數控技術的最新進展及發展趨勢研究

王紅軍2黃民2

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 1 00192；2.北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192)

在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，其集微電子、計算機，信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。

1 國內外數控技術的最新進展

1.1 數控系統

（1）開放式數控系統

目前開放式的數控系統主要有3種結構形式：

一是，“PC嵌入NC”結構的開放式CNC系統；

二是，“NC嵌入PC”結構的開放式CNC系統；

三是，軟件數控系統。

其中，“NC嵌入PC”結構的開放式數控系統可以充分利用Windows或Linux通用操作系統以及高級編程語言進行系統的開發。

目前，國內采用的主要方式是在Windows操作系統下采用微軟的組件對象模型技術來進行開發[1]。日本大隈公司的鈴木正人等對OSP-P2000開放式數控系統做了大量研究[2]；山東大學[3]對開放式數控系統的研究涉及的領域比較全面，包括體系結構、現場總線和STEP-NC等；華中科技大學[4~7]在開放式實時系統的任務調度、基于以太網的數控系統數字接口技術等方面，在基于軟件芯片的開放式數控系統方面等都做了深入的研究；哈爾濱工業大學[8~9]針對我國數控技術發展的特點，利用Windows、RTX、工業PC機和Soft SERCANS通訊卡作為軟件開發平臺，現場總線接口采用SERCOS標準，采用層級式有限狀態機模型作為系統的動態行為模型，開發了一套運動控制器軟件系統。

（2）嵌入式數控系統

國外對嵌入式數控的研究非常活躍。其中，影響較大的有歐盟發起并資助的IST計劃中，稱為PENGUIX的研究項目。EMC2是由美國國家技術標準化組織智能系統分部發起的；德國ECKEMANN公司的嵌入式數控產品E.ENC55是一種新型的高性能獨立型模塊化數控系統，基于DSP和ARM微處理器硬件結構[10]。

國內也有對嵌入式數控的研究。上海交通大學[11]在基于ARM及嵌入式Linux方面做了很多研究；同濟大學[12]在嵌入式平臺的智能模糊控制器方面；浙江大學[13]在采用ARM-Linuxu操作系統實現控制軟件設計方面都做了很多研究；華中科技大學[14]提出了一種新的數控系統參考體系結構；華南理工大學[23]提出了一種面向嵌入式數控系統設計的模型集成設計框架；西安交通大學[15]的王芳提出了一種利用外部硬件實現系統高精度定時時鐘的定時方法，通過在Windows環境下編寫WDM設備驅動程序來響應高精度定時時鐘,實現全軟件數控系統的強實時控制。

（3）STEP-NC

STEP―NC最初是由歐洲的高校和研究所開始研究的。典型的如siemens840D，前端軟件為open Mind和CATIA，ISO14649與CNC的接口是通過控系統內嵌的解釋器實現。該項目的研究為STEP在數控加工領域數據標準接口ISO14649的建立提供了重要的指導性意見。

山東大學[16]是我國STEP―NC相關研究最早的單位之一，目前山東大學進行的研究是基于STEP-NC的智能化數控系統開發的工作；沈陽建筑大學[17]提出了一種基于STEP-NC的數控銑削加工系統，構建了系統的結構體系，研究了在VC++6.0環境下，用SAX接口，通過檢索和處理XML文件信息來建立STEP-NC銑削解釋器；天津大學[18]研究開發了STEP-NC數控程序解釋器，提出了基于內存的STEP-NC數控程序解釋方法；哈爾濱工程大學[19]的朱曉明等為解決目前數控機床使用G代碼所帶來的諸多問題，提出了建立STEP-NC數控系統的方案。

（4）數控系統的網絡智能控制

任清榮等人開發出了基于以太網的數控系統的原型樣機[20]，提出了一種實時通信和精確時間同步算法，在通信周期不變的基礎上完成了精確時間同步功能[21]，解決了以太網通信的“不確定性”及不同步問題，使之達到實時和同步的要求[22]；劉麗[23]等人提出了人機智能數控CAPP系統，著重闡述了人機智能數控CAPP系統中的數控加工工藝設計模塊、人機智能化決策模塊和數控加工方法模塊等組成部分；光洋公司開發成功基于Windows系統的實時擴展子系統GRTK1.0，支持Windows環境下周期為50微秒的實時任務調度，以每秒鐘高達20 000次高頻度喚起計算機執行計算任務，任務啟動時間精確度高達十萬分之一秒[24]。

1.2 伺服系統

近年來，專家學者對PID參數整定做了很多的研究，主要包括：（1）PID參數自整定；（2）PID參數優化。王文強等[25]研究了以32位高速DSP為核心的伺服控制器的設計與實現；代明匣[26]研究了一種基于開放式多軸運動控制卡PMAC的伺服電機同步檢測控制系統，提出了基于工控機和運動控制卡相結合的開放式控制系統；沈陽等在如何能夠做到多個伺服控制器同時服務于數控系統[27]并使其聯動方面，做了很多研究，設計了基于DSP+FDGA架構的伺服控制系統，在DSP和SPDA上實現了電機的矢量控制算法；劉揚等[28]設計了對稱布局的一級、二級、三級乃至四級增力的由伺服電機驅動的機電及機電液一體化壓力機。

華中數控股份有限公司目前已開發出具有自主知識產權的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服電機和GM7系列交流伺服主軸，并且實現批量生產，成為目前國內擁有成套核心技術自主知識產權（包擴數控系統，伺服單元和電機主軸單元及主軸電機等）和自主配套能力的企業[29]。

1.3 插補技術

目前，張輝等人[30]提出了應用三次均勻B樣條插補算法實現高速數控加工要求，提出了考慮曲線曲率變化確定速度“規劃單元”長度的解決方案；王永紅[31]提出了一種包含插補誤差和進給加速度實時監控的NURBS曲線插補算法；劉華東等人[32]提出一種適合并聯機床的NURBS插補算法，在提高插補的實時性的同時，降低了運算的復雜性，提高了誤差精度；趙濤等人[33]提出了基于串行實時伺服通訊協議SERCOS的分布式離線插補數控系統；楊銅等人[34]開發了一種基于Windows XP+RTX的原型PC數控軟件；王芳[35]等提出用高精度定時時鐘獲取定時中斷，編寫WDM設備驅動程序使全軟件數控系統的定時精度達到20μs；單東日[36]提出了基于二次代數樣條差分插補的平面參數曲線數控加工方法；周丹[37]提出一種新的復雜曲線插補方法：借助Matlab工具進行曲線擬合，然后再利用數字積分法對擬合的曲線進行插補。

1.4 直線電機

德國的Bruckls.等人在同一臺亞微米車床上分別裝上永磁直線同步電動機和帶精密滾珠絲杠的永磁同步旋轉伺服電動機進行了對比實驗研究；美國的Anarad主導產品就是正弦波永磁交流直線電機和方波無刷直流直線電機；德國的Siemens公司生產的永同步直線電機最大移動速度達到200 m/min；推力達6 600 N，位移為504 mm；美國的Kollmorgen公司提供的永磁直線電機最大推力可達8 000 N，定子的長度可達1 000 mm，速度可達300 m/min；田敬[38]提出電流、速度雙閉環調節器以及位置環的設計方案，研制開發了一套高性能、高精度的基于雙DSP的全數字交流伺服電主軸控制系統；馮巧紅[39]構建了基于MATLAB/Simulink下的永磁同步直線電機的矢量控制模型；周玉清等人[40]提出了一種基于主軸電動機電流的數控機床主軸狀態監測系統，建立了主軸交流電動機轉矩輸出模型，搭建了主軸狀態監測系統。

2 國內外數控技術的發展趨勢

（1）高速度，高效率

人們在實際操作中也發現：當切削速度提高10倍，進給速度提高20倍，遠遠超越傳統的切削“禁區”后，切削機理發生了變化，導致單位功率的金屬切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留在工件上的切削熱大幅度降低，切削溫度不升反降，切削振動幾乎消失，切削加工發生了本質性的飛躍，而在常規切削加工中備受困惑的一系列問題亦都得到了很好的解決[41]。現在美國和日本大約有30%的公司已經使用高速加工，在德國這個比例高于40%。目前市場上出現的加工中心主軸轉速在20 000~60 000 r/min，最高達到150 000 r/min；在x、y、z進給坐標方向的最大進給速度也提高到24~60 m/min[42]；洛陽軸研科技股份有限公司的XDJ系列系新型加工中心電主軸，采用陶瓷球軸承支承，油氣潤滑方式，驅動裝置具有大功率驅動和1:4恒功率比弱磁調速能力，采用CANopen協議等接口協議，可與多種數控系統匹配，如：200XDJ20Q、200XDJ40Q、240XDJ06等，最高轉速可達40 000 r/min[43]。奔騰楚天激光設備有限公司的PLUS 3015高速激光切割機；濟南二機床集團有限公司的XHSV2525×60高架式五軸聯動龍門加工中心；南通科技投資集團股份有限公司的VH1100高速立式加工中心；南京二機齒輪機床有限公司的YW5120CNC高速萬能數控插齒機等是國內目前高速機床的代表。

（2）高精度

美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為SPDT技術。20世紀80年代，美國Union Carbide公司、Moore公司和美國空軍兵器研究所制定了一個以形狀精度為0.1 μm、直徑為800 mm的大型球面光學零件超精密加工為目標的超精密機床研究計劃——POMA計劃，這是一個里程碑式的研究計劃。從上個世紀50年代到2000年，機床的精度每8~10年就會提高一倍。目前機床加工的尺寸精度已經達到μm級，加工的形位精度甚至達到了亞微米級和深亞微米級。機床行業對精度的追求應該說是無止境的，如集成電路的晶片、光刻的透鏡以及大型望遠鏡的光學鏡片已經提出納米級輪廓精度的要求，將來可能發展到魡級，達到了原子尺寸水平的精度。但是要實現那個級別的精度還是非常難的，從加工方法和測量方法的原理與技術上均要有大的突破才行。北京機床研究所的NANOTM500超精密納米級精度車銑復合加工機床和ASPM50超精密非球面加工機床，大連機床集團的DLM12X600精密數控車床是國內機床精密的代表。

（3）高可靠、穩定性

數控機床工藝可靠性評估技術是一種對數控機床工藝可靠性進行定量化控制的必要手段之一，其主要目的是衡量數控機床是否達到預期的設計目標和使用要求，指出數控機床加工過程中的薄弱環節，為改進數控機床的設計、制造、工藝與維護等指明方向。數控系統的可靠性一直以來都是困擾國產數控技術發展的一個瓶頸，我國的一些數控系統在功能和性能上能夠達到或接近國外先進的數控系統，但在系統的可靠性上卻與國外產品相差甚遠。日本FANUC公司聲稱他們的系統平均無故障時間（MTBF）達3.6~7.2萬小時，而我國達到3 000小時為合格，與日本相差一個數量級。

（4）柔性化

在現實的零件加工過程中，有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升降速上，為了盡可能減少這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，多功能機床成為近年來發展很快的機種。數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。

（5）智能化、開放式、網絡化

智能制造技術將人工智能融入制造過程的各個環節，通過模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環境中的部分腦力勞動，從而在制造過程中，系統具備自組織能力，能自動監測其運行狀態，在受到外界或內部激勵時能自動調整其參數，以達到最佳狀態。比較突出的代表是牧野提出的一系列的振動控制技術，如高剛性機床設計技術和振動控制技術。通過實時監測加工過程中的振動，調整阻尼，吸收振動能量，控制振動；先進的伺服控制技術，伺服系統能通過自動識別切削力導致的振動，產生相反的作用力，消除振動。主軸振動控制技術，在主軸嵌入位移傳感器，機床自動識別當前的切削狀態，一旦切削不穩定，機床自動調整切削參數，保證加工的穩定性。

（6）多軸聯動加工和快速復合加工

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。復合加工在保持工序集中和消除（或減少）工件重新安裝定位的總的發展趨勢中，使更多的不同加工過程復合在一臺機床上，從而達到減少機床和夾具，免去工序間的搬運和儲存，提高工件加工精度，縮短加工周期和節約作業面積的目的。一次裝夾完成多道加工程序的復合加工機床日益受到用戶的青睞，如WFL車銑復合機床，具有車、鏜、銑、鉆和螺紋加工的能力，一次裝夾即可完成飛機起落架等大型圓柱形工件的車銑復合加工，是2、4軸車削與5軸加工中心的完美結合。目前，國產的數控系統多數還不支持復合加工的功能，盡管華中8型數控系統已具備車銑復合控制的能力，但僅能實現模擬仿真功能。復合機床代表有沈陽機床（集團）有限責任公司的VTM35014g立式車銑磨復合加工中心，上海電氣股份機床集團上海機床廠有限公司的H405-BE軸套類精密復合數控磨床等。

3 結束語

從我國基本國情的角度出發，以國家的戰略需求和國民經濟的市場需求為導向，在世界產業轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，要掌握先進制造核心技術。主要從以下幾方面開展研究：

（1）以自主創新為核心，特別是高檔數控機床在高速、柔性、精密機床配套技術以及機械結構設計、制造的配套環節、集成技術和制造工藝等方面的自主研發能力，逐步掌握數控機床的核心技術。

（2）以市場需求為導向，鼓勵數控相關企業發展的多元化，在滿足國內數控機械加工的前提下，不斷豐富數控技術和裝備。

（3）高檔復合機床要求技術高，對操作者的技術水平要求也高，但是往往由于其價格昂貴，難于維護等缺點，所以要堅持高檔和專用并行發展，克服復合高檔機床的缺點。

（4）樹立行業誠信機制，以政策扶植的形式鼓勵國家大型骨干企業研發銷售和使用國產機床，快速發展我國的數控產業。

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