数控系统及其技术发展趋势

摘要: 在介绍国外数控系统发展趋势的基础上,对我国数控技术的发展进行了总结,指出了我国数控技术发展中存在的问题,对其产业化发展方向进行了思考,提出了我国数控系统及其技术的发展方向。

关键词:数控系统数控技术发展趋势。

[中图分类号]:F407.67 [文献标识码]:A

Development Tendency ofNumerical Control System and Technique

ZHANG Ya-Qiong

Abstract: On the foundation of introducing the abroad NC system development tendency, carry on summary to the development our country’s NC technique, point out our country’s problem that exists in NC technique development, carry on a thinking of the industrialization of our country’s NC system, put forward the development direction of our country’s NC system and technique.

Keyword: NC system ,NC technique, Development tendency,

前言

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,机床制造业是一个国家的基本装备工业,是工业生产的技术基础,数控技术在给机床制造业带来显著经济效益及广阔发展前景的同时,也是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备,因此它已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术,世界各国制造业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

国外数控系统的发展趋势

1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统,到现在已走过了46年历程。数控系统由当初的电子管式起步,经历了以下几个发展阶段:分立式晶体管式——小规模集成电路式——大规模集成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数控系统。到本世纪初,数控系统的总体发展趋势是:数控装置由NC向CNC发展;广泛采用32位CPU组成多微处理器系统;提高系统的集成度,缩小体积,采用模块化结构,便于裁剪、扩展和功能升级,满足不同类型数控机床的需要;驱动装置向交流、数字化方向发展;CNC装置向人工智能化方向发展;采用新型的自动编程系统;增强通信功能;数控系统可靠性不断提高。总之,数控系统在不断发展的过程中,功能越来越完善,使用越来越方便,可靠性越来越高,性能价格比也越来越高[1]。国外新一代数控系统的发展趋势是[2] -[4]:

2.1 新一代数控系统采用开放式体系结构进入90年代以来,由于计算机技术的飞速发展,推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构利用多CPU的优势,能够实现故障自动排除,增强通信功能,提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统,由于其硬件、软件和总线规范都是对外开放的,有充足的软、硬件资源可供利用,不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持,而且也为用户的二次开发带来极大方便,促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用,既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统,又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统,开发生产周期大大缩短。2.2 新一代数控系统控制性能大大提高数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展,数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理,不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、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,而且人机界面极为友好,并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置,能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。2.3 数控系统向软数控方向发展

现在,实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型。(1)传统数控系统,如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统等,这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前,这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展,传统数控系统的市场正在受到挑战,已逐渐减小。(2)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统,如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性,但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统,用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大,价格昂贵。(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统。它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高DSP作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统,可以单独使用,它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。(4)SOFT型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,与前几种数控系统相比,SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比,因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件,正在成为当代数控系统发展的重要趋势。

这四种数控系统分别代表了数控技术的不同发展阶段,对不同类型的数控系统进行分析后发现,数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展,而且正在从硬数控向软数控方向发展。 

我国数控技术的发展

我国数控技术起步于1958年,发展历程大致可分为三个阶段:第一阶段是封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段,我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步 [5]。目前我国数控技术的发展已由研究开发阶段向推广应用阶段过渡,也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统的企业。在数控技术软件上,一些单项技术已接近国外水平。

纵观我国数控技术50多年的发展历程,总体来看取得了以下成绩:(1)奠定基础,基本掌握了现代数控核心技术。(2)初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上,建立了诸如华中数控、广州数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。(3)建立了一支数控研究、开发、管理人才队伍。

我国数控技术在发展上取得了六个方面的跨越:①可供应网络化、集成化、柔性化的制造设备,可服务器上实现加工对象的实体造型,并生成加工程序,自动传送到各台机床进行加工;②5轴联动联动的数控机床更加成熟;③进入世界高速数控机床生产国行列。机床采用电主轴,主轴最高转速达200000r/min;④进入高精度、高精密数控机床生成国行列;⑤进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列,使中国成为继美国、瑞士、德国之后的第四个能生产这类机床的国家;⑥关联杆系(虚拟轴)开始走向实用化。

4 我国数控技术发展中存在的问题

我国数控技术发展的现状是:系统的技术含量低,产品的附加值少,中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,只在低端市场占有一席之地,不具备与进口系统进行全面抗衡的能力,还不能为我国数控产业起到支撑的作用,与国外相比,还有差距。主要问题有以下几方面:(1)技术创新成分低、消化吸收能力不足。技术引进是加快我国数控技术发展的一条重要途径,但引进技术后要实现从根本上提高我国数控技术水平,必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强,不但无法摆脱对国外技术的依赖,而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用[6]。(2)技术创新环境不完善。我国尚未形成有利于企业技术创新的竞争环境。企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力,其主动技术创新意识不强。企业还没有建立良好的技术创新机制,绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态,很难取得高水平的科研成果。(3)产品可靠性、稳定性不高。可靠性、稳定性上与国外技术相差较大,影响了产品的市场占有率。(4)网络化程度不够。我国数控技术的网络化程度不够,其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。(5)体系结构不够开放。大部分数控产品体系结构不够开放,用户接口不完善,少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产品,只是停留在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融入到系统中,无形中流失了很多对数控技术改进、创新和完善的资源。(6)服务水平与能力欠缺。一部分企业不顾长远利益,对提高自身的综合服务水平不够重视,只注重推销而不注重售前与售后服务,导致用户对制造商缺乏信心。

5 我国数控系统产业化发展的思考

我国是制造大国,在世界产业转移中要掌握先进制造核心技术,否则在新一轮国际产业结构调整中,我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价,交换得到的可能仅仅是世界新格局中的国际“加工中心”和“组装中心”,而非掌握核心技术的制造中心的地位,这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程[7]。

在我国数控系统产业化发展策略上,应从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标;选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展;强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展;重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题;在高精尖装备研发方面,要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合,以“做得出、用得上、卖得掉”为目标,按国家意志实施攻关,以解决国家之急需;在竞争面前,强调创新,强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品,为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。

6我国数控系统及其技术的发展方向

进入21世纪,我国经济已与世界全面接轨,进入了一个蓬勃发展的新时期。我国的机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到更加激烈的国际市场竞争的压力,加速推进数控系统及其技术的发展是解决制造业持续发展的一个关键。面对竞争与挑战,我国数控系统及其技术应在以下方向不断创新、发展。

6.1 高速、高效、高可靠性 机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、

降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。在可靠性发面缩短与国外数控系统的差距,是关系到我国数控系统及其装备能否占领市场的关键问题。6.2 高精度从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工),是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级,其应用范围日趋广泛。随着现代科学技术的发展,新材料及新零件的出现对超精密加工技术不断提出了新的要求,发展新型超精密加工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。6.3 向多轴联动化方向发展

    由于在加工自由曲面时,3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削,进而对工件的加工质量造成破坏性影响,而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。因此,各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统,随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及,5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。  

6.4 智能化、开放式、网络化

  21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化、为提高驱动性能及使用连接方便的智能化、简化操作方面的智能化、及智能诊断、智能监控。    开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。   数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

6.5 柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓、完善;CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展;数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展。

7结语

目前,数控技术的发展日新月异,高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、已成为数控机床发展的趋势和方向。我国作为一个制造业大国,不能安于现状,应加大产品的技术创新、自主研发与人才培训,提高企业综合服务能力,缩短差距,力争早日实现数控系统从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变,实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

参考文献:[1]易红 主编.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2005.[2]吕红霞.数控技术的发展趋势与途径[J].机械制造与自动化,2005,34(1):8-10[3]鲁方霞、邓朝晖. 数控机床的发展趋势及国内发展现状[J].工具技术,

2006,40(3):44-46.[4]杜学飞.试论数控技术和装备的发展趋势[J].内蒙古科技与经济,

2008,158(4):57-58.

[5]崔静波.当前数控技术及装备的发展趋势[J].工业技术,2008,02:43

[6]董笑鹏,张立娟,王兵然.浅谈我国数控技术的发展与前景[J].

机电产品开发与创新,2009,22(1):157-158.

[7]潘晓绒.浅析数控技术和装备发展及应用[J].大众商务,

2009,103(7):272,276.