数控技术的最新进展及发展趋势研究

王红军2黄民2

（1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京 1 00192；2.北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192)

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，其集微电子、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。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。

1 国内外数控技术的最新进展

1.1 数控系统

（1）开放式数控系统

目前开放式的数控系统主要有3种结构形式：

一是，“PC嵌入NC”结构的开放式CNC系统；

二是，“NC嵌入PC”结构的开放式CNC系统；

三是，软件数控系统。

其中，“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统可以充分利用Windows或Linux通用操作系统以及高级编程语言进行系统的开发。

目前，国内采用的主要方式是在Windows操作系统下采用微软的组件对象模型技术来进行开发[1]。日本大隈公司的铃木正人等对OSP-P2000开放式数控系统做了大量研究[2]；山东大学[3]对开放式数控系统的研究涉及的领域比较全面，包括体系结构、现场总线和STEP-NC等；华中科技大学[4~7]在开放式实时系统的任务调度、基于以太网的数控系统数字接口技术等方面，在基于软件芯片的开放式数控系统方面等都做了深入的研究；哈尔滨工业大学[8~9]针对我国数控技术发展的特点，利用Windows、RTX、工业PC机和Soft SERCANS通讯卡作为软件开发平台，现场总线接口采用SERCOS标准，采用层级式有限状态机模型作为系统的动态行为模型，开发了一套运动控制器软件系统。

（2）嵌入式数控系统

国外对嵌入式数控的研究非常活跃。其中，影响较大的有欧盟发起并资助的IST计划中，称为PENGUIX的研究项目。EMC2是由美国国家技术标准化组织智能系统分部发起的；德国ECKEMANN公司的嵌入式数控产品E.ENC55是一种新型的高性能独立型模块化数控系统，基于DSP和ARM微处理器硬件结构[10]。

国内也有对嵌入式数控的研究。上海交通大学[11]在基于ARM及嵌入式Linux方面做了很多研究；同济大学[12]在嵌入式平台的智能模糊控制器方面；浙江大学[13]在采用ARM-Linuxu操作系统实现控制软件设计方面都做了很多研究；华中科技大学[14]提出了一种新的数控系统参考体系结构；华南理工大学[23]提出了一种面向嵌入式数控系统设计的模型集成设计框架；西安交通大学[15]的王芳提出了一种利用外部硬件实现系统高精度定时时钟的定时方法，通过在Windows环境下编写WDM设备驱动程序来响应高精度定时时钟,实现全软件数控系统的强实时控制。

（3）STEP-NC

STEP―NC最初是由欧洲的高校和研究所开始研究的。典型的如siemens840D，前端软件为open Mind和CATIA，ISO14649与CNC的接口是通过控系统内嵌的解释器实现。该项目的研究为STEP在数控加工领域数据标准接口ISO14649的建立提供了重要的指导性意见。

山东大学[16]是我国STEP―NC相关研究最早的单位之一，目前山东大学进行的研究是基于STEP-NC的智能化数控系统开发的工作；沈阳建筑大学[17]提出了一种基于STEP-NC的数控铣削加工系统，构建了系统的结构体系，研究了在VC++6.0环境下，用SAX接口，通过检索和处理XML文件信息来建立STEP-NC铣削解释器；天津大学[18]研究开发了STEP-NC数控程序解释器，提出了基于内存的STEP-NC数控程序解释方法；哈尔滨工程大学[19]的朱晓明等为解决目前数控机床使用G代码所带来的诸多问题，提出了建立STEP-NC数控系统的方案。

（4）数控系统的网络智能控制

任清荣等人开发出了基于以太网的数控系统的原型样机[20]，提出了一种实时通信和精确时间同步算法，在通信周期不变的基础上完成了精确时间同步功能[21]，解决了以太网通信的“不确定性”及不同步问题，使之达到实时和同步的要求[22]；刘丽[23]等人提出了人机智能数控CAPP系统，着重阐述了人机智能数控CAPP系统中的数控加工工艺设计模块、人机智能化决策模块和数控加工方法模块等组成部分；光洋公司开发成功基于Windows系统的实时扩展子系统GRTK1.0，支持Windows环境下周期为50微秒的实时任务调度，以每秒钟高达20 000次高频度唤起计算机执行计算任务，任务启动时间精确度高达十万分之一秒[24]。

1.2 伺服系统

近年来，专家学者对PID参数整定做了很多的研究，主要包括：（1）PID参数自整定；（2）PID参数优化。王文强等[25]研究了以32位高速DSP为核心的伺服控制器的设计与实现；代明匣[26]研究了一种基于开放式多轴运动控制卡PMAC的伺服电机同步检测控制系统，提出了基于工控机和运动控制卡相结合的开放式控制系统；沈阳等在如何能够做到多个伺服控制器同时服务于数控系统[27]并使其联动方面，做了很多研究，设计了基于DSP+FDGA架构的伺服控制系统，在DSP和SPDA上实现了电机的矢量控制算法；刘扬等[28]设计了对称布局的一级、二级、三级乃至四级增力的由伺服电机驱动的机电及机电液一体化压力机。

华中数控股份有限公司目前已开发出具有自主知识产权的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴，并且实现批量生产，成为目前国内拥有成套核心技术自主知识产权（包扩数控系统，伺服单元和电机主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业[29]。

1.3 插补技术

目前，张辉等人[30]提出了应用三次均匀B样条插补算法实现高速数控加工要求，提出了考虑曲线曲率变化确定速度“规划单元”长度的解决方案；王永红[31]提出了一种包含插补误差和进给加速度实时监控的NURBS曲线插补算法；刘华东等人[32]提出一种适合并联机床的NURBS插补算法，在提高插补的实时性的同时，降低了运算的复杂性，提高了误差精度；赵涛等人[33]提出了基于串行实时伺服通讯协议SERCOS的分布式离线插补数控系统；杨铜等人[34]开发了一种基于Windows XP+RTX的原型PC数控软件；王芳[35]等提出用高精度定时时钟获取定时中断，编写WDM设备驱动程序使全软件数控系统的定时精度达到20μs；单东日[36]提出了基于二次代数样条差分插补的平面参数曲线数控加工方法；周丹[37]提出一种新的复杂曲线插补方法：借助Matlab工具进行曲线拟合，然后再利用数字积分法对拟合的曲线进行插补。

1.4 直线电机

德国的Bruckls.等人在同一台亚微米车床上分别装上永磁直线同步电动机和带精密滚珠丝杠的永磁同步旋转伺服电动机进行了对比实验研究；美国的Anarad主导产品就是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机；德国的Siemens公司生产的永同步直线电机最大移动速度达到200 m/min；推力达6 600 N，位移为504 mm；美国的Kollmorgen公司提供的永磁直线电机最大推力可达8 000 N，定子的长度可达1 000 mm，速度可达300 m/min；田敬[38]提出电流、速度双闭环调节器以及位置环的设计方案，研制开发了一套高性能、高精度的基于双DSP的全数字交流伺服电主轴控制系统；冯巧红[39]构建了基于MATLAB/Simulink下的永磁同步直线电机的矢量控制模型；周玉清等人[40]提出了一种基于主轴电动机电流的数控机床主轴状态监测系统，建立了主轴交流电动机转矩输出模型，搭建了主轴状态监测系统。

2 国内外数控技术的发展趋势

（1）高速度，高效率

人们在实际操作中也发现：当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，切削机理发生了变化，导致单位功率的金属切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留在工件上的切削热大幅度降低，切削温度不升反降，切削振动几乎消失，切削加工发生了本质性的飞跃，而在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦都得到了很好的解决[41]。现在美国和日本大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国这个比例高于40%。目前市场上出现的加工中心主轴转速在20 000~60 000 r/min，最高达到150 000 r/min；在x、y、z进给坐标方向的最大进给速度也提高到24~60 m/min[42]；洛阳轴研科技股份有限公司的XDJ系列系新型加工中心电主轴，采用陶瓷球轴承支承，油气润滑方式，驱动装置具有大功率驱动和1:4恒功率比弱磁调速能力，采用CANopen协议等接口协议，可与多种数控系统匹配，如：200XDJ20Q、200XDJ40Q、240XDJ06等，最高转速可达40 000 r/min[43]。奔腾楚天激光设备有限公司的PLUS 3015高速激光切割机；济南二机床集团有限公司的XHSV2525×60高架式五轴联动龙门加工中心；南通科技投资集团股份有限公司的VH1100高速立式加工中心；南京二机齿轮机床有限公司的YW5120CNC高速万能数控插齿机等是国内目前高速机床的代表。

（2）高精度

美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为SPDT技术。20世纪80年代，美国Union Carbide公司、Moore公司和美国空军兵器研究所制定了一个以形状精度为0.1 μm、直径为800 mm的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究计划——POMA计划，这是一个里程碑式的研究计划。从上个世纪50年代到2000年，机床的精度每8~10年就会提高一倍。目前机床加工的尺寸精度已经达到μm级，加工的形位精度甚至达到了亚微米级和深亚微米级。机床行业对精度的追求应该说是无止境的，如集成电路的晶片、光刻的透镜以及大型望远镜的光学镜片已经提出纳米级轮廓精度的要求，将来可能发展到魡级，达到了原子尺寸水平的精度。但是要实现那个级别的精度还是非常难的，从加工方法和测量方法的原理与技术上均要有大的突破才行。北京机床研究所的NANOTM500超精密纳米级精度车铣复合加工机床和ASPM50超精密非球面加工机床，大连机床集团的DLM12X600精密数控车床是国内机床精密的代表。

（3）高可靠、稳定性

数控机床工艺可靠性评估技术是一种对数控机床工艺可靠性进行定量化控制的必要手段之一，其主要目的是衡量数控机床是否达到预期的设计目标和使用要求，指出数控机床加工过程中的薄弱环节，为改进数控机床的设计、制造、工艺与维护等指明方向。数控系统的可靠性一直以来都是困扰国产数控技术发展的一个瓶颈，我国的一些数控系统在功能和性能上能够达到或接近国外先进的数控系统，但在系统的可靠性上却与国外产品相差甚远。日本FANUC公司声称他们的系统平均无故障时间（MTBF）达3.6~7.2万小时，而我国达到3 000小时为合格，与日本相差一个数量级。

（4）柔性化

在现实的零件加工过程中，有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上，为了尽可能减少这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，多功能机床成为近年来发展很快的机种。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。

（5）智能化、开放式、网络化

智能制造技术将人工智能融入制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中的部分脑力劳动，从而在制造过程中，系统具备自组织能力，能自动监测其运行状态，在受到外界或内部激励时能自动调整其参数，以达到最佳状态。比较突出的代表是牧野提出的一系列的振动控制技术，如高刚性机床设计技术和振动控制技术。通过实时监测加工过程中的振动，调整阻尼，吸收振动能量，控制振动；先进的伺服控制技术，伺服系统能通过自动识别切削力导致的振动，产生相反的作用力，消除振动。主轴振动控制技术，在主轴嵌入位移传感器，机床自动识别当前的切削状态，一旦切削不稳定，机床自动调整切削参数，保证加工的稳定性。

（6）多轴联动加工和快速复合加工

1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。复合加工在保持工序集中和消除（或减少）工件重新安装定位的总的发展趋势中，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。一次装夹完成多道加工程序的复合加工机床日益受到用户的青睐，如WFL车铣复合机床，具有车、镗、铣、钻和螺纹加工的能力，一次装夹即可完成飞机起落架等大型圆柱形工件的车铣复合加工，是2、4轴车削与5轴加工中心的完美结合。目前，国产的数控系统多数还不支持复合加工的功能，尽管华中8型数控系统已具备车铣复合控制的能力，但仅能实现模拟仿真功能。复合机床代表有沈阳机床（集团）有限责任公司的VTM35014g立式车铣磨复合加工中心，上海电气股份机床集团上海机床厂有限公司的H405-BE轴套类精密复合数控磨床等。

3 结束语

从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，要掌握先进制造核心技术。主要从以下几方面开展研究：

（1）以自主创新为核心，特别是高档数控机床在高速、柔性、精密机床配套技术以及机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等方面的自主研发能力，逐步掌握数控机床的核心技术。

（2）以市场需求为导向，鼓励数控相关企业发展的多元化，在满足国内数控机械加工的前提下，不断丰富数控技术和装备。

（3）高档复合机床要求技术高，对操作者的技术水平要求也高，但是往往由于其价格昂贵，难于维护等缺点，所以要坚持高档和专用并行发展，克服复合高档机床的缺点。

（4）树立行业诚信机制，以政策扶植的形式鼓励国家大型骨干企业研发销售和使用国产机床，快速发展我国的数控产业。

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