【文章內(nèi)容簡介】 伺服驅(qū)動裝置 ,以及主軸電動機(jī)、進(jìn)給電動機(jī)和與其相關(guān)的檢測反饋元件。一個數(shù)控系統(tǒng)性能的好壞是與上述各個環(huán)節(jié)的性能密切相關(guān)的。為了滿足機(jī)床用戶廠的需要 ,數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠都非常重視數(shù)控產(chǎn)品的成套性 ,使系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都能很好地匹配 ,使用戶獲得最好的使用效果。例如 ,日本 FANUC 公司開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型的 OTD、OMDCNC 裝置 ,與之相適應(yīng)也開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型的 aC系列的交流伺服電動機(jī)及控制系統(tǒng)。日本大隈 (OKUMA)公司 ，具有節(jié)省能耗、工作環(huán)境更加 是一個傳統(tǒng)的機(jī)床廠 ,現(xiàn) 在也開發(fā)、生產(chǎn)并銷售數(shù)控系統(tǒng) ,作為一個機(jī)床廠生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng) ,所以更重視機(jī)電一體化及產(chǎn)品成套性。 如 日本 OKUMA 臥式加工中心 不斷追求高速化技術(shù)、大幅度降低非切削時間，定位精度為 177。 全行程，具有超強(qiáng)的切削能力，達(dá)到 7000cm/min，具有節(jié)省能耗、工作環(huán)境更加舒適。即使切斷電源或加工被意外中斷時，不會丟失當(dāng)前位置，具有 “自動直接回到原加工點(diǎn)，或手動插入自動恢復(fù) ”等功能， OSP 數(shù)控系統(tǒng)為大隈公司設(shè)計(jì)制造，維修服務(wù)以及技術(shù)支持高質(zhì)迅速可靠。 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人操作化 通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng) ，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。 在 2021 年的北京國際機(jī)床博覽會上，華中數(shù)控與北京第一機(jī)床廠合作，展示了基于 Inter 的遠(yuǎn)程 故障診斷技術(shù)；與桂林機(jī)床股份有限公司合作，展出了由四臺機(jī)床聯(lián)網(wǎng)組成的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，這些都為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。 通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計(jì)算機(jī)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(kuò)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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)實(shí)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(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系 ，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 數(shù)控系統(tǒng)開放化長期以來 ,數(shù)控系統(tǒng)都是在專有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的 ,是一種封閉式的系統(tǒng)。這種封閉體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的變革 ,不適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)模式。因此 ,開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺無關(guān)性、可二次開發(fā)、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作等特點(diǎn) ,它面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,使其可以自由地選擇數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、伺服電機(jī)等數(shù)控系統(tǒng)的各個構(gòu)成要素 ,并可方便地將自己的技術(shù)訣竅和特殊應(yīng)用集成到控制系統(tǒng)中 ,快速組成不同品種、不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。目前 開放式數(shù)控技術(shù)的研究和開發(fā)方興未艾 ,已成為數(shù)控機(jī)床不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。 單純的自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制雖然可在一定程度上使問題得到緩解 ,但由于此類控制技術(shù)在很大程度上仍需依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,因此并未從根本上解決問題。但在此同時 ,人們發(fā)現(xiàn)相關(guān)專家或技術(shù)人員卻能對此類系統(tǒng)進(jìn)行比較完美而有效的控制。近年來 ,隨著人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)的不斷成熟 ,出現(xiàn)了一種以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能為基礎(chǔ)的新型控制技術(shù) ——智能控制技術(shù) ,這必將對控制理論和控制技術(shù)產(chǎn)生巨大的影響。 5 數(shù)控技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（ CIRP）將其確定為 21 世紀(jì)的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 /輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些 筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料 “掏空 ”的來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要 求 。 從 EMO2021 展會情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/min 左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國CINCINNATI 公司的 HyperMach 機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá) 60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá) 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 60 000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h，在普通銑床加工需 8h；德國 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá) 120210r/min和 1g。 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm 提高到 5μm，精密級加工中心則從 3～ 5μm，提高到 1～ ，并且超精密加工精度已開始進(jìn) 入納米級 ()。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的MTBF 值達(dá)到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為， 1 臺 5 軸聯(lián)動機(jī)床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時， 5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià) 格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，圖 3 高速立式加工中心 加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5 面加工機(jī)床）的發(fā)展。 在 EMO2021 展會上，新日本工機(jī)的 5 面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國 DMG 公司展出 DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動加工，可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。 如 德國 DMG CTX310 經(jīng)濟(jì)型數(shù)萬能控車床 （如圖 3）， CTX 系列通過高效生產(chǎn)和組裝方法提供具有競爭性的價(jià)格。 圖 4 德國 DMG 公司產(chǎn)品 大型 45176。傾斜鑄鐵床身，可將機(jī)床配置為標(biāo)準(zhǔn)型或可選型 (配 C 軸和 VDI30 動力刀塔 )。高科技元件如可編程尾座、 數(shù)字伺服驅(qū)動器和高分辨率測量系統(tǒng)的使用可使機(jī)床的空閑 時間減少高達(dá)25%。另一個顯著特點(diǎn)是采用了最新的帶有 3D 軟件的 Siemens 控制器?？蛇m用于中小批量生產(chǎn)。 智能化、開放式、成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程 、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等 [3]；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的。許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行，如美國的 NGC( Next Generation WorkStation/Machine Control) 、 歐 共 體的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速 圖 5 智能機(jī)床結(jié)構(gòu)框架 [3] 實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目 前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信 規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng) 功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心 [19]。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在 EMO2021 展中，日本山崎馬扎克（ Mazak)公司展出的 “Cyber Production Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)；日本大隈 （ Okuma）機(jī)床公司展出 “IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱 IT 廣場 )；德國西門子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱 OME）等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 經(jīng)過實(shí)踐證明，上述的智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，在 21 世紀(jì)還要應(yīng)用于新一代數(shù)控機(jī)床的調(diào)整、使用與維修等各個環(huán)節(jié)，使人工參與大為簡化，要應(yīng)用這些技術(shù)對人機(jī)界面進(jìn)行包裝，要充分利用自然語言、視窗界面和簡單化的人工運(yùn)作，使機(jī)床的調(diào)整、使用與維修趨于 “傻瓜化 ”。 重視 新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國 在 2021 年也開始進(jìn)行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息 交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ISO14649（ STEP－ NC） ，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個制造過程，乃至各個領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的。首先， STEPNC 提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng) 的制造理念中， NC 加工程序都集中在單個機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下， NC 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、化發(fā)展的方向。其次， STEPNC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約 75％）、加工程序編制時間（約 35％）和加工時間（約 50％）。 歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計(jì)劃( ～ ) 。 參 加這 項(xiàng) 計(jì)劃 的 有 來自 歐 洲 和日 本 的 20 個CAD/CAM/CAPP/CNC 用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換 軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級模型 (Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了 SIEMENS、 FIDIA 以及歐洲 OSACANC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。 6 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3 個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的 “六五 ”、 “七五 ”期間以及 “八五 ”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我