數控系統與數控機床技術發展趨勢

 1 數控系統發展趨勢
從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統，到現在已走過了46年歷程。數控系統由當初的電子管式起步，經歷了以下幾個發展階段：
分立式晶體管式——小規模集成電路式——大規模集成電路式——小型計算機式——超大規模集成電路——微機式的數控系統。到80年代，總體發展趨勢是：數控裝置由NC向CNC發展；廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統；提高系統的集成度，縮小體積，采用模塊化結構，便于裁剪、擴展和功能升級，滿足不同類型數控機床的需要；驅動裝置向交流、數字化方向發展；CNC裝置向人工智能化方向發展；采用新型的自動編程系統；增強通信功能；數控系統可靠性不斷提高。總之，數控機床技術不斷發展，功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高。到1990年，全世界數控系統專業生產廠家年產數控系統約13萬臺套。國外數控系統技術發展的總體發展趨勢是：
●新一代數控系統采用開放式體系結構
進入90年代以來，由于計算機技術的飛速發展，推動數控機床技術更快的更新換代。世界上許多數控系統生產廠家利用PC機豐富的軟硬件資源開發開放式體系結構的新一代數控系統。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向大大發展。近幾年許多國家紛紛研究開發這種系統，如美國科學制造中心（NCMS）與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐共體的“自動化系統中開放式體系結構”OSACA，日本的OSEC計劃等。開發研究成果已得到應用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產的加工中心、數控銑床、數控車床等產品中采用了開放式體系結構的A2100系統。開放式體系結構可以大量采用通用微機的先進技術，如多媒體技術，實現聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數控系統繼續向高集成度方向發展，每個芯片上可以集成更多個晶體管，使系統體積更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優勢，實現故障自動排除；增強通信功能，提高進線、聯網能力。開放式體系結構的新一代數控系統，其硬件、軟件和總線規范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數控系統制造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發帶來極大方便，促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛應用，既可通過升檔或剪裁構成各種檔次的數控系統，又可通過擴展構成不同類型數控機床的數控系統，開發生產周期大大縮短。這種數控系統可隨CPU升級而升級，結構上不必變動。
●新一代數控系統控制性能大大提高
數控系統在控制性能上向智能化發展。隨著人工智能在計算機領域的滲透和發展，數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經網絡的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等功能，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優化調整參數。直線電機驅動系統已實用化。
總之，新一代數控系統技術水平大大提高，促進了數控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發展，使柔性自動化加工技術水平不斷提高。
2 數控機床發展趨勢
為了滿足市場和科學技術發展的需要，為了達到現代制造技術對數控技術提出的更高的要求，當前，世界數控技術及其裝備發展趨勢主要體現在以下幾個方面：
⑴ 高速、高效、高精度、高可靠性
要提高加工效率，首先必須提高切削和進給速度，同時，還要縮短加工時間；要確保加工質量，必須提高機床部件運動軌跡的精度，而可靠性則是上述目標的基本保證。為此，必須要有高性能的數控裝置作保證。
●高速、高效
機床向高速化方向發展，可充分發揮現代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。
新一代數控機床（含加工中心）只有通過高速化大幅度縮短切削工時才可能進一步提高其生產率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開發應用緊密相關。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速15000－100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min）、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統（含監控系統）和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決，應不失時機地開發應用新一代高速數控機床。
依靠快速、準確的數字量傳遞技術對高性能的機床執行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理，由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達到5000米~8000米/分以上；主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬轉/分)以上；工作臺的移動速度：（進給速度），在分辨率為1微米時，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率為0.1微米時，在24米/分以上；自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到12米/分。根據高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發展，高速直線電機的推廣應用，開發出一批高速、高效的高速響應的數控機床以滿足汽車、農機等行業的需求。還由于新產品更新換代周期加快，模具、航空、軍事等工業的加工零件不但復雜而且品種增多。
●高精度
從精密加工發展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業強國致力發展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm），其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等）。隨著現代科學技術的發展，對超精密加工技術不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發展新型超精密加工機床，完善現代超精密加工技術，以適應現代科技的發展。
當前，機械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級（0.001微米），主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
精密化是為了適應高新技術發展的需要，也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發展和對機電產品性能與質量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要，近10多年來，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm，提高到±1~1.5μm。
●高可靠性
是指數控系統的可靠性要高于被控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因為是商品，受性能價格比的約束。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內連續正常工作，無故障率P(t)＝99%以上的話，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。MTBF大于3000小時，對于由不同數量的數控機床構成的無人化工廠差別就大多了，我們只對一臺數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為10：1的話（數控的可靠比主機高一個數量級）。此時數控系統的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。
當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上。
⑵模塊化、智能化、柔性化和集成化
●模塊化、專門化與個性化
機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優化。為了適應數控機床多品種、小批量的特點，機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優化。個性化是近幾年來特別明顯的發展趨勢。
●智能化
智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：
——為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如自適應控制，工藝參數自動生成；
——為提高驅動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；
——簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；
——智能診斷、智能監控方面的內容，方便系統的診斷及維修等。
●柔性化和集成化
數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是：從點（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網絡集成制造系統）的方向發展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是制造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業發展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提，以易于聯網和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展；數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結，向信息集成方向發展；網絡系統向開放、集成和智能化方向發展。
⑶開放性
為適應數控進線、聯網、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數控迅速發展的要求，最重要的發展趨勢是體系結構的開放性，設計生產開放式的數控系統，例如美國、歐共體及日本發展開放式數控的計劃等。
⑷出現新一代數控加工工藝與裝備
——為適應制造自動化的發展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備，要求數字控制制造系統不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭（有時帶坐標變換）、自動誤差補償、自動診斷、進線和聯網等功能，廣泛地應用機器人、物流系統；
——FMC，FMS Web-based制造及無圖紙制造技術；
——圍繞數控技術、制造過程技術在快速成型、并聯機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線電機、軟件補償精度等單元技術方面先后有所突破。并聯桿系結構的新型數控機床實用化。這種虛擬軸數控機床用軟件的復雜性代替傳統機床機構的復雜性，開拓了數控機床發展的新領域；
——以計算機輔助管理和工程數據庫、因特網等為主體的制造信息支持技術和智能化決策系統。對機械加工中海量信息進行存儲和實時處理。應用數字化網絡技術，使機械加工整個系統趨于資源合理支配并高效地應用。
——由于采用了神經網絡控制技術、模糊控制技術、數字化網絡技術，機械加工向虛擬制造的方向發展。