數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 　　1、國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　1952 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了世界數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的先河。20 世紀(jì) 80 年代中期，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)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(wèn)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(lái)的 16 位數(shù)控系統(tǒng)顯著提高。

　　90 年代以來(lái)，受計(jì)算機(jī)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(kāi)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(kuò)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(dá)國(guó)家相繼建立開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究計(jì)劃，如歐洲的 OSACA 計(jì)劃、日本的OSEC 計(jì)劃等。此外，隨著數(shù)控系統(tǒng)性能的不斷提升，數(shù)控機(jī)床的高速化成效顯著。德、美、日等各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)新一代的高速數(shù)控機(jī)床，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)移動(dòng)速度、換刀時(shí)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(jìn)入 21 世紀(jì)，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)在控制精度上取得了突破性進(jìn)展。2010 年國(guó)際制造技術(shù)（ 機(jī)床） 展覽會(huì)（ 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(bǔ)等先進(jìn)功能，能夠提供以納米為單位的插補(bǔ)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(dú)有的 80 位浮點(diǎn)計(jì)算精度，可充分保證插補(bǔ)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(shí)現(xiàn)納米級(jí)插補(bǔ)。

　　圖 1 納米平滑加工技術(shù)表面加工效果

　　經(jīng)過(guò)持久研發(fā)和創(chuàng)新，德、美、日等國(guó)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(yíng)： 一個(gè)是以發(fā)那科（ FANUC） 、西 門(mén) 子（ SIEMENS） 為代表的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)廠商; 另一個(gè)是以山崎馬扎克（ MAZAK） 、德瑪吉（ DMG） 為代表，自主開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的大型機(jī)床制 造 商。2015 年 FANUC 推 出 的 Series oiMODELF 數(shù)控系統(tǒng)，推進(jìn)了與高檔機(jī)型 30i 系列的“無(wú)縫化”接軌，具備滿足自動(dòng)化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運(yùn)轉(zhuǎn)率技術(shù)，強(qiáng)化了循環(huán) 時(shí) 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(jìn)軟硬件，在高進(jìn)給速度下可進(jìn)行多面高精度加工; 圖解界面和觸屏操作使用戶體驗(yàn)更佳，即使是復(fù)雜的五軸加工程序，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可修改;內(nèi)置的應(yīng)用軟件可以根據(jù)實(shí)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(jiǎn)化和加快了從構(gòu)思到成品的進(jìn)程，其應(yīng)用程序（ CELOS APP） 使用戶能夠?qū)C(jī)床數(shù)據(jù)、工藝流程以及合同訂單等進(jìn)行操作顯示、數(shù)字化管理和文檔化，如同操作智能手機(jī)一樣簡(jiǎn)便直觀（ 圖 2） 。CELOS 系統(tǒng)可以將車(chē)間與公司高層組織整合在一起，為持續(xù)數(shù)字化和無(wú)紙化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，實(shí)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(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的研究始于 1958 年，經(jīng)過(guò)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(yáng)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(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)基地。雖然國(guó)產(chǎn)高端數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)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(lái)在多軸聯(lián)動(dòng)控制、功能復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開(kāi)放性等領(lǐng)域也取得了一定成績(jī)。

　　多軸聯(lián)動(dòng)控制。多軸聯(lián)動(dòng)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(guó)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一大瓶頸。近年來(lái)，在國(guó)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(jī)電院、北京精雕等已成功研發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)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(jī)床集團(tuán)有限公司成功研制出CKX5680 七軸五聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床，用于大型高端艦船推進(jìn)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(dòng)加工控制能力，滿足微米級(jí)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(jī)，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(dòng)復(fù)合機(jī)床加工大型螺旋槳

　　圖 4 五軸聯(lián)動(dòng)精雕機(jī)加工葉輪

　　功能復(fù)合化。目前，國(guó)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(wú)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(guó)內(nèi)已開(kāi)始在這方面進(jìn)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(cè)量技術(shù)為一體的復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)，具備在機(jī)測(cè)量自適應(yīng)補(bǔ)償功能。該功能是以機(jī)床為載體，輔以相應(yīng)的測(cè)量工具（ 接觸式測(cè)頭） ，在工件加工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果構(gòu)建工件實(shí)際輪廓，將其與理論輪廓間的偏差值自動(dòng)補(bǔ)償至加工路徑。該功能有效解決了產(chǎn)品加工過(guò)程中由于來(lái)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(wèn)題。圖 5 所示為利用 JD50 數(shù)控系統(tǒng)此項(xiàng)功能，完成在雞蛋表面的圖案雕刻。

　　圖 5 在機(jī)測(cè)量自適應(yīng)補(bǔ)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(jì)算機(jī)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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(yáng)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(gè)性化需求，用戶可通過(guò)移動(dòng)電話或電腦遠(yuǎn)程對(duì) i5 智能機(jī)床（ 圖 7） 下達(dá)各項(xiàng)指令，使工業(yè)效率提升了 20%，實(shí)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(shí)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(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)（ 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(jī)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(tái)，提供“云管家、云維護(hù)、云智能”3 大功能，完成設(shè)備從生產(chǎn)到維護(hù)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(jī)床廠商、數(shù)控廠商的數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)。

　　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(chē)床

　　開(kāi)放性。盡管目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上傳統(tǒng)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)依舊應(yīng)用廣泛，但開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性為大型生產(chǎn)活動(dòng)的自動(dòng)化、信息化創(chuàng)造了有利條件，也是“工業(yè) 4. 0”時(shí)代對(duì)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(kāi)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(kuò)展功能。PLC 系統(tǒng)硬件平臺(tái)提供多種總線接口，可靈活實(shí)現(xiàn)與各類(lèi)外部設(shè)備的連接，為大型加工企業(yè)的自動(dòng)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(jī)床信息獲取、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)床遠(yuǎn)程控制在內(nèi)的4 大類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)接口 SECS，支持包括 HSMS、SECS-Ⅱ和 GEM在內(nèi)的三層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能快速接入高度自動(dòng)化的半導(dǎo)體制造廠的計(jì)算機(jī)集成制造管理系統(tǒng)（ computerintegrated manufacturing system，CIMS） 。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。近年來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃的資助下，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)和企業(yè)都開(kāi)展了面向數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床廠家創(chuàng)造了一個(gè)遠(yuǎn)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(fèi)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(duì)車(chē)間生產(chǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷，目前已實(shí)現(xiàn)了基于 TCP /IP 的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)，降低了售后服務(wù)成本，也為故障知識(shí)庫(kù)和加工知識(shí)庫(kù)的建立奠定了基礎(chǔ)。

　　數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 　　趨勢(shì)之一：數(shù)控系統(tǒng)向開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展

　　20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)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(jī)豐富的軟、硬件資源開(kāi)發(fā)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開(kāi)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(kuò)展性，并可以較容易的實(shí)現(xiàn)智能化，網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國(guó)家紛紛研究開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)，如美國(guó)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(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計(jì)劃等。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級(jí)和更新變得簡(jiǎn)單快捷。開(kāi)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(duì)外開(kāi)放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開(kāi)放的資源進(jìn)行的系統(tǒng)集成，同時(shí)它也為用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)極大的方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次，多品種的開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時(shí)，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU的升級(jí)而升級(jí)，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。

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

　　現(xiàn)在，實(shí)際用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控系統(tǒng)主要有一下四種類(lèi)型，分別代表了數(shù)控技術(shù)的不同發(fā)展階段，對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)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(shì)，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(chǎng)。

　　數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，亦稱NC機(jī)床，是為了滿足單件、小批、多品種自動(dòng)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(dòng)化機(jī)床，具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位越來(lái)越重要。

　　第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(guó)帕森斯公司在研制加工直升機(jī)葉片輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床時(shí)，提出了數(shù)控機(jī)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(jī)構(gòu)試驗(yàn)室合作，開(kāi)始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床樣機(jī)，這是一臺(tái)直線插補(bǔ)三坐標(biāo)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(guò)三年的改進(jìn)和自動(dòng)程序編制的研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段，一直到20世紀(jì)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(jià)格開(kāi)始下降，一些民用工業(yè)開(kāi)始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷地?cái)U(kuò)展應(yīng)用范圍。

　　我國(guó)的數(shù)控機(jī)床是從1958年開(kāi)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(chē)、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，數(shù)控加工中心也相繼研制成功。