机床数控技术的未来发展趋势

随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高速度、高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、网络化及开放性等方向发展。

1.高速度、高精度化

速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控系统，高速度化，首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电动机的位移量，并要求伺服电动机高速度地作出反应。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件实现高速度化。

提高微处理器的位数和速度是提高CNC速度的最有效的手段。日本发那科（FANUC）公司曾宣称，该公司所有最新型号的CNC都使用32位微处理器技术。FANUC公司FS15数控系统采用32位机，实现了最小移动单位为0.1μm情况下达到最大进给速度100m/min。FANUC公司FS16和FS18数控系统还采用了简化与减少控制基本指令的精简指令计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC），它能进行高速度的数据处理，其执行指令速度可达到每秒100万条指令。现在一个程序段的处理时间可缩短到0.5ms，在连续1mm的移动指令下能实现的最大进给速度可达120m/min。在数控机床的高速度化中，提高主轴旋转速度占重要地位。有研究报告指出，由于主轴的高速度化，使切削时间比过去缩短了80%。主轴高速度化的手段是采用高速内装式主轴电动机，使主轴的驱动不必通过变速齿轮箱，而是直接把电动机和主轴连接成一体装入主轴部件之中，从而可将主轴转速提高到40000～50000r/min。

提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减小CNC系统控制误差方面，一般采取提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给、使CNC控制单元精细化、提高位置检测精度（日本交流伺服电动机已有装上每转可产生100万个脉冲的内藏式位置检测器，其位置检测精度能达到0.01μm/脉冲），以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，最近人们颇为注意热变形补偿。电动机、回转主轴和传动丝杠副的发热变形会产生加工误差。为减少变形，一方面采取减少热量，如采用流动油液对内装主轴电动机和主轴轴承进行冷却，另一方面则采取热补偿技术。

2.高可靠性

数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，要求设备可靠。特别是对要用在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。提高可靠性通常可采取如下一些措施：

1）提高线路集成度。采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗。

2）建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系。例如，采取防电源干扰，输入输出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面的检查考核等。通过这些手段，保证产品质量。

3）增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控系统还具有故障预报和自恢复功能。此外，注意增强监控与保护功能，例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控系统的平均无故障时间（MTBT）可达到10000～36000h。

3.多功能化

一机多能的数控系统，可以最大限度地提高设备的利用率。数控加工中心（Machining Center，MC）便是一种能实现多工序加工的数控机床。这类数控系统控制的机床，一般配有机械手和刀具库（可存放16～100把刀具）。工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，把许多工序甚至许多不同的工艺过程都集中到一台设备上来完成，从而可以避免多次装夹所造成的定位误差，减少设备台数、工夹具和操作人员，节省占地面积和辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等），同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴数有的多达15轴，同时联动的轴数有的已达到6轴。

4.智能化

数控系统应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面：

1）引进自适应控制技术。自适应控制系统（Adaptive Control，AC）是20世纪60年代末发展起来的高精度、高效益的数控系统，目前有的MNC系统兼有AC功能。通常数控机床是按照预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛坯余量、硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确保质量，势必在编程时采用较保守的切削用量从而降低了加工效率。AC系统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC处于最佳切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要在宇航等工业部门应用，一般用于特种材料加工。

2）附加人机会话自动编程功能。建立切削用量专家系统和示教系统，从而提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。

3）具有设备故障自诊断功能。数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施以适应长时间无人环境的要求。

4）引进模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。

5.集成化

数控系统集成化发展趋势有以下两点。

一是从点的控制（数控单机控制、加工中心控制系统和数控复合加工机床控制）、线的控制（FMC、FMS、FTL、FML等的控制）向面的控制（工段车间独立孤岛的控制、FA的控制）、体的控制（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。为了适应这种发展趋势，一般的数控系统都具有RS-232C和RS-422高速串行接口。可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统具有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。为了满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，各生产厂家纷纷采用MAP工业控制网络，现在已实现了MAP3.0版本，为现代数控机床进入FMS及CIMS创造了条件。它使各机种便于联网，有可能将不同制造厂的智能设备用标准化通信网络设施连接起来，从工厂自动化（Factory Automation，FA）上层（设计信息、生产计划信息）到下层（控制信息、生产管理信息），通过信息交流，促进集成化与综合化，实现分散处理体系，以及建立能够有效利用系统全部信息资源的计算机网络。

二是CAD/CAPP/CAM/CNC的集成发展方向，为了改变CNC中用G代码给CAD/CAM集成的困难，1997年欧共体开发了一种遵从STEP标准、面向对象的数据模型，提出了STEP-NC的概念，将产品模型数据转换标准STEP（Standard for the Exchange of Produce model dada）扩展至CNC领域，重新规定了CAD/CAM与CNC之间的接口。STEP-NC现已成为由国际标准化组织（ISO）近年来发展起来的一个世界性的标准，它为CNC的开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时它也解决了CNC与CAD/CAM之间双向无缝连接的核心问题，消除了长期以来困扰人们的数据不兼容问题，也为网络制造、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等先进制造技术和模式提供了技术保证。据美国STEPTools公司的研究数据表明：STEP-NC的应用将使目前加工前数据准备时间减少75%，工艺规划时间减少35%，加工时间减少50%。可见，大力开展基于STEP-NC的CNC系统（特别是标准制定、数据库和STEP-NC控制器）的研究对于提高我国数控水平乃至全面提高自动化制造水平是至关重要的。目前STEP-NC标准仅完成了一部分，国内外对基于STEP-NC的数控技术研究处于起步阶段，已取得了实质性进展，虽然还没有进入实用阶段，但其发展势头强劲。STEP-NC标准的使用无疑将使CNC系统在制造领域发挥更大的作用，将实现CAD/CAPP/CAM/CNC的整体集成。(www.xing528.com)

6.开放性

传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，越来越难以满足市场对数控技术的要求。针对这种情况，人们提出了开放式数控系统的概念，国内外正在大力研究开发开放式数控系统。开放式CNC系统往往使用通用芯片，依靠普通PC平台与NC系统组合来实现一个完整的数控系统。目前，数控系统正由专用封闭式控制模式向通用开放式控制模式转换，其典型的代表如美国Hurco系统，国内的华中数控系统等。开放式CNC系统，由于其低成本，高度的硬件通用性，便利的系统移植性，极其灵活的系统编程方式以及极强的二次开发能力而备受关注，成为数控系统发展的新趋势（详见第4章4.4节开放式数控系统）。

7.网络化

20世纪90年代中期，由于Internet/Intranet与Web技术在制造业快速普及和广泛应用，以及基于PC的开放数控技术取得了实质性进展，CNC机床不仅作为独立运行的加工设备，而且可以在计算机、网络和通信技术支持下形成网络化数控制造系统。

网络化数控系统可定义为：CNC系统在Internet/Intranet技术支持下直接联网构成基于Web网络环境的站点，通过共享分布式网络数据库技术成为工艺信息、NC程序、生产管理、制造控制和工况信息等制造信息中心，并能和工厂其他应用实现融合集成的一种网络化分布式数字制造系统。

网络化数控系统通过信息技术和制造技术、生产管理和制造控制融合集成，支持企业实现网络化制造（e-M）及企业集成，能较好地解决企业纵横向间信息集成，从根本上填补了现存制造车间与设计层间存在的鸿沟，提高了企业整体制造技术水平、生产率、创新能力和快速响应能力，从而提升了企业综合竞争力，以适应全球竞争的新经济环境。

8.并联机床及数控系统

从1994年开始，人们兴奋地看到一种前所未有的新型机床——六条腿机床出现了。这种机床从运动理论到具体结构上都与传统机床截然不同——它没有滑台结构，没有沿X、Y、Z三个方向的滑台式结构的导轨，而只用几根丝杠带动主轴箱、带着刀具（或工件）在空间运动，按预定轨迹和目标通过复杂的数学计算经计算机控制完成加工任务，这就是并联（杆系）机床。

并联机床通常由以下四部分组成：

上平台：这是一个刚性的箱体机架，上面装有固定工件的工作台。

下平台：用来安装主轴头，主轴头内有主驱动电动机，能同时进行6轴（X、Y、Z、A、B、C）运动，有的并联机床还能进行8轴控制。

轴向可调的6根伸缩杆（“6条腿”）。每根伸缩杆由各自的伺服电动机和滚珠丝杠驱动，一端固定在下平台机架上，另一端则与上平台相连，通过这六条腿的伸缩协调实现主轴的位置和姿态控制，以满足刀具运动轨迹的要求，理论上可加工任意复杂的曲面零件（如叶轮、模具、雕刻品等）。

控制系统及其软件。控制系统特别是软件的开发是该类机床的关键和难点。并联机床的控制系统不仅要实现向“六条腿”定时发送实现预定刀具运动轨迹的控制信号，而且还要实时处理“六条腿”长度的测量反馈信号，以及动态补偿刀具与工件的相对位置误差。

并联机床与串联机构的区别在于：传递力的运动链是六条腿构成的六个“并联”运动链，主轴平台所受外力由六根杆分别承担，故每杆受的力要比总负载小得多，且这些杆件只承受拉压载荷，而不承受弯矩和扭矩，因此具有刚度高、传力大、重量轻、末端执行件速度快、结构简单、精度高等优点。

并联机床与传统机床在运动传递原理上的本质区别，决定了并联机床数控系统的特殊性。从伺服控制的角度来看，开发并联机床所需的控制知识与开发传统三坐标或五坐标加工中心所需的没什么不同。他们之间最大区别体现在数控装置中。并联机床存在特殊的作业空间、奇异位形、灵活度和刚度等诸多方面的问题，对于这些问题的处理都体现在机床的CNC中，因此在并联机床的CNC中必然要包括传统CNC所不具备的作业空间检验、奇异检验、刚度和灵活度验算等功能。

目前，并联机床的数控系统无一例外地继承了传统数控的标准和协议。几乎所有并联机床都使用了与传统数控机床一致的操作界面风格、数控代码格式、坐标定义和相关术语，并且具备同标准CAD接口的能力。数控系统均采用了开放式的体系结构，其中以基于工业PC为最多。这是因为数控系统的结构及诸多算法尚处于试验和探索阶段，采用开放式结构可以增添系统的模块化和可重构性，降低再次开发的难度。插补计算是数控系统的一项关键技术。由于保密性和正处于探索阶段的原因，关于这方面的研究论文比较少，总的说来，主要有三种方法，即虚轴空间插补、实轴空间插补和虚实空间两级插补策略。

9.其他发展

1）为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数控制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统等，这些给控制系统提出了更高的要求。

2）围绕数控技术和制造过程技术，在快速成形、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面，和高速电主轴、直线电动机、软件补偿精度等单元技术方面，先后有所突破。并联杆结构的新型数控机床实用化。这种虚拟数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域。

3）采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术、虚拟制造技术以及FMC、FMS、Web-Based制造和无图样制造技术。

4）数字控制技术在其他领域的广泛应用。高精度、高可靠性自动化仪表和现场总线智能仪表及其控制系统的开发；总线式自动测试系统软件及模件开发；自调零、自校正、自诊断的数字化科学仪器（分析仪器、大地测量仪器、试验机）的开发；数字照相机、数字打印机、数字IC卡等文化办公设备的开发，以及医用X射线诊断装置、医用超声诊断设备、计算机层析扫描装置（CT）、磁共振成像装置等医疗设备；各类医用电生理诊断设备；临床检验分析设备。