数控系统控制技术发展

    中国经济的持续稳定增长,为数控机床行业的发展提供了广阔的空间。同时，在中国积极推进振兴装备制造业战略的大环境中,极大地带动了又被称为装备制造业的“工作母机”的数控机床生产企业的发展。

图1 利用三菱CNC系统进行4轴联动的叶片加工

    中国的数控机床产业从2000年前后起，正经历着一个历史上最好的发展时期，已连续保持30%以上的增长速度。在数控机床的品种看，普及型数控机床所占比例从十多年前的10％增长到目前的近40％。这个结构的变化说明了中国数控机床行业的整体素质有了很大的改善和提高。就今后的数控机床市场的发展趋势而言，需求量仍将按年平均20%～30%的比例增长。同时航空航天、船舶工业、汽车产业、模具加工以及电子产品等零部件制造业等对数控机床、将提出更高质量、高精度、高速度、高稳定性、高操作性的要求，推动中高档数控机床的需求比例持续上升。另一方面，生产的大规模化和加工产品品种的不断更新和切换等现场生产效率的追求，更将促进数控机床从传统的加工机械向同时具有数据传递、网络通信等功能的复合型信息化加工机械的转变。

    高精度、高质量加工

    良好的加工取决于数控系统的可控制精度，数控机床的机械精度以及合适的加工条件。为实现这样的指标，就整体的数控系统方面应注重以下几个要点：
 
    （1）指令精度、内部数值计算及处理的精度；控制单元与伺服驱动单元间数据的通信能力；驱动系统（包含伺服驱动单元内部数值处理、高灵敏度电机、高分辨率编码器等）的控制精度。

    （2）对应于机械部分的静态误差的补偿能力（背隙、机械补偿等）。

    （3）对应于机械部分的动态补偿（LostMotion、温度补偿、高速优化机械响应及反馈控制等）。三菱电机除了在中国市场投放的现有E68及M60S系列中具备有上述功能之外，在最新机种M70/M700中，为实现更高精度的10纳米或更高的真正纳米控制，综合上述的技术要素，分别采用并完成开发了完全纳米指令、控制路径的纳米插补、高速光纤伺服通信网络（MACHnet）、高增益控制II型伺服控制、最新高可控制型HF电机以及高分辨率的100万脉冲或1600万脉冲编码器。另外、针对技术上的难题：机械动态控制精度的补偿方面，更搭载了SSS控制（SuperSmoothSurface）、OMR-FF控制（OptimumMachineResponse-FeedForward）、DDC控制（DirectDriveCommunication）等世界领先技术。

    高效率、复合型加工

    现场生产效益的提高，在数控系统中体现于更短的加工准备时间、更高的加工速度、以及复杂的加工能一次性在同一台数控机床上完成。具体的主要技术指标上分别体现在：加工图纸至加工程序的转换的简便性；高速加工能力；多系统（通道）车铣一体化复合型加工等方面。三菱电机在其数控产品上，以及作为辅助工具在一般电脑上，均可实现由图纸到加工过程中无需用户编程的NAVIMILL/NAVILATHE功能。同时以缩短加工时间为目的，尤其对于一次加工就需花费较长时间的模具加工，其加工速度可达135KBPM的能力。而对于汽车零部件加工方面，分别在加工中心上提供双系统（通道）和车床上的四系统（通道），以及完备的车铣功能，以方便客户能在同一台数控机床上对多个零部件的同时加工和自动完成高度复杂的加工程序，同时将因零部件的切削面不同而需重新装夹的时间和精度误差降到最低。

图2 三菱CNC最新M700CNC系统系列及对应纳米控制MDS-D系列伺服驱动和HF系列电机

    高操作性、智能化的人机界面
   
    伴随着数控系统的高度复杂化，其功能的增加也无意增加了操作的复杂化。而数控机床的不断普及和市场的扩展，又有更多的专用机械也将加入数控行列。仅依赖于由数控系统制造厂商提供标准的数控画面已无法完全满足实际现场操作需求和机械厂家的画面个体化设计。因此，数控系统的人机界面的操作便捷性及个性化的设计作为数控系统的性能指标之一，更显其重要性。其技术层面的发展方向大致为以下三点：伴随功能的增加而日渐增多的数控画面，如何以尽可能少的键操作获取希望的画面；如何能在显示必要的信息同时，又能体现简洁明了的画面含义；使用触摸屏方式，减少机械操作面板的硬件配置的同时，提高设计的灵活性等。
   
    综合生产管理、数字化、信息化加工
   
    利用多台的数控机床，进行类似汽车或3C的部品加工是当今机械加工现场的又一趋向。其数控系统的实时信息开放的种类及内容，手段或对应网络规格的多寡，很大程度上影响制造工厂的数字化综合现场生产管理。主要体现于如下：
   
    （1）信息开放种类，如机床运行状态、加工数量、刀具寿命、报警信息、加工程序等。
   
    （2）信息开放手段，如数据类方面有RS232、Ethernet、PC-card、USB；控制类方面有PLC接口、CC-link、MELSECNET、Profi-bus等。
   
    （3）远程监控和故障诊断，如通过网络端口进行机床部分操作、画面切换、故障分析及排除等。三菱数控系统在其三菱电机作为工厂自动化（FA）的综合研发及制造企业的背景之下，在数控机床行业的网络化、信息化对应方面，具有悠久的发展历史。在M70/M700系列产品中，不但通过Ethernet网络，在数控机床和上位电脑间就数控的各项数据均可进行双向通信，也可通过PLC接口、MELSECNET、或应用CC-Link等的控制网络配合其他的控制设备实现高速、高度的自动化控制。而同样可应对从生产现场（MES接口）到企业管理层（ERP管理）的整合新构架e-Factory系统，更为结合数控系统于一体的，全面数字化综合生产管理带来广泛的应用前景。另一方面，通过Ethernet实现上位电脑的数控系统的全画面监控，及通过电话线进行的远程诊断系统（MR-net），则为综合生产管理提供了完全有效的运行保障。
   
    数控系统作为对数控机床发出各种工序指令的核心部件，其本身的性能指标和功能直接关系到机床的性能和规格。因而今后中国的数控机床产业的发展在很大程度上依赖于投放于市场的数控系统的技术发展。