中国数控机床行业的发展与数控系统的控制技术

    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。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。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、网络通讯等功能的复合型信息化加工机械的转变。

　　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。

　　作为世界知名的数控系统研发及制造厂商，三菱电机和广大的中国国内数控系统厂商一起，致力于中国的数控机床产业的发展，其投放于中国市场的数控产品，在近几年中无论从性能价格比，以及性能规格上积极迎合中国市场的需求。以下结合中国数控机床产业的发展展望，就数控系统方面，应具备哪些功能方面，以目前三菱针对中国市场而开发并投放于市场的主力产品（EZmotion60、EZmotion 68、以及M60S系列等）和今后推广的新机种（M70、M700系列）为蓝本，就主要功能实现等技术层次方面乐意和广大读者做一介绍和探讨。

1. 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。针对数控机床的具有高精度、高质量加工要求，体现在前两者在机电控制上的完美结合。为实现这样的指标，就整体的数控系统方面笔者认为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（Lost Motion、温度补偿、高速优化机械响应及前馈控制等）。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、高速光纤伺服通讯网络（MACH net）、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（Super Smooth Surface）、OMR-FF控制（Optimum Machine Response-Feed Forward）、DDC控制（Direct Drive Communication）等世界领先技术。

2. 高效率、复合型加工

　　现场的生产效益的提高，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:1）加工图纸至加工程序的转换的简便性;2）高速加工能力;3）多系统（通道）车铣一体化复合型加工等方面。三菱电机为满足今后中国市场的需求，在其数控产品上，例如M70/M700本体，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NAVI MILL/NAVI LATHE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。而对于更多的诸如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）和充实的车铣功能，以方便客户能在同一台数控机械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并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缩至极小。

3. 高操作性、智能化人机界面

　　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。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：1）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能希望的画面；2）何如能在显示必要的信息同时，又能体现简洁明了的画面含义；3）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等。在三菱的M70/M700系列中，其标准画面的设计和现有机种相比，其画面构成，字体大小，色彩配置，在更好地吻合现场需求的同时，相对其画面数量增加近20%，通过菜单键的组合和运用弹出画面等功能，切换画面所需键操作则减少了20%，提高了画面的信息显示能力和操作性能。同时针对在线编程方面，能随输入指令同步显示编程指令格式和检查其输入正确性。而利用NC Designer、或触摸屏等硬软件工具，则为一些机械厂家提供了开机画面的个性化设计，并且通过简单的画面部件重新排列组合，更为使用三菱数控客户创造独自的NC操作画面，以区别其他机械厂家产品和提高操作性提供了强有力的手段。

4. 最优机械响应控制

　　数控机床并不是只有数控系统的机床设备，机械的性能会直接影响到实际的加工效果。由于机械的设计、材质、制造、装配等的不同，从而导致机械的特性有很大的差异，在这种情况下，为了提高数控机床的动态加工精度，就必须对机械上引起误差的主要因素加以考虑，进行恰当的处理，才能达到满意的动态加工精度。

　　三菱的OMR（Optimum machine response）控制功能，是对产生轨迹误差主要原因的机械和电机的模型进行推定（考虑其惯量、摩擦、粘性系数等），并且基于这个模型进行前馈控制，实现高精度的加工。借助于此，圆弧插补中的象限突起和实际轨迹小一圈的现象也得到了大幅度的改善。与以前简单的前馈控制不同，OMR控制功能更倾向于考虑实际的机械和电机的状态，根据实际状态的变化，进行动态的精密控制。

　　OMR控制功能包含两个部分-高精度校正功能和OMR-FF控制。OMR控制-高精度校正功能通过对机械侧弹性形变、动态摩擦、粘性系数的推定，实现满意的动态加工效果。OMR-FF是通过高增益的三环控制，促使机械达到最佳响应，但不会引起机械振动的前馈控制。

5. 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：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，针对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-F@ctory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。

　　以上为我对中国数控机床行业的发展过程中，就数控系统的控制技术的现状和近期发展副方向做了部分介绍。希望广大读者和我一起探讨，为中国数控发展作贡献。