数控系统技术的发展现状

　　1、国外数控系统技术的发展现状

　　1952 年，美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，开创了世界数控系统技术发展的先河。20 世纪 80 年代中期，数控系统技术进入高速发展阶段。1986 年，三 菱 （ MITSUBISHI） 推出了采用Motorola 32 位 68020 CPU 的数控系统，掀起了 32 位数控系统的热潮。1987 年，发那科（ FANUC） 公司32 位多 CPU 系统—FS-15 的问世，使系统内部各部分之间的数据交换速度较原来的 16 位数控系统显著提高。

　　90 年代以来，受计算机技术高速发展的影响，利用 PC 丰富的软硬件资源，数控系统朝着开放式体系结构方向发展。该结构不仅使数控系统具备更好的通用性、适应性和扩展性，也是智能化、网络化发展的技术基础。工业发达国家相继建立开放式数控系统的研究计划，如欧洲的 OSACA 计划、日本的OSEC 计划等。此外，随着数控系统性能的不断提升，数控机床的高速化成效显著。德、美、日等各国争相开发新一代的高速数控机床，加工中心的主轴转速、工作台移动速度、换刀时间分别从 80年代的 3 000～4 000 r/min、10 m /min 和 5～10 s 提高到 90 年代的 15 000 ～ 50 000 r/min、80 ～ 120 m/min和1～3 s。

　　进入 21 世纪，数控系统技术在控制精度上取得了突破性进展。2010 年国际制造技术（ 机床） 展览会（ IMTS 2010） 上，专业的数控系统制造商纷纷推出了提高控制精度的新举措。FANUC 展出的 Series30i /31i /32i /35i-MODEL B 数控系统推出了 AI 纳米轮廓 控 制、AI 纳米高精度控制、纳 米 平 滑 加 工、NUＲBS 插补等先进功能，能够提供以纳米为单位的插补指令，大大提高了工件加工表面的平滑性和光洁度（ 图 1） 。SIEMENS 展出的 SINUMEＲIK 828D数控系统所独有的 80 位浮点计算精度，可充分保证插补中轮廓控制的精确性，从而获得更高的加工精度。此外，MITSUBISHI 公司的 M700V 系列数控系统也可实现纳米级插补。

　　图 1 纳米平滑加工技术表面加工效果

　　经过持久研发和创新，德、美、日等国已基本掌握了数控系统的领先技术。目前，在数控技术研究应用领域主要有两大阵营： 一个是以发那科（ FANUC） 、西 门 子（ SIEMENS） 为代表的专业数控系统厂商; 另一个是以山崎马扎克（ MAZAK） 、德玛吉（ DMG） 为代表，自主开发数控系统的大型机床制 造 商。2015 年 FANUC 推 出 的 Series oiMODELF 数控系统，推进了与高档机型 30i 系列的“无缝化”接轨，具备满足自动化需求的工件装卸控制新功能和最新的提高运转率技术，强化了循环 时 间 缩短功能，并支持最新的 I/O 网络—I/OLink。MAZAK 提 出 的 全 新 制 造 理 念—SmoothTechnology，以基于 Smooth 技术的第七代数控系统MAZATＲOL SmoothX 为枢纽，提供高品质、高性能的智能化产品和生产管理服务。SmoothX 数控系统搭配先进软硬件，在高进给速度下可进行多面高精度加工; 图解界面和触屏操作使用户体验更佳，即使是复杂的五轴加工程序，通过简单的操作即可修改;内置的应用软件可以根据实际加工材料和加工要求快速地为操作者匹配设备参数。DMG 推 出 的CELOS 系统简化和加快了从构思到成品的进程，其应用程序（ CELOS APP） 使用户能够对机床数据、工艺流程以及合同订单等进行操作显示、数字化管理和文档化，如同操作智能手机一样简便直观（ 图 2） 。CELOS 系统可以将车间与公司高层组织整合在一起，为持续数字化和无纸化生产奠定基础，实现数控系统的网络化、智能化。

　　图 2 CELOS APP 的图解界面和触屏操作

　　2、 国内数控系统技术的发展现状

　　我国对数控系统技术的研究始于 1958 年，经过几十年的发展已形成具有一定技术水平和生产规模的产业体系，建立了华中数控、沈阳数控、航天数控、广州数控和北京精雕数控等一批国产数控系统产业基地。虽然国产高端数控系统与国外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距，但近年来在多轴联动控制、功能复合化、网络化、智能化和开放性等领域也取得了一定成绩。

　　多轴联动控制。多轴联动控制技术是数控系统的核心和关键，也是制约我国数控系统发展的一大瓶颈。近年来，在国家政策支持和多方不懈努力下得到了快速发展，逐渐形成了较为成熟的产品。华中数控、航天数控、北京机电院、北京精雕等已成功研发五轴联动的数控系统。2013 年，应用华中数控系统，武汉重型机床集团有限公司成功研制出CKX5680 七轴五联动车铣复合数控加工机床，用于大型高端舰船推进器关键部件—大型螺旋桨的高精、高效加工（ 图 3） 。同年，北京精雕推出了 JD50数控系统，具备高精度多轴联动加工控制能力，满足微米级精度产品的多轴加工需求，配备 JD50 数控系统的 SmartCNC500E－ DＲTD 系列精雕机，可用于加工航空航天精密零部件叶轮（ 图 4） 。

　　图 3 七轴五联动复合机床加工大型螺旋桨

　　图 4 五轴联动精雕机加工叶轮

　　功能复合化。目前，国际主流数控系统厂商大多推出了集成 CAD/CAM 技术的复合式数控系统。数控技术与 CAD/CAM 技术的无缝集成，有效提高了产品加工的效率和可靠性，在加工技术产业链里的地位愈加重要。国内已开始在这方面进行探索和尝试，北 京 精 雕 推 出 的 JD50 数 控 系 统，正 是 集CAD/CAM 技术、数控技术、测量技术为一体的复合式数控系统，具备在机测量自适应补偿功能。该功能是以机床为载体，辅以相应的测量工具（ 接触式测头） ，在工件加工过程中实时测量，并根据测量结果构建工件实际轮廓，将其与理论轮廓间的偏差值自动补偿至加工路径。该功能有效解决了产品加工过程中由于来料变形、装夹变形、装夹偏位等因素影响导致后续加工质量不稳定的问题。图 5 所示为利用 JD50 数控系统此项功能，完成在鸡蛋表面的图案雕刻。

　　图 5 在机测量自适应补偿技术完成的蛋壳表面雕刻

　　网络化与智能化。随着计算机及人工智能技术的发展，国产数控系统的网络化、智能化程度不断提高。沈阳数控于 2012 年推出了具有网络智能功能的 i5 （ industry，information，internet，intelligent，integrate） 数控系统［13］。该系统满足了用户的个性化需求，用户可通过移动电话或电脑远程对 i5 智能机床（ 图 7） 下达各项指令，使工业效率提升了 20%，实现了“指尖上的工厂”。i5 数控系统提供的丰富接口使数据在设备和异地工厂之间实现双向交互，为用户提供了不同层次和规模的应用［14］。2014 年第八届中国数控机床展览会（ CCMT 2014） 上，华中数控围绕新一代云数控的主题，推出了配置机器人生产单元的新一代云数控系统和面向不同行业的数控系统解决方案。

　　新一代云数控系统以华中 8 型高端数控系统［15］（ 图 6） 为基础，结合网络化、信息化的技术平台，提供“云管家、云维护、云智能”3 大功能，完成设备从生产到维护保养及改造优化的全生命周期管理，打造面向生产制造企业、机床厂商、数控厂商的数字化服务平台。

　　图 6 华中数控 HNC-808M 数控系统

　　图 7 搭载 i5 数控系统的 T5. 2 智能卧式车床

　　开放性。尽管目前国内市场上传统的封闭式数控系统依旧应用广泛，但开放式数控系统已是大势所趋。数控系统的开放性为大型生产活动的自动化、信息化创造了有利条件，也是“工业 4. 0”时代对数控系统提出的新要求。北京精雕的 JD50 数控系统采用开放式体系架构，支持 PLC、宏程序以及外部功能调用等系统扩展功能。PLC 系统硬件平台提供多种总线接口，可灵活实现与各类外部设备的连接，为大型加工企业的自动化改造提供了软、硬件支持。此外，JD50 数控系统提供包括加工文件操作、机床信息获取、机床状态监控、机床远程控制在内的4 大类网络接口，可以轻松接入客户工厂的信息化管理系统。另外该数控系统还支持半导体设备通讯标准接口 SECS，支持包括 HSMS、SECS-Ⅱ和 GEM在内的三层标准协议，能快速接入高度自动化的半导体制造厂的计算机集成制造管理系统（ computerintegrated manufacturing system，CIMS） 。

　　远程监控及故障诊断。近年来在国家“863”计划的资助下，国内许多大学和企业都开展了面向数控设备的远程监测和故障诊断解决方案研究。西北工业大学与企业合作研究建立了基于 Internet 的数控机床远程监测和故障诊断系统，为数控机床厂家创造了一个远程售后服务体系的网络环境，节省了生产厂家的售后服务费用，提高了维修和服务的效率。广州数控提出的数控设备网络化解决方案，可对车间生产状况进行实时监控和远程诊断，目前已实现了基于 TCP /IP 的远程诊断与维护，降低了售后服务成本，也为故障知识库和加工知识库的建立奠定了基础。

　　数控系统的发展趋势

　　趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展

　　20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性，柔性，适应性，可扩展性，并可以较容易的实现智能化，网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件，软件总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大的方便，促进了数控系统多档次，多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU的升级而升级，而结构可以保持不变。

　　趋势之二：数控系统方向软数控方向发展

　　现在，实际用于工业现场的数控系统主要有一下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭式体系结构向开放式体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势，传统的数控系统，如FANUC 0 系统，MITSUBISHI M50系统，SINUMERIK 810/M/T/G 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这种系统还是占据了制造业的大部分市场。

　　数控机床是数字控制机床的简称，亦称NC机床，是为了满足单件、小批、多品种自动化生产的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。随着机床数控技术的迅速发展，数控机床在机械制造业中的地位越来越重要。

　　第一台数控机床是适应航空工业制造复杂零件的需要而产生的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓用检查样板的加工机床时，提出了数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构试验室合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床样机，这是一台直线插补三坐标立式铣床，其数控系统全部采用电子管，也称第一代数控系统。经过三年的改进和自动程序编制的研究，于1955年进入实用阶段，一直到20世纪50年代末，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断地扩展应用范围。

　　我国的数控机床是从1958年开始研制的，经历了40多年的发展历程，目前数控技术已在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心也相继研制成功。

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