发展国产数控系统的根本出路

    1　国产数控系统的发展方向

    找准适合我国国情的数控发展方向，确立可行的发展道路，是通过科技创新发展国产数控的关键。

    1.1　数控系统体系结构的主要形式与发展前途

    从宏观上看数控系统可分为专用计算机数控系统和通用计算机数控系统两大类。目前国内外众多厂商普遍看好的数控系统发展方向是通用计算机数控系统。在通用机数控中最成功的当属PC数控系统。

    由于PC机(包括工业PC)产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可靠性高(工业PC主机的MIBF已达30年［1］)。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。

    目前，PC数控系统的体系结构主要有以下几种形式：

    (1) 专用数控加PC前端的复合式结构　这类系统的设计思想是将通用PC和专用NC通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。这类系统的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高，技术升级换代较慢。可以预计，在我国现有条件下，此类系统不会有大的发展。

    (2) 通用PC加实时控制单元的递阶式结构　其设计思想是利用PC机作为数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元(将实时控制板卡插入总线插槽中)而组成完整的数控系统。其中，PC机主要完成数控系统中上层一些实时性不是很强的任务并对全系统的运行进行协调和管理，而实时控制单元则完成数控下层的高实时性控制任务。实时控制单元可以是带轨迹插补计算、位置控制、开关量控制(PLC)等的完整的CNC单元，也可以是仅具有位置控制功能的简单位控卡或与数字式伺服接口的数字脉冲转换卡。由于这类系统结构简单、易于实现开放性、成本相对较低，因此得到了国内外许多厂商，特别是中小厂家的广泛采用。但这类系统也存在一些缺点。最突出的就是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换问题。目前，将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要有两种：一种是通过模拟量形式进行，主要问题是难以消除零飘、温飘对精度的影响，容易受外部干扰。另一种是通过脉冲量形式进行，主要缺点是实时控制单元与伺服驱动单元间需通过非编码方式直接传递指令脉冲信号，一旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠错，不易保证信息的高可靠性。

    (3) 数字化分布式结构　其方案是将由DSP等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与PC数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。由于这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通讯和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，使整个数控系统具有很好的性能。但是，这种系统的开发和生产成本很高，没有较大的投资很难上马。

    综上所述，本文认为以上三种结构均不是符合中国国情的最好方案。

    1.2 符合中国国情的PC数控的发展道路

    几十年的经验教训表明，可靠性好坏是国产数控系统生死存亡的关键。我们在开发新型数控系统时，优先选用新型高性能CPU(如高主频的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ等)作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。此外，还应在软件设计、电源设计、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计和施工等采用强抗扰高可靠性设计与制造技术，从而全面提高系统的可靠性。

    在基于高性能CPU的PC平台上不仅可以完成数控系统的基本功能(如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等)和开关量控制功能(内装PLC)，而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由DSP完成的数字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量变换控制等)均可由PC中的CPU完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。

    这种具有内装PLC和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可靠性，又提高了系统性能，同时还可显著降低系统成本，使系统(包括电动机)售价可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。

    此外，集成化PC数控系统还有一大优点，就是容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身已经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。

    2 数控驱动技术与产品的发展途径

    伺服驱动装置是数控系统的重要组成部分，目前我国在数控驱动技术与产品方面还是一个弱项，因而造成许多国产数控装置配的是国外的伺服系统。因此，今后我们必须通过科技创新大力发展国产数控驱动单元并促进其专业化生产。其主要之点包括以下几方面：

    (1) 廉价的高性能伺服系统　

    目前，一套进给交流伺服系统(驱动器+电动机)的价格一般都在万元以上，主轴伺服系统的价格高达数万元，已成为降低国产数控机床成本的一大障碍。因此，应配合新型集成化国产数控系统的发展，大力开发廉价的高性能内装式伺服系统。由于内装式伺服的硬件部分只有电动机和功率接口，充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电动机的造价降下来，而采用智能化的IPM模块作为功率接口也很便宜。因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内，将是完全可能的。

    (2) 直线交流伺服系统　

    直线交流伺服系统是下一世纪数控机床不可缺少的功能部件，目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究、开发和推广应用。考虑到常规机床的防磁问题较难解决，而并联机床的防磁相对容易，因此可为常规结构机床开发感应异步型直线电动机，为并联结构机床开发永磁同步型直线电动机，从而扬长避短，构成符合实际应用要求的新型高速高精度进给系统。

    (3) 新型永磁主轴电动机和电主轴单元

    目前主轴驱动电动机和电主轴产品几乎都为感应异步型，存在以下突出问题①转子上存在绕组(鼠笼)，有大电流流过，因此转子发热严重，直接影响主轴精度；②低速出力小且转矩脉动大，难以满足宽范围切削要求；③效率和功率因素低，不仅电动机体积和重量大而且要求逆变器容量大、耗能多；④控制系统复杂、成本高。

    因此，利用我国稀土永磁材料的优势，开发永磁同步交流主轴电动机和新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决主轴驱动中存在的问题，形成具有中国特色的新一代主轴驱动产品。

    (4) 数控转台与摆头的零传动驱动系统　数控转台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度。因此必须另辟蹊径开发数控转台和摆头的新型电磁驱动系统，以实现数控机床旋转运动坐标的零传动(无机械传动链)驱动，加速促进我国高速高精度多坐标数控机床的发展。

    (5) 高速高精度检测装置　高速高精度是下世纪数控机床发展的主题，这不但需要高性能的控制和驱动，同时还需要高品质的检测环节，因此应在现有技术基础上，进一步开发0.1μm以上精度的高速(60m/min以上)线位移传感器和100万脉冲/r的角位移传感器，此类技术国外对我国是进行封锁的。

    3 加强数控系统产品技术支持的新思路

    国产数控系统进入市场后，能否牢固地站稳脚跟，在竞争中立于不败之地，关键的一条还取决于我们能否做好技术支持与服务。考虑到信息技术的发展，可以新的思路来抓好此项工作。

    (1) 加强用户技术培训数控系统应用得好坏，很大程度上与使用者的水平有关。因此，在国产数控系统的推广应用中必须十分注意对用户使用人员的技术培训工作。此项工作除可通过常规途径进行外，还可利用多媒体技术、虚拟现实技术等新手段与常规方法相结合进行，从而实现大规模、高效率、低成本的培训。在当前信息技术很发达的环境下，还可充分利用网络系统，特别是internet，进行远程培训。

    (2) 做好编程服务　用户使用数控机床中一个比较突出的问题就是零件编程。目前，许多用户(特别是新用户)都缺乏有经验的编程人员，从而影响了数控机床的应用。为解决此问题，可利用网络系统进行远程编程服务。其具体做法是，由数控系统和数控机床制造厂设立网上数控编程中心。当用户遇到自己不能解决的编程问题时，可通过互联网将问题提交给网上编程中心，由该中心中有经验的编程人员为用户编好程序，并经仿真无问题后，再通过网络将程序传到用户的数控系统上，用户马上就可以进行加工。从而消除了用户使用数控机床的后顾之忧。

    (3) 建立远程诊断、维修中心　利用网络还可对用户数控系统的故障进行远程诊断。实施办法是，由数控系统生产厂家建立网上维修服务中心。当用户的系统出现问题时，可将其与网络连接起来，网上维修服务中心即可通过向系统发出诊断信息并接收其响应，然后通过中心的诊断软件对信息进行分析，从而找出问题的原因，并予以自动排除或指导用户进行排除。

    (4) 搞好网络化技术支持　建立于PC平台上的开放式结构数控系统，特别是集成化PC数控系统，其所有功能均是由软件实现的，当用户为了改变和扩充系统功能时，他既可利用系统的开放式结构自己完成，也可以通过网络将他的要求告诉数控系统制造厂的技术开发部门，由该部门中有经验的技术人员替用户修改和增加系统功能，然后将修改后的系统程序通过网络直接传到用户的数控系统中，用户数控系统的功能马上就得到了改变。这种方法是一种利用网络充分发挥开放式结构数控系统的优势的有效途径。

    总之，从技术层面看，科技创新能力不强，是制约我国数控系统技术与产业发展的主要因素。因此，确立科技创新战略，依靠科技创新建立我国独立、先进的技术体系，是我国数控系统技术与产业发展的根本出路。