数控的发展趋势

浅议数控技术的发展趋势

摘要：数控技术是利用现代数字化的信息对机器运动及加工过程进行控制的一种先进技术。用数控技术控制加工的机床，或者说装有数控系统的机床称为数控机床。数控技术系统主要有数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。也是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、自动检测和精密机械等高新技术。数控技术对现代制造业的影响是多方面和重大的。 关键词：数控技术；发展；基础

0 前言

数字控制（Numerical Control，NC ）技术简称数控技术，顾名思义就是以数字的形式实现控制的一门技术。是利用现代数字化的信息对机器运动及加工过程进行控制的一种先进技术。用数控技术控制加工的机床，或者说装有数控系统的机床称为数控（NC ）机床。

2 数控机床在我国的发展前景

随着我国数控技术的飞快发展，我国在“十一五”时期已基 本确定数控机床产业的发展目标及重点，未来5 年的突破重点是： 大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件。

“ 十一五”我国数控机床开发的重点：一是重点发展关键功 能部件和数控系统，为数控机床产品升级奠定基础。主要发展项 目包括中高档数控系统、高速主轴及其伺服单元、高性能刀库及 机械手、全功能数控刀架和数控转台等；二是高精度数字化测量 仪器和数控刀具；三是满足国家重点工程需要，实施高级型数控 机床示范工程。重点发展的高级数控机床范围有：高速、精密数 控车床，车削中心类及四轴以上联动的复合加工机床；高速、高 精度数控铣镗床及立卧式加工中心；重型、超重型数控机床；数 控磨床；数控电加工机床；数控专用机床及生产线等。

3 数控机床的发展趋势

随着计算机技术的迅速发展，数控机床的应用日益广泛，进 一步推动了数控系统的发展，产生了自动编程系统、计算机数控 系统、计算机群控系统和天性制造系统。随着这些技术的应用以 及加工对象的多样化和复杂化，数控技术向功能复合化、高精度化、 高速化、控制智能化、系统化、体系开放化、驱动并联化、极端 化( 大型化和微型化) 、新型功能部件、高可靠性、加工过程绿色 化的方向发展，本文对其中2 种进行简单阐述。

3.1 功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯 至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工 序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车 铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序

复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。

3.2 驱动并联化

并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的

一个重要研究方向。并联运动机床克服了传统机床串联机构移动

部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由

度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴

（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接

机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应

自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，

更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、

重量轻和速度快等优点。

数控机床技术发展趋势

我国数控机床的发展离不开机床技术与制造技术的发展，而机械加工装备对促进制造技术发展的紧密关系和重要支撑作用

数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备%其总的发展趋势是高精化、高速化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性 具体可归纳为以下几个方面

高速加工技术发展迅速%在高档数控机床中得到广泛应用

应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术优化机床结构；采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性在刀具材料和结构的支持下从单一的刀具切削高速加工发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转，快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和上百米，换刀速度加快了几倍到十几倍

应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间从而实现加工制造的高质量和高效率

精密加工技术有所突破! 通过机床结构优化&

制造和装配的精化%数控系统和伺服控制的精密化%高

精度功能部件的采用和温度&振动误差补偿技术的应用

等%从而提高机床加工的几何精度&运动精度%减少形

位误差&表面粗糙度$加工精度平均每0年提高! 倍%

从!,(#!"###年(#年内提升!##倍$目前%精密数控

机床的重复定位精度可以达到!&$%进入亚微米超精加

工时代$图" 为数密数控车床%机床的精度在#%##"&$

以内%加工零件的表面粗糙度值达到/;*#%’&$$

*&+技术集成和技术复合趋势明显! 技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一" 如工序

图!"

复合型###车$ 铣$

钻$镗$磨$齿轮加

工技术复合" 跨加工

类别技术复合###金

切与激光$冲压与激

光$金属烧结与镜面

切削复合等" 目前已

由机加工复合发展到

非机加工复合" 进而发展到零件制造和管理信息及应用

软件的兼容" 目的在于实现复杂形状零件的全部加工及

生产过程集约化管理%技术集成和复合形成了新一类机

床###复合加工机床" 并呈现出复合机床多样性的创新

结构%

&’’数字化控制技术进入了智能化的新阶段! 数

字化控制技术发展经历了三个阶段(数字化控制技术

对机床单机控制) 集合生产管理信息形成生产过程自

动控制) 生产过程远程控制" 实现网络化和无人化工

厂的智能化新阶段%智能化指工作过程智能化" 利用

计算机$信息$网络等智能化技术有机结合" 对数控

机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等%

加工过程智能监控可以实现工件装夹定位自动找正"

刀具直径和长度误差测量" 加工过程刀具磨损和破损

诊断$零件装卸物流监控" 自动进行补偿$调整$自

动更换刀具等" 智能监控系统对机床的机械$电气$

液压系统出现故障自动诊断$报警$故障显示等" 直

至停机处理%随着网络技术的发展" 远程故障诊断专

家智能系统开始应用%数控系统具有在线技术后援和

在线服务后援%人工智能自动编程系统能按机床加工

要求对零件进行自动加工%在线服务可以根据用户要

求随时接通^9BOA9OB接受远程服务%采用智能技

术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策$

过程适应控制$误差补偿智能控制$故障自诊断和智

能维护等功能" 大大提高成形和加工精度$提高制造

效率%信息化技术在制造系统上的应用" 发展成柔性

制造单元和智能网络工厂" 并进一步向制造系统可重

组的方向发展%

&(’极端制造扩张新的技术领域! 极端制造技术是

指极大型$极微型$极精密型等极端条件下的制造技

术" 是数控机床技术发展的重要方向%重点研究微纳机电系统的制造技术" 超精密制造$巨型系统制造等相关

的数控制造技术$检测技术及相关的数控机床研制" 如

微型$高精度$远程控制手术机器人的制造技术和应

用) 应用于制造大型电站设备$大型舰船和航空航天设

备的重型$超重型数控机床的研制)^B产业等高新技术

的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术" 研制适应

微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加

工机床) 极端制造领域的复合机床的研制等%

%"我国数控机床发展方向

从"#世纪0#年代起" 我国数控机床制造业的发展

虽然有起伏" 但对数控技术和数控机床一直给予较大的

关注" 已具有较强的市场竞争力%但在中$高档数控机

床方面" 与国外一些先进产品与技术" 仍有较大差距"

大部分处于技术跟踪阶段%表&是以PB’#刀柄的中型

加工中心为例" 列出国内外先进产品主要技术指标" 由

此可以看到效率$精度和可靠性等方面均有明显差

距

基于目前世界先进制造技术不断兴起" 超高速切

削$超精密加工等技术的应用" 柔性制造系统的迅速发

展和计算机集成系统的不断成熟" 对数控加工技术提出

了更高的要求%笔者认为我国数控机床在未来应朝着以

下几个方向发展(

&!’高速度$高精度化! 速度和精度是数控机床的

两个重要指标" 它直接关系到加工效率和产品质量%目

前" 数控系统采用位数$频率更高的处理器" 以提高系

统的基本运算速度%同时" 采用超大规模的集成电路和

多微处理器结构" 以提高系统的数据处理能力" 即提高

插补运算的速度和精度" 并采用直线电动机直接驱动机

床工作台的直线伺服进给方式" 其高速度和动态响应特

性相当优越%采用前馈控制技术" 使追踪滞后误差大大

减小" 从而改善拐角切削的加工精度%为适应超高速加工的要求" 数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为

一的结构形式" 实现了变频电动机与机床主轴一体化"

主轴电动机的轴承采用磁浮轴承#液体动静压轴承或陶

瓷滚动轴承等形式$目前" 陶瓷刀具和金刚石涂层刀具

已开始得到应用$

%"&多功能化! 配有自动换刀机构%刀库容量可达

!##把以上&的各类加工中心" 能在同一台机床上同时

实现铣削#镗削#钻削#车削#铰孔#扩孔#攻螺纹等

多种工序加工" 现代数控机床还采用了多主轴#多面体

切削" 即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切

削加工$数控系统由于采用了多J:] 结构和分级中断

控制方式" 即可在一台机床上同时进行零件加工和程序

编制" 实现所谓的’前台加工" 后台编辑($为了适应

柔性制造系统和计算机集成系统的要求" 数控系统具有

远距离串行接口" 甚至可以联网" 实现数控机床之间的

数据通信" 也可以直接对多台数控机床进行控制$

%&&智能化! 现代数控机床将引进自适应控制技

术" 根据切削条件的变化" 自动调节工作参数" 使加工

过程中能保持最佳工作状态" 从而得到较高的加工精度

和较小的表面粗糙度值" 同时也能提高刀具的使用寿命

和设备的生产效率$具有自诊断#自修复功能" 在整个

工作状态中" 系统随时对J9J 系统本身以及与其相连

的各种设备进行自诊断#检查$一旦出现故障时" 立即

采用停机等措施" 并进行故障报警" 提示发生故障的部

位#原因等$还可以自动使故障模块脱机" 而接通备用

模块" 以确保无人化工作环境的要求$为实现更高的故

障诊断要求" 趋势是采用人工智能专家诊断系统$

%’&数控编程自动化! 随着计算机应用技术的发

展" 目前J6M!J63 图形交互式自动编程已得到较多的

应用" 是数控技术发展的新趋势$利用J6M 绘制的零

件加工图样" 再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和

后置处理" 从而自动生成9J 加工程序" 以实现J6M

与J63 集成$随着J^3X技术的发展" 当前又出现了

J6M!J6::!J63 集成的全自动编程方式" 与J6M!

J63 系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参

数不必由人工参与" 直接从系统内的J6::数据库获

得$

%(&可靠性最大化! 数控机床的可靠性一直是用户

最关心的主要指标$数控系统将采用更高集成度的电路

芯片" 利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路" 以减少元器件的数量" 来提高可靠性$通过硬件功

能软件化" 以适应各种控制功能的要求" 同时采用硬件

结构机床本体的模块化#标准化和通用化及系列化" 使

得既提高硬件生产批量" 又便于组织生产和质量把关$

还通过自动运行启动诊断#在线诊断#离线诊断等多种

诊断程序" 实现对系统内硬件#软件和各种外部设备进

行故障诊断和报警$利用报警提示" 及时排除故障) 利

用容错技术" 对重要部件采用’冗余(设计" 以实现故

障自恢复) 利用各种测试#监控技术" 当生产超程#

刀损#干扰#断电等各种意外时" 自动进行相应的保

护$

%)&控制系统小型化! 数控系统小型化便于将机#

电装置结合为一体$目前主要采用超大规模集成元件#

多层印刷电路板" 采用三维安装方法" 使电子元器件得

以高密度安装" 较大规模缩小系统的占有空间$而利用

新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管" 将

使数控操作系统进一步小型化$这样可以方便地将它安

装在机床设备上" 更便于对数控机床的操作使用$

&"结语

数控机床是当代机械制造业的主流装备" 是市场热

门商品" 部分高档数控机床仍然被当成战略物资在国际

市场上受到禁运与限制$我国数控机床的发展经历了&#

年的跌宕起伏" 已经由成长期进入成熟期$

某些至今仍受到禁运的数控五轴联动产品技术" 我

国都已陆续掌握" 如数控五轴联动的重型落地镗铣床#

龙门式铣镗床#加工中心等" 十年来已一一推向市场$

J^3B"#!#展会上" 展出了五轴联动机床(#多台" 包括

航空航天#造船#冶矿工业用的重型龙门移动式及各种

类型数控五轴联动镗铣床和加工中心$

今后我国要加速发展数控机床产业" 既要深入总结

过往的经验教训" 切实改善存在的问题" 又要认真学习

国外的先进经验" 沿正确的道路前进$必须狠抓根本"

坚持’以人为本("加速提高人员素质#培养各种专家

人才" 从根本上改变目前低效#落后的状态$重视培

才#选才#用才" 建立学习型企业" 树立企业文化" 加

速培育新人" 培训在职人员" 建立师徒相传制度" 举办

各种技术讲座#训练班和专题讨论会" 甚至聘请外国专

家#顾问等" 尽力提高数控的技术水平$

国内外数控系统发展概况随着计算机技术的高速

发展, 传统的制造业开始了根本性变革, 各工业发达国

家投入巨资, 对现代制造技术进行研究开发, 提出了全

新的制造模式。在现代制造系统中, 数控技术是关键

技术, 它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动

控制等高新技术于一体, 具有高精度、高效率、柔性自

动化等特点, 对制造业实现柔性自动化、集成化、智能

化起着举足轻重的作用。

1 数控技术发展趋势

# 性能发展方向。高速高精高效化速度、精度和

效率是机械制造技术的关键性能指标。∃ 柔性化。包

含两方面: 数控系统本身的柔性, 数控系统采用模块化

设计, 功能覆盖面大, 可裁剪性强, 便于满足不同用户

的需求; 群控系统的柔性, 同一群控系统能依据不同生

产流程的要求, 使物料流和信息流自动进行动态调整,

从而最大限度地发挥群控系统的效能。% 工艺复合性

和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合

加工, 正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机

床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,

通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施, 完成多

工序、多表面的复合加工。数控技术轴, 西门子880系

统控制轴数可达24轴。&实时智能化。早期的实时

系统通常针对相对简单的理想环境, 其作用是如何调

度任务, 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能

则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技

术发展到今天, 实时系统和人工智能相互结合, 人工智

能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展, 而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展, 由

此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领

域, 实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支

发展: 自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控

制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编

程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具

自动管理及补偿等自适应调节系统, 在高速加工时的

综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈

功能, 在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控

制, 使数控系统的控制性能大大提高, 从而达到最佳控

制的目的。

我国数控机床发展方向

从20世纪80年代起，我国数控机床制造业的发展虽然有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注，已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品与技术，仍有较大差距，大部分处于技术跟踪阶段。 基于目前世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。笔者认为我国数控机床在未来应朝着以下几个方向发展：

（1）高速度、高精度化

速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电动机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式、目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。

（2）多功能化

配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工、数控系统由于采用了多CPU 结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。

（3）智能化

现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度值，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求、为实现更高的故障诊断要求，趋势是采用人工智能专家诊断系统。

（4）数控编程自动化

随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM 图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。利用CAD 绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC 加工程序，以实现CAD 与CAM 集成、随着CIMS 技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式，与CAD/CAM 系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP 数据库获得。

（5）可靠性最大化

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标. 数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关、还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警、利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。

（6）控制系统小型化

数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。