数控技术现状及发展趋势

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数控技术现状  
     随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。由于数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，因此#实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。       现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，CAD/CAM、FMS、CIMC等技术都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木；数控技术是国防现代化的重要战略物质和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。日本由于数控技术高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲要适应市场竞争的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本和欧洲等工业国家竞争的焦点。由于数控产业的企业行为，而在某种程度上体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支持。中国政府也已充分意识到发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。
            数控技术的发展趋势   
  1、功能发展方向      
（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前internet 、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。柔性用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。       （2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM ，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。   
    （3）插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B 样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。   
    （4）内装高性能PLC。 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准BC6 用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。     
  （5）多媒体技术。应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。  
     2结构体系发展方向   
   （1）模块化、专门化与个性化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU 、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，做成标准化系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数系统。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。
      （2）智能化。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：   
a）自适应控制技术。数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
b）专家系统。将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。
  c）故障诊断系统。如智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。     
  d）智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；      
（3）网络化和集成化。数控机床向网络化和集成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。网络化和集成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，通过研究计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE ）、工程计算机辅助工艺过程规程（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）等设计自动化技术和网络技术， 在综合自动化概念框架下集成CAD/CAE/CAPP/CAM/NET的应用，将其功能有机地结合起来，统一组织和管理有关信息提取、交换、共享。其重点是易于联网和集成；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高集成方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD/CAPP/CAM/MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。   
   （4）开放化。采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。基于PC的第六代方向发展所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程和联网通信等问题。由原有的系统承担数控的任务，PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯等，远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国等针对开放式的#.# ，正在进行前后台标准的研究。
       3、高速、高效、高精度、高可靠性发展方向   
    （1）高速、高效。机床向高速化方向发展，不但提高加工效率、降低成本，而且还提高零件的表面加工质量和精度。新一代数控机床（含加工中心）通过高速化、大幅度缩短切削工时，进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。高速主轴单元（电主轴，转速 ）、高速且高加,减速度的进给运动部件（快移速度 ，切削进给速度高达 ）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加,减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，新一代高速数控机床应运而生。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，满足其高速、高效化。由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到 以上；主轴转数在 （有的高达100000r/min）以上；工作台的移动速度：进给速度在分辨率为1微米时，在 （有的到 ）以上；在分辨率为 时，在 以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到 。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足模具、航空、军事、汽车等工业的需求。     
  （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。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由 提高到 ，精密级加工中心的加工精度则从 提高到 。随着现代科学技术的发展，新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都促进了超精密加工工艺，新型超精密加工机床等现代超精密加工技术的完善，以适应现代科技的发展。
       （3）高可靠性。数控机床的工作环境比较恶劣，工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，因而对CNC的可靠性要求要优于一般的计算机。数控机床加工的零件型面较复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上，且有多种报警和保护措施；出故障时尽可能不损坏机床、刀具和工件，并能根据报警信息了解故障部件，及时排除故障。
      4、其它
     （1）为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统。     
  （2）围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域。
      （3）以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统，对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。  
     （4）采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，虚拟制造技术以及FMC、FMS、Web-based 制造和无图纸制造技术的方向发展。   
    （5）研究以MTP、ERP、PDM为主体的技术以及数据库技术、WEB 技术、面向对象技术、数据安全和监控技术、应用集成技术、配置管理技术等开发面向国际化市场竞争所需要的新一代管理信息系统软件，并在制造行业推广应用。   
    （6）按照现场总线工业数字通讯协议，进行通讯模板设计、生产技术及防爆、可靠性一致性测试技术研究；符合制造业自动化现场总线标准的产品开发；现场总线产品的开发工具、系统软硬件开发；产品互换性、互操作性技术及认证技术与工具方法研究；基于现场总线的、面向行业的自动化系统研究及集成技术研究。      
   （7）重点进行高精度、高可靠性自动化仪表和现场总线智能仪表及控制系统的开发；总线式自动测试系统软件及基本模件开发；自调零、自校正、自诊断的数字化科学仪器（分析仪器、大地测量仪器、试验机）的开发；数字照相机、数字打印机、数字IC卡等文化办公设备的开发以及医用X线诊断装置、医用超声诊断装备、计算机层扫描装置（CT）、磁共振成像装置等医疗设备；各类医用电生理诊断设备；临床检验分析设备。

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