數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　1、國外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　1952 年，美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，開創(chuàng)了世界數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的先河。20 世紀 80 年代中期，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)進入高速發(fā)展階段。1986 年，三 菱 （ MITSUBISHI） 推出了采用Motorola 32 位 68020 CPU 的數(shù)控系統(tǒng)，掀起了 32 位數(shù)控系統(tǒng)的熱潮。1987 年，發(fā)那科（ FANUC） 公司32 位多 CPU 系統(tǒng)—FS-15 的問世，使系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間的數(shù)據(jù)交換速度較原來的 16 位數(shù)控系統(tǒng)顯著提高。

　　90 年代以來，受計算機技術(shù)高速發(fā)展的影響，利用 PC 豐富的軟硬件資源，數(shù)控系統(tǒng)朝著開放式體系結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。該結(jié)構(gòu)不僅使數(shù)控系統(tǒng)具備更好的通用性、適應(yīng)性和擴展性，也是智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。工業(yè)發(fā)達國家相繼建立開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究計劃，如歐洲的 OSACA 計劃、日本的OSEC 計劃等。此外，隨著數(shù)控系統(tǒng)性能的不斷提升，數(shù)控機床的高速化成效顯著。德、美、日等各國爭相開發(fā)新一代的高速數(shù)控機床，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速、工作臺移動速度、換刀時間分別從 80年代的 3 000～4 000 r/min、10 m /min 和 5～10 s 提高到 90 年代的 15 000 ～ 50 000 r/min、80 ～ 120 m/min和1～3 s。

　　進入 21 世紀，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)在控制精度上取得了突破性進展。2010 年國際制造技術(shù)（ 機床） 展覽會（ IMTS 2010） 上，專業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)制造商紛紛推出了提高控制精度的新舉措。FANUC 展出的 Series30i /31i /32i /35i-MODEL B 數(shù)控系統(tǒng)推出了 AI 納米輪廓 控 制、AI 納米高精度控制、納 米 平 滑 加 工、NUＲBS 插補等先進功能，能夠提供以納米為單位的插補指令，大大提高了工件加工表面的平滑性和光潔度（ 圖 1） 。SIEMENS 展出的 SINUMEＲIK 828D數(shù)控系統(tǒng)所獨有的 80 位浮點計算精度，可充分保證插補中輪廓控制的精確性，從而獲得更高的加工精度。此外，MITSUBISHI 公司的 M700V 系列數(shù)控系統(tǒng)也可實現(xiàn)納米級插補。

　　圖 1 納米平滑加工技術(shù)表面加工效果

　　經(jīng)過持久研發(fā)和創(chuàng)新，德、美、日等國已基本掌握了數(shù)控系統(tǒng)的領(lǐng)先技術(shù)。目前，在數(shù)控技術(shù)研究應(yīng)用領(lǐng)域主要有兩大陣營： 一個是以發(fā)那科（ FANUC） 、西 門 子（ SIEMENS） 為代表的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)廠商; 另一個是以山崎馬扎克（ MAZAK） 、德瑪吉（ DMG） 為代表，自主開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的大型機床制 造 商。2015 年 FANUC 推 出 的 Series oiMODELF 數(shù)控系統(tǒng)，推進了與高檔機型 30i 系列的“無縫化”接軌，具備滿足自動化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運轉(zhuǎn)率技術(shù)，強化了循環(huán) 時 間 縮短功能，并支持最新的 I/O 網(wǎng)絡(luò)—I/OLink。MAZAK 提 出 的 全 新 制 造 理 念—SmoothTechnology，以基于 Smooth 技術(shù)的第七代數(shù)控系統(tǒng)MAZATＲOL SmoothX 為樞紐，提供高品質(zhì)、高性能的智能化產(chǎn)品和生產(chǎn)管理服務(wù)。SmoothX 數(shù)控系統(tǒng)搭配先進軟硬件，在高進給速度下可進行多面高精度加工; 圖解界面和觸屏操作使用戶體驗更佳，即使是復(fù)雜的五軸加工程序，通過簡單的操作即可修改;內(nèi)置的應(yīng)用軟件可以根據(jù)實際加工材料和加工要求快速地為操作者匹配設(shè)備參數(shù)。DMG 推 出 的CELOS 系統(tǒng)簡化和加快了從構(gòu)思到成品的進程，其應(yīng)用程序（ CELOS APP） 使用戶能夠?qū)C床數(shù)據(jù)、工藝流程以及合同訂單等進行操作顯示、數(shù)字化管理和文檔化，如同操作智能手機一樣簡便直觀（ 圖 2） 。CELOS 系統(tǒng)可以將車間與公司高層組織整合在一起，為持續(xù)數(shù)字化和無紙化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

　　圖 2 CELOS APP 的圖解界面和觸屏操作

　　2、 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國對數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的研究始于 1958 年，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已形成具有一定技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)體系，建立了華中數(shù)控、沈陽數(shù)控、航天數(shù)控、廣州數(shù)控和北京精雕數(shù)控等一批國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)基地。雖然國產(chǎn)高端數(shù)控系統(tǒng)與國外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距，但近年來在多軸聯(lián)動控制、功能復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性等領(lǐng)域也取得了一定成績。

　　多軸聯(lián)動控制。多軸聯(lián)動控制技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，也是制約我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一大瓶頸。近年來，在國家政策支持和多方不懈努力下得到了快速發(fā)展，逐漸形成了較為成熟的產(chǎn)品。華中數(shù)控、航天數(shù)控、北京機電院、北京精雕等已成功研發(fā)五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)。2013 年，應(yīng)用華中數(shù)控系統(tǒng)，武漢重型機床集團有限公司成功研制出CKX5680 七軸五聯(lián)動車銑復(fù)合數(shù)控加工機床，用于大型高端艦船推進器關(guān)鍵部件—大型螺旋槳的高精、高效加工（ 圖 3） 。同年，北京精雕推出了 JD50數(shù)控系統(tǒng)，具備高精度多軸聯(lián)動加工控制能力，滿足微米級精度產(chǎn)品的多軸加工需求，配備 JD50 數(shù)控系統(tǒng)的 SmartCNC500E－ DＲTD 系列精雕機，可用于加工航空航天精密零部件葉輪（ 圖 4） 。

　　圖 3 七軸五聯(lián)動復(fù)合機床加工大型螺旋槳

　　圖 4 五軸聯(lián)動精雕機加工葉輪

　　功能復(fù)合化。目前，國際主流數(shù)控系統(tǒng)廠商大多推出了集成 CAD/CAM 技術(shù)的復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控技術(shù)與 CAD/CAM 技術(shù)的無縫集成，有效提高了產(chǎn)品加工的效率和可靠性，在加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈里的地位愈加重要。國內(nèi)已開始在這方面進行探索和嘗試，北 京 精 雕 推 出 的 JD50 數(shù) 控 系 統(tǒng)，正 是 集CAD/CAM 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、測量技術(shù)為一體的復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)，具備在機測量自適應(yīng)補償功能。該功能是以機床為載體，輔以相應(yīng)的測量工具（ 接觸式測頭） ，在工件加工過程中實時測量，并根據(jù)測量結(jié)果構(gòu)建工件實際輪廓，將其與理論輪廓間的偏差值自動補償至加工路徑。該功能有效解決了產(chǎn)品加工過程中由于來料變形、裝夾變形、裝夾偏位等因素影響導(dǎo)致后續(xù)加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。圖 5 所示為利用 JD50 數(shù)控系統(tǒng)此項功能，完成在雞蛋表面的圖案雕刻。

　　圖 5 在機測量自適應(yīng)補償技術(shù)完成的蛋殼表面雕刻

　　網(wǎng)絡(luò)化與智能化。隨著計算機及人工智能技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度不斷提高。沈陽數(shù)控于 2012 年推出了具有網(wǎng)絡(luò)智能功能的 i5 （ industry，information，internet，intelligent，integrate） 數(shù)控系統(tǒng)［13］。該系統(tǒng)滿足了用戶的個性化需求，用戶可通過移動電話或電腦遠程對 i5 智能機床（ 圖 7） 下達各項指令，使工業(yè)效率提升了 20%，實現(xiàn)了“指尖上的工廠”。i5 數(shù)控系統(tǒng)提供的豐富接口使數(shù)據(jù)在設(shè)備和異地工廠之間實現(xiàn)雙向交互，為用戶提供了不同層次和規(guī)模的應(yīng)用［14］。2014 年第八屆中國數(shù)控機床展覽會（ CCMT 2014） 上，華中數(shù)控圍繞新一代云數(shù)控的主題，推出了配置機器人生產(chǎn)單元的新一代云數(shù)控系統(tǒng)和面向不同行業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)解決方案。

　　新一代云數(shù)控系統(tǒng)以華中 8 型高端數(shù)控系統(tǒng)［15］（ 圖 6） 為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化、信息化的技術(shù)平臺，提供“云管家、云維護、云智能”3 大功能，完成設(shè)備從生產(chǎn)到維護保養(yǎng)及改造優(yōu)化的全生命周期管理，打造面向生產(chǎn)制造企業(yè)、機床廠商、數(shù)控廠商的數(shù)字化服務(wù)平臺。

　　圖 6 華中數(shù)控 HNC-808M 數(shù)控系統(tǒng)

　　圖 7 搭載 i5 數(shù)控系統(tǒng)的 T5. 2 智能臥式車床

　　開放性。盡管目前國內(nèi)市場上傳統(tǒng)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)依舊應(yīng)用廣泛，但開放式數(shù)控系統(tǒng)已是大勢所趨。數(shù)控系統(tǒng)的開放性為大型生產(chǎn)活動的自動化、信息化創(chuàng)造了有利條件，也是“工業(yè) 4. 0”時代對數(shù)控系統(tǒng)提出的新要求。北京精雕的 JD50 數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系架構(gòu)，支持 PLC、宏程序以及外部功能調(diào)用等系統(tǒng)擴展功能。PLC 系統(tǒng)硬件平臺提供多種總線接口，可靈活實現(xiàn)與各類外部設(shè)備的連接，為大型加工企業(yè)的自動化改造提供了軟、硬件支持。此外，JD50 數(shù)控系統(tǒng)提供包括加工文件操作、機床信息獲取、機床狀態(tài)監(jiān)控、機床遠程控制在內(nèi)的4 大類網(wǎng)絡(luò)接口，可以輕松接入客戶工廠的信息化管理系統(tǒng)。另外該數(shù)控系統(tǒng)還支持半導(dǎo)體設(shè)備通訊標準接口 SECS，支持包括 HSMS、SECS-Ⅱ和 GEM在內(nèi)的三層標準協(xié)議，能快速接入高度自動化的半導(dǎo)體制造廠的計算機集成制造管理系統(tǒng)（ computerintegrated manufacturing system，CIMS） 。

　　遠程監(jiān)控及故障診斷。近年來在國家“863”計劃的資助下，國內(nèi)許多大學(xué)和企業(yè)都開展了面向數(shù)控設(shè)備的遠程監(jiān)測和故障診斷解決方案研究。西北工業(yè)大學(xué)與企業(yè)合作研究建立了基于 Internet 的數(shù)控機床遠程監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，為數(shù)控機床廠家創(chuàng)造了一個遠程售后服務(wù)體系的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，節(jié)省了生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)費用，提高了維修和服務(wù)的效率。廣州數(shù)控提出的數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化解決方案，可對車間生產(chǎn)狀況進行實時監(jiān)控和遠程診斷，目前已實現(xiàn)了基于 TCP /IP 的遠程診斷與維護，降低了售后服務(wù)成本，也為故障知識庫和加工知識庫的建立奠定了基礎(chǔ)。

　　數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　趨勢之一：數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展

　　20世紀90年代以來，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性，柔性，適應(yīng)性，可擴展性，并可以較容易的實現(xiàn)智能化，網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心（NCMS）與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站/機床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級和更新變得簡單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件，軟件總線規(guī)范都是對外開放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據(jù)實際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來極大的方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次，多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU的升級而升級，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。

　　趨勢之二：數(shù)控系統(tǒng)方向軟數(shù)控方向發(fā)展

　　現(xiàn)在，實際用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控系統(tǒng)主要有一下四種類型，分別代表了數(shù)控技術(shù)的不同發(fā)展階段，對不同的數(shù)控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)不但從封閉式體系結(jié)構(gòu)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展，而且正在從硬數(shù)控向軟數(shù)控方向發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC 0 系統(tǒng)，MITSUBISHI M50系統(tǒng)，SINUMERIK 810/M/T/G 系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。目前，這種系統(tǒng)還是占據(jù)了制造業(yè)的大部分市場。

　　數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，亦稱NC機床，是為了滿足單件、小批、多品種自動化生產(chǎn)的需要而研制的一種靈活的、通用的能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床，具有適應(yīng)性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。隨著機床數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位越來越重要。

　　第一臺數(shù)控機床是適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機葉片輪廓用檢查樣板的加工機床時，提出了數(shù)控機床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)試驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床樣機，這是一臺直線插補三坐標立式銑床，其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管，也稱第一代數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)過三年的改進和自動程序編制的研究，于1955年進入實用階段，一直到20世紀50年代末，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術(shù)不斷地擴展應(yīng)用范圍。

　　我國的數(shù)控機床是從1958年開始研制的，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，目前數(shù)控技術(shù)已在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心也相繼研制成功。