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0 引言
數(shù)控技術(shù)簡稱CNC，它是利用計算機及數(shù)字化技術(shù)控制機床，實現(xiàn)自動加工過程的先進制造技術(shù)。數(shù)控機床可以加工復雜零件，而且精度高、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、降低工人勞動強度。數(shù)控技術(shù)現(xiàn)已普及，并且有廣闊的發(fā)展前景。
數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制的技術(shù)。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。19世紀末，以紙為數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1908年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世；1938年，香農(nóng)在美國麻省理工學院進行了數(shù)據(jù)快速運算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計算機，包括計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎。數(shù)控技術(shù)是與機床控制密切結(jié)合發(fā)展起來的。1952年，第一臺數(shù)控機床問世，成為世界機械工業(yè)史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發(fā)展。
現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計算機數(shù)控技術(shù)，目前它是采用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設備的控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現(xiàn)，均可通過計算機軟件來完成。
1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些鶯要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：
1.1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、品質(zhì)是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先進技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40 s／輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精度和高柔性的要求。
從EM02001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80 m／rain，甚至更高，空運行速度可達100 m／rain左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60 m／min，快速為100 m／min，加速度達2 g，主軸轉(zhuǎn)速已達60 000 r／min。加工一薄壁飛機零件，只用30 min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3 h，在普通銑床加工需8 h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*1 000 r／min和1 g。
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5 μm，精密級加工中心則從3~5 μm，提高到1~1.5 μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000 h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30 000 h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電動機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。
1.2 五軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅粗糙度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床(含5面加工機床)的發(fā)展。
在EM02001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和五軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD／CAM直接或間接控制。
1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工品質(zhì)方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。
網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。
2 我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的概況
2.1 近50年我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程
特別是經(jīng)過四個5年計劃的攻關，總體來看取得了以下成績：
a)奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
b)初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關成果和部分技術(shù)商品化的基礎上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
c)建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。
2.2 我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比(與國外對比)不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。
a)技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后1O～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
b)產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀品質(zhì)相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。
c)可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應用領域拓展力度不強；相關標準規(guī)范的研究、制定滯后。
2.3 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面
a)認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足；對市場的小規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應用水平及能力分析不夠。
b)體系方面。從技術(shù)的角度關注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高品質(zhì)的配套體系、完善的培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系。
c)機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。
d)技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
3 數(shù)控技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀
隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎上，CAD／CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
4 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
4.1 戰(zhàn)略考慮分析
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。
應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的�；钏剑疫�可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我困實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。
4.2 發(fā)展策略分析
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強調(diào)市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、鶯點行業(yè)關鍵設備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。
在數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我因數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。
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