势 虽然我国数控技术研究起步较晚，但在数控技术出现的新趋势面前，我们和发达国家处于同一起跑线上，为我国缩小与世界先进水平的差距提供了难得的机遇，我们要选准突破口，加快科研成果的转化，迎头赶上，利用“后发优势”实现我国数控技术的跨越式发展。 3.4 注重人才培养 数控技术涉及面广，技术含量高，要发展数控技术就必须培养具有多种技术和能力的复合型人才。因此必须高度重视人力资源的管理与开发，形成吸引人才并使其充分发挥作用的机制和氛围，培养一批高水平的数控研发、管理、使用、维护的人才队伍。 4 结束语 面对数控技术新一轮革新浪潮，我们要抓住机遇，认真研究这些新趋势、新技术、新理论，采取相应的措施，力争在若干关键技术上取得突破，实现国产数控系统的跨越式发展，使我国早日赶超世界数控系统生产强国。
