數控技術的國內外分析與發展趨勢的展望

周曉楓，王子偉，張天賦，張兆夕

（石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北 石家莊 050043）

隨著我國工業現代化建設水平的不斷提升，制造業對數控技術提出了更高的要求。為了迎合時代發展的需求，必須加強對數控技術的改進與創新，確保其符合實際需求，在提升生產效率的同時，也確保整體質量的提高。為了進一步分析數控技術的優化策略，總結出數控技術的發展方向，現就國內外的發展現狀與研究成果進行概述。

1 數控技術的發展現狀

（1）國外數控技術的發展現狀。1952年，美國麻省理工學院開發出世界上第1臺數控系統，開創了數控技術的先河。在隨后的30年里，數控技術進入了快速發展的時代。三菱（MITSUBISHI）與發那科（FANUC）公司先后于1986年、1987年推出了32位CPU數控系統，使系統內部數據的交換速度有了顯著提高。90年代后，隨著計算機技術的推廣，數控技術朝著開放式系統的方向發展。這種系統使數控技術有了良好的通用性，也為網絡化和智能化打下了技術基礎。歐洲和日本相繼開展OSACA與OSEC計劃，搶先建立開放式的數控系統。

21世紀后，數控技術在控制精度上有了大幅度的突破。2010年國際制造機床展覽會（IMTS 2010）上，FANUC公司展出Series 30i/31i/32i/35i-MODEL B數控系統。這套系統運用AI納米級控制，NURBS插補控制等先進原理，大幅度提高了工件表面的光潔度與輪廓的精確度。

目前，國外的數控技術領域主要有兩大陣營：一個是以西門子（SIEMENS）、FANUC為代表的數控系統廠商；另一個是以德瑪吉（DMG）、山崎馬扎克（MAZAK）為代表的大型機床制造商。MAZAK在基于第7代MAZATROL SmoothX技術上，提出了全新的制造理念Smooth Technology，旨在提供高性能、高智能化的產品與生產服務。FANUC推出了Series oi-MODEL F數控系統，提高了與高檔車床的兼容性，并通過自動化裝卸工件來提高運行效率，縮短制造時間。

（2）國內數控技術的發展現狀。我國數控技術的研發工作開始于1958年，目前已經具有了一定的自主知識技術與生產規模，例如：北京精雕數控、華中數控與沈陽數控等。雖然國產數控系統在可靠性與功能性上與國外技術相比存在一定的差距，但是近年來我國在多軸聯合控制、系統的智能化與開放性等領域取得了一定的成績。

2012年，沈陽數控推出了具有智能功能的i5數控系統，該系統可以由用戶遠程下達指令，滿足用戶的個性需求，使工業效率提升了20%，被稱為“指尖上的工廠”。2013年，華中數控、武漢重型機床集團有限公司成功研發CKX5680七軸五聯動車銑復合數控加工機床。同年，北京精雕推出了JD50數控系統，具備了操縱多軸聯動加工系統的能力，能夠滿足微米級精度的要求。2014年，在第八屆中國數控機床展覽會（CCMT 2014）上，華中數控推出了華中8型高端數控系統，擁有“云管家、云維護、云智能”的3大功能，旨在打造面向控制廠商、機床廠商、用戶的數字化服務平臺，奠定了建立故障數據庫和加工知識庫的基礎。

2 數控技術的發展方向

（1）開放式。隨著時代的發展，數控技術的通用性與適應性被寄予了較大的期望。開放式數控技術具有高度模塊化的特征，采用母系統、子系統以及各個模塊的分級式控制結構，其構造是可移植和透明的，能夠快速適應不同種類和檔次的數控車床，滿足廠家和用戶的需求。目前，國際上的OSACA、OMAC和OSEC數控系統已經初具規模，能夠滿足用戶對性能最優化、價格最低化的要求，人機交互感好、系統配置靈活。

（2）多軸聯動、系統復合化。多軸聯動數控系統能夠在工件表面加工出復雜的曲面，采用多軸聯動加工可實現刀具的最佳切割，整體加工效率與質量精度有大幅度的提升。一般認為1臺五軸聯動加工機床的效率是2～3臺三軸機床才能達到的。目前，我國多采用國外的多軸聯動控制系統，此項技術對于我國來說還有許多壁壘，因此要加快多軸聯動控制系統的開發，真正擁有國產的多軸聯動控制系統。此外，制造業越來越需要對工件進行綜合加工。能對工件進行復合加工的數控機床，相較于只具備單一加工功能的數控機床，大幅度縮短了加工周期、省去了工件在不同工序上的轉移、提高加工精度與生產效率，有效的減少了機床與夾具的數量，減少作業面積。

（3）高速、高精度、高可靠性。數控機床的重要指標之一是加工速度，機床的高速化將大幅度提升加工效率，降低加工成本。目前直流電機驅動的主軸轉速為15000～100000r/min，工作臺快移速度為60～200m/min，切削進給速度高于60m/min,最高加速度約為10g。我國沈陽機床集團與國外共同設計了高速主軸，最高轉速可為70000r/min；北京精雕集團自主研發的DVT600_A12S高速鉆銑中心主軸轉速可達20000r/min，運行平穩，加工精度可達Ra20nm。

精度是數控機床的另一項重要指標，直接關系到工件的加工質量。近年來，加工中心與數控機床的精度分別從10um、3～5um提高到了5um、1～1.5um，某些超精密機床的精度已到達納米級。FANUC公司的一款超精密加工機床的精度可達1nm。研發超精度數控機床或加工中心，成為數控技術的發展方向。

可靠性（穩定性）是系統能否正常工作的前提，對于數控技術來說，是直接判明優劣的關鍵之處。

3 我國數控技術存在的問題

（1）數控機床的重復定位問題。數控機床在進行設計時往往會形成以結果為導向的設計理念，雖然可以實現預期的功能與要求，但是往往會忽視設計的流暢性與整體性，其結果就是數控機床的機械結構設計上出現大量的重復定位的問題，大量的重復定位不但會帶來零件變形的問題，同時偶然的公差也會持續累積，導致工件的最終加工質量下降。另外，重復定位也會影響加工效率，不利于提升經濟效益。

（2）傳統加工過程粗糙。傳統加工過程的粗糙問題也是目前數控機床應用過程中難以解決的問題之一。由于設計人員的專業素質參差不齊，往往會導致舊刀具與新刀具的銜接不流暢，可能會導致規格的制定等方面存在問題，其結果就是工人的技能水平高低成為傳統工藝加工水平的關鍵點。工件的平潔度低、粗糙度高、輪廓不清晰、外形尺寸不精確的問題難以從數控系統的設計上加以解決。

4 提高國產數控技術的建議

我國的數控技術經過多年的發展，積累了一定的經驗，但在高端數控技術上主要依賴于進口。為提高我國的數控技術，提出以下參考建議。

（1）提升數控技術的性能指標。數控技術要實現高速、高精度與高智能化，需要與計算機技術與PLC控制技術相結合。采用64位高速芯片和先進的高精度控制技術，如：高速平滑處理、柔性控制、參數曲線插補等技術；要實現高可靠性，需深化相關的理論研究，包括：試驗技術、故障模式和分布模型等，全面分析各種數控系統的故障原因，建立完整客觀的評測系統，加強數控技術的可靠性；對于多軸聯動控制與復合化，需解決多軸輪廓誤差補償技術和多軸同步控制難題，掌握多主軸、多刀架的設計能力與復合編程的技術能力等。

（2）增強配套軟硬件功能。研發出高性能的相關配套部件，可以使軟硬件的配合到達預期的狀態。例如研發可控制高精度、高速的伺服系統和更高分辨率的編碼器等數控設備；開發高性能的電機與電動主軸，高速、高精度的滾珠導軌、絲杠。

5 結語

數控機床是制造業的“主陣地”，數控系統是數控機床的頭腦。我國制造業能否向高端化邁進，大程度取決于數控技術是否向開放式、復合化、高速、高精度等方向發展。在發達國家已經掌握關鍵技術的基礎上，我國必須重視創新性技術的研究，大力開創數控技術的新局面。