加工过程数控——数控技术深层次的发展

0 引言

　　1957年，我国与日本几乎同步着手研究数控机床，迄今已经50年了。目前我国数控机床的年消费量和年进口量均跃居世界第一，数控机床产值则居世界第三。20世纪80年代末，随着社会对数控人才需求的增加，为顺应现代制造业的发展，。以数控技术应用为内核的专业教学也在全国各高校开始兴起，并越办越多。尽管我国数控技术的研究与人才培养都起步不晚，但至今国内数控系统和中高档数控机床市场仍是国外产品占据绝对优势，数控领域内高层次的人才依然匮乏，与日本相比技术上的差距十分明显(日本数控机床产值居世界第一，其机床在世界市场上的占有率已超过30％)。

　　深入了解数控技术的内涵，认清当今技术发展的方向，明确我们的奋斗目标已刻不容缓。只有这样才能顺应数控技术的发展，缩小与技术先进国家之间的差距。

1 数控技术的内涵

　　数控简称NC(numerical contr01)，国家标准(GB8129—87)定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。”定义中的“机床”不仅指金属切削机床，还包括其他各类加工设备。

　　那么“机床数控”是否便是“数控”的全部内核呢?仔细考虑一下数控的定义就会发现，所谓数控技术理应包含两部分内容：1)为“机床数控”(machine tool numerical con．trol)即用数字化信号对机床运动进行控制；2)为“加工过程数控”(digital control of machining pmcesses)即用数字化信号对加工过程状态进行控制。前者主要是研究计算机(按人工编制的程序)对机床或其他各类加工设备运动规律的控制，这种控制一般不考虑被控对象动态特性的变化。而后者则主要是研究计算机对工艺系统与工艺过程状态的控制。由于工艺过程受力、振动和温度等诸多物理因素的影响，其动态性能表现出一定的随机性。故加工过程数控涵盖的内容比机床数控更广，控制方式也更复杂。表1列出了两者之间的区别。

　　数控技术尽管只是一项单项(专门)技术，但在制造过程中，其表现形式至少包括以下3个方面：1)代替人的体力劳动；2)代替或辅助人的脑力劳动；3)对整个制造过程进行协调、管理、控制和优化。

　　在制造系统中集中体现3)功能的先进的集成制造技术、智能制造技术等重要的基础之一便是加工过程数控。近十年来，相关企业与高校围绕“机床数控”进行了深入研究，开发出了包括具有五坐标加工等功能的自主知识产权的数控机床(系统)。但对“加工过程数控”的研究，则远远落后于发达的工业国家。

　　通过以上分析，我们对数控技术的内涵有了一个清楚的认识。尤其是加工过程数控，它基于自动化控制平台，将计算机控制理论和技术与加工过程控制有机地结合起来，无疑是数控技术向更深层次的发展。我们的研究与专业人才培养理应围绕数控技术完整的内涵展开。

2 加工过程数控

　　机床数控是制造装备的数字化，尽管它只是数字化制造中的一个环节，却是一个极为重要的环节。技术研究与专业人才培养开创，发展前期以此为核心展开是无可非议的，这是充分考虑了当时的社会需求，也反应了当时的学科水平。然而，科学技术在日新月异地发展，从20世纪80年代末起，数控技术开始发生根本性的变革。随着自动控制理论和技术的发展，赋予了数控技术新的内涵，它逐渐由早期单纯的发展设备的机电系统数字化控制，走向与制造过程信息化的融合，甚至与企业管理更广泛的融合。即便是机床数控的核心CNC系统，在制造信息化的今天也已开创了一个崭新的理念，即把CNC系统推向了加工过程控制中心的高度，而不再仅限于机床控制器的范畴。最近几届的IMTS(国际机床博览会)上，日本Mazak公司展出的“Cyber Production Center”(智能生产控制中心)、“Intelligent Machine”(智能机床)，美国Hardinge机床公司和GE FANUC两家相配合展出的“Open FactoryCNC”(开放工厂CNC)，日本大隈(Okuma)机床公司展出的“IT Plaza”(信息技术广场)、Intelligent Numerical ControlSystem”(智能数字控制系统)等展品，都已走出了狭隘的仅以多轴运动轨迹控制为其性能指标的阶段，而步入了对整个加工过程进行监控与诊断，以及网络化、开放式的更高层次。它们深刻地揭示了“数字化制造”的真正内涵。

　　以IMTS2006上13本Mazak公司展出的智能机床为例(Mazak公司机床销售总额已连续多年居世界第一)，为消除切削加工中振动、切削热等物理现象对工件加工精度、表面粗糙度、刀具磨损等的影响，该机床对加工过程可进行以下适应性控制：

　　a)主动振动控制(active vibration contr01)——在不同加工工艺条件下可将机床振动减为最小；

　　b)智能热屏障(intelligent thermal shield)——可对由机床部件的运动或运作产生的热及室温变化引起的定位误差进行自动补偿，使其值为最小；

　　c)智能安全屏蔽(intelligent safety shield)——技术人员在进行调整、测量、更换刀具等操作时，在与机床的运动部件发生碰撞的前一瞬间，机床部件的运动会立即停止，确保操作安全。