淺析數控技術的發展趨勢

摘 要:數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且其應用領域也在不斷擴大。本文簡單論述了數控技術的發展趨勢。

關鍵詞:數控技術發展趨勢

中圖分類號:TG659文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0083-02

現代數控機床是機電一體化的典型產品，是新一代生產技術，如柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)等的技術基礎。我國和發達國家一樣，都把發展數控技術作為制造業發展的戰略重點，將數控技術向深度和廣度發展列入科技發展的重要內容。

現代數控機床的發展趨勢是高速化、高精度化、復合化、智能化、網絡化和開放式結構。主要發展動向是研制開發軟、硬件都具有開放式結構的智能化全功能通用數控裝置。近幾年推出的一32位微處理器為核心的CNC系統是實現上述目標的產品，如德國SIEMENS推出的SINUMERIK840D系統、美國CINCINNATI的A2100系統等。

1 高速化、高精度化技術及裝備

效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。

在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一;在航空和宇航工業領域，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、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、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EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高;空運行速度可達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，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，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12×000r/mm和1g。

在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統的MTBF值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。

為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。

2 5軸聯動加工和復合加工技術快速發展

采用5軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯動機床的效率可以等于2臺3軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯動機床的發展。

當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床(含5面加工機床)的發展。

在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現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床上實現，還可實現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軸聯動加工，可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。

3 智能化

隨著人工智能技術的不斷發展，比為適應制造業生產高度柔性化、自動化的需要，數控設備的智能化程度在不斷提高。

(1)應用自適應控制技術。

數控系統能檢測對自己有影響的信息，并自動練習調整系統的有關參數，達到改進系統運行狀態的目的。如通過監控切削過程中的道具磨損、破損、切削形態、切削力及零件的加工質量等，實現自適應調節，以提高加工精度和減少工件表面粗糙度。Mitsubishi Electric公司的用于數控電火花成形機床的“Miracle Fuzzy”自適應控制器即利用機遇模糊邏輯的自適應控制技術，自動控制和優化加工參數，是操作者不再需要具備專門的技能。

(2)引入專家系統指導加工。

將切削專家的經驗、切削加工的一般規律與特殊規律存入計算機中，以加工工藝參數數據庫支撐，建立具有人工智能的專家系統，提供經過優化的切削參數，使加工系統始終處于最優和最經濟的工作狀態，從而達到提高編程效率和降低對操作人員技術水平的要求，大大縮短生產準備時間的目的。國外已開發出帶自學習功能的神經網絡電火花加工專家系統。日本大隈公司(Okuma)的7000系列數控系統帶有人工智能式自動編程功能;日本牧野公司在電火花數控系統MAKINOMCE20中，用專家系統代替操作人員進行加工監控。

(3)故障自診斷功能。

故障自診斷專家系統是診斷裝置發展的最新動向，其為數控設備提高了一個包括二次監控，故障診斷，安全保障和經濟策略等方面在內的智能診斷及維護決策信息集成系統。采用智能混合技術，可在故障診斷中實現一下功能:故障分類、信號提取、故障診斷專家系統、維護管理以及多傳感信號融合。

模糊教學、神經網絡、數據庫、知識庫，以范例和模型為基礎的決策形成系統、專家系統、現代控制理論與應用等技術的發展及在制造業中的成功應用，為新一代數控設備智能化水平的提高建立了可靠的技術基礎。智能化正成為數控設備研究與發展的方向。

4 高柔性化

柔性是指數控設備適應加工對象變化的能力。數控機床發展至今，對加工對象的變化有很強的適應能力，并在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔性化和系統柔性化方向發展。在數控機床上增加不同容量的刀具庫和自動換刀機械手，增加第二主軸和交換工作臺裝置，或配以工業機器人和自動運輸小車，以組成新的加工中心、柔性制造單元(FMC)或柔性制造系統(FMS)。如出現了PLC控制的可調組合機床，數控多軸加工中心，換刀換箱式加工中心，數控三坐標動力單元等具有柔性的高效加工設備和介于傳統自動線與FMS之間的柔性制造線(FTL)。

5 小型化

蓬勃發展的機電一體化技術對CNC裝置提出了小型化的要求，以便將機、電裝置揉合為一體。目前許多CNC裝置采用最新的大規模集成電路(LSI)，新型TFT彩色液晶薄型顯示器和表面安裝技術，實現三維立體裝配，消除了整個控制邏輯機架。如日本FUNAC的18i和21i系列CNC裝置采用高密度352球門陣列(BGA)、專用LSI和多晶片模塊(MCM)微處理器技術，兩項產品都是一個單電路卡，安裝在平板顯示器背后，整個CNC裝置縮小成一塊控制板。這類CNC裝置將控制器尺寸縮小了75%，成功地把具有8軸控制功能的CNC印刷電路板凝縮為只有一張名片大小，并把它安裝在液晶顯示器的背面，成為世界上最薄的CNC控制器。

6 網絡化

網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生產控制中心，簡稱CPC);日本大隈(Okuma)機床公司展出“IT plaza”(信息技術廣場，簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環境，簡稱OME)等，反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。

7 開放式體系結構

由于數控技術中大量采用計算機的新技術，新一代的數控系統體系結構向開放式系統方向發展.。自20世紀80年代末以來，國際上主要數控系統和設備生產國家競相開發基于PC的CNC，并提出了開放式CNC體系結構的概念，開展了針對開放式CNC的前、后臺標準的研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。美國的NGC(下一代控制器)計劃的核心就是建立在一個有硬件平臺和軟件平臺的開放式系統，開發SOSAS，用于管理工作站和機床控制器的設計和開發。基于PC的開放式CNC大致可分為四類:PC連接型CNC、PC內置CNC、CNC內裝型PC和純軟件NC。這些系統以通用PC機得體系結構為基礎，構成了總線式(多總線)模塊，開放型、嵌入式的體系結構，其硬軟件和總線規范均是對外開放的，硬件即插即用。經過加固的工業級PC機已在工業控制區域得到了廣泛應用，并逐漸成為主流，其技術上的成熟程度使其可靠性大大超過以往的專用CNC硬件。

參考文獻

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[2]夏伯雄主編.數控技術.水利水電出版社，2010.

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