数控技术的发展趋势及产业化

0 引言

    数控技术简称CNC，它是利用计算机及数字化技术控制机床，实现自动加工过程的先进制造技术。数控机床可以加工复杂零件，而且精度高、生产率高、产品品质稳定、降低工人劳动强度。数控技术现已普及，并且有广阔的发展前景。

    数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

    现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

1 数控技术的发展趋势

    数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些莺要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势

    效率、品质是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的品质和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先进技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

    在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40 s／辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精度和高柔性的要求。

    从EM02001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80 m／rain，甚至更高，空运行速度可达100 m／rain左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60 m／min，快速为100 m／min，加速度达2 g，主轴转速已达60 000 r／min。加工一薄壁飞机零件，只用30 min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3 h，在普通铣床加工需8 h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*1 000 r／min和1 g。

    在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5 μm，精密级加工中心则从3~5 μm，提高到1~1.5 μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。

    在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000 h以上，伺服系统的MTBF值达到30 000 h以上，表现出非常高的可靠性。

    为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电动机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

1.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展

    采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

    当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。

    在EM02001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和五轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD／CAM直接或间接控制。

1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

    21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工品质方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

    所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

    网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。