数控机床技术的现状与发展趋势
[摘要] 数控技术和数控装备是各个国家工业现代化的重要基础。我国数控技术与世界先进国家相比还有一定的差距，因此了解数控技术国内外的发展状况对我国数控领域的发展有非常重要的意义。
[关键词] 数控技术 软件伺服 发展方向
数控技术(简称nc即numerical contro1)应用于生产中已有二十多年的历史了，它使传统的制造业发生了质的变化，尤其是近年来．微电子技术和计算机技术的发展给nc技术带来了新的活力。数控机床是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。因此世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。
一、数控技术和数控设备国内外发展现状
1.开放结构的发展
数控技术从发明到现在，已有近60年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模pc数控，小型计算机数控，微处理器pc数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的cnc数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。
经过几十年的数控技术的不断革新，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计
师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前比较典型的数控系统有：日本fanuc，mitsubishi；德国siemens、heidenhain；西班牙fagor等。我国的有：华中数控、航天数控等。
2.软件伺服驱动技术
伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：(1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。(3)通过参数对设定，调整减少。(4)容易做成asic(application specific intergrated circuit)电路。70年代，美国gattys公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；(2)换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术的发展，1971年，德国西门子的blaschke发明了交流异步机的矢量控制法；1980年，以德国人leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制研究中取得进展，使矢量控制实用化。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是dsp(digital signal process)的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。
3.cnc系统的连网
数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元控制级。一般由dnc(day-night capability)功能进行控制。通过dnc功能形成网络可以实现对零件程序的上传：读、写cnc的数据；plc数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的dnc还可以对cad／cam/capp以及cnc的程序进行传送和分级管理。
二、数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：
1.开放式
为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。
2.基于pc的第六代方向
pc控制系统具有开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用pc机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。pc机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控
系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
3.高速化、高效化
机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。近几年，随着超高速切削机理、超硬耐磨刀具材料，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。
4.高精度化
精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。
5.高可靠性
数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率p(t)＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间mtbf就必须大于3000小时。
我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗。
参考文献：
[1] 关美华 数控技术:原理及现代控制系统 西南交通大学出版社. 2004.5.
[2] 邵俊鹏.董玉红 机床数控技术. 哈尔滨工业大学出版社.2005. 1.
[3] 韩江.现代数控机床技术及应用 .合肥工业大学出版社.2005. 8.
[4] 郑晓峰 数控技术及应用第2版 机械工业出版社.2008.3.
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