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数控技术及其装备发展的趋势


毕 业 论 文

数控技术及其装备发展的趋势

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数控技术及其装备发展的趋势
摘要: 简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术 发展和产业化的现状,在此基础上讨论了在我国加入 WTO 和对外开放进一步 深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和 国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术 及装备的几点看法。
关键词:技术 装备 趋势

CNC technology and its development trend of equipment
Abstract: In today's world of CNC technology and equipment development trends and China's numerical control equipment and technology development and industrialization of the status quo, on the basis of discussion in China's accession to the WTO and opening up to further deepen the new environment, the development of numerical control technology and equipment to raise the level of information on China's manufacturing capacity and international competitiveness of the importance of strategy and tactics from the two levels of the development of numerical control technology and equipment of a few observations.

Keywords: technology and equipment trends

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引言………………………………………………………………………01 第 1 章国内外数控技术发展状况………………………………………02 1.1 国外数控技术发展状况……………………………………………02 1.2 国内数控技术发展状况……………………………………………02 第 2 章数控技术的发展趋势……………………………………………05 2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势……………………………05 2.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展…………………………06 2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势…06 2.4 重视新技术标准、规范的建立……………………………………07 2.5 工艺复合性和多轴化………………………………………………08 2.6 功能发展方向………………………………………………………08 2.7 体系结构的发展……………………………………………………09 第 3 章对我国数控技术及其产业发展的基本估计……………………11 第 4 章对我国数控技术和产业化发展的战略思考……………………13 4.1 战略考虑……………………………………………………………13 4.2 发展策略……………………………………………………………13 结束语……………………………………………………………………14 参考文献…………………………………………………………………15

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引言
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控 技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产 业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经 济时代的区别,不在于生产什么,而在于怎样生产,用什么劳动资料生产”。制造技术和 装备就是人类生产活动的最基本的生产资料,而数控技术又是当今先进制造技术和装备最 核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平,提高对动 态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各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,不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业,而且在“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。总之,大力发展以数控技术为 核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重 要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,数控装备是以数控技 术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,即所谓的 数字化装备,其技术范围覆盖很多领域: (1)机械制造技术; (2)信息处理、加工、传输 技术; (3)自动控制技术; (4)伺服驱动技术;5)传感器技术; (6)软件技术等。

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第 1 章 国内外数控技术发展状况
1.1 国外数控技术发展状况 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业, 所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改 90 组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从 90 年代初开始已出现明显的回升, 在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受 3 个月以 后的订货合同,生产任务饱满。 20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用, 计算机及控制技术在机械 制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952 年美国第 1 台数 控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括:车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、 电加工以及各类专机,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有 10~20 万台, 产值上百亿美元。 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业, 所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改 90 组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从 90 年代初开始已出现明显的回升, 在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受 3 个月以 后的订货合同,生产任务饱满。 1.2 国内数控技术发展状况 我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现 向数控化产品的转型。但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在 90 年代初期面临 国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能 力降到 50%,库存超过 4 个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场, 加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设 备生产起到了很大的促进作用,尤其是在 1999 年以后,国家向国防工业及关键民用工业 部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年 8 月份的上海数控机 床展览会和 2001 年 4 月北京国际机床展览会上,也可以看到多品种产品的繁荣景象。但 也反映了下列问题: (1)低技术水平的产品竞争激烈,互相靠压价促销; (2)高技术水平、 全功能产品主要靠进口; (3) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口; (4) 应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用; (5) 自行开发能力较差,相对有较 高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
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当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我 国是全世界机床拥有量最多的国家(近 300 万台) ,但我们的机床数控化率仅达到 1.9% 左右,这与西方工业国家一般能达到 20%的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近 10 倍于我国的制造能力。数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国 21 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床 3000~4000 台, 日本 1 年产 5 万多台数控机床,每年我们花十几亿美元进口 7000~9000 台数控机床,即 使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。 因此, 国家计委、 经贸委从 “八 五”“九五”就提出数控化改造的方针,在“九五”期间,我协会也曾做过调研。当时提 、 出数控化改造的设备可达 8~10 万台,需投入 80~100 亿资金,但得到的经济效益将是投 入的 5~10 倍以上。因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现,甚至还有美国 公司加入。 “十五”刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入 6.8 亿元,用 于对 1.2~1.8 万台机床的数控化改造。 数控技术经过 50 年的 2 个阶段和 6 代的发展: 第 1 阶段:硬件数控(NC) 第 1 代:1952 年的电子管 第 2 代:1959 年晶体管分离 元件 第 3 代:1965 年的小规模集成电路 第 2 阶段:软件数控(CNC) 第 4 代:1970 年的小型计算机 ;第 5 代:1974 年的 微处理器 ;第 6 代:1990 年基于个人 PC 机(PC-BASEO) 第 6 代的系统优点主要有: (1) 元器件集成度高,可靠性好,性能高,可靠性已可 达到 5 万小时以上; (2) 基于 PC 平台,技术进步快,升级换代容易; (3) 提供了开放 式基础,可供利用的软、硬件资源丰富,使数控功能扩展到很宽的领域(如 CAD、CAM、 CAPP,连接网卡、声卡、打印机、摄影机等)(4) 对数控系统生产厂来说,提供了优 ; 良的开发环境,简化了硬件。 目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本 FANUC 公司,1 年生产 5 万套以上系统, 占世界市场约 40%左右,其次是德国的西门子公司约占 15%以上,再次是德海德汉尔, 西班牙发格,意大利菲地亚,法国的 NUM,日本的三菱、安川。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、 沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等,国产数控生产厂家规模都较小,年产都 还没有超过 300~400 套。 近 10 年数控机床为适应加工技术发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。 (1) 高速化 由于高速加工技术普及,机床普遍提高各方面速度,车床主轴转速
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由 3000~4000r/min 提高到 8000~10000r/min, 铣床和加工中心主轴转速由 4000~8000r /min 提高到 12000r/min、 24000r/min、 40000r/min 以上?快速移动速度由过去的 10~ 20m/min 提高到 48m/min、60m/min、80m/min、120m/min 在提高速度的同时要求 提高运动部件起动的加速度,其已由过去一般机床的 0.5G(重力加速度)提高到 1.5~ 2G,最高可达 15G,直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。 (2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 0. 01~0. 02mm 提高到 0. 008mm

左右,亚微米级机床达到 0.0005mm 左右,纳米级机床达到 0.005~0.01μm,最小分 辨率为 1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到 1μ 的圆度,插补前多程序段预读,大大提高插补质量,并可进行自动拐角处理等。 (3) 复合加工、新结构机床大量出现 如 5 轴 5 面体复合加工机床,5 轴 5 联动

加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构,包括 6 轴虚拟轴机床,串并联铰链机床 等。采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。 (4) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼” 。如内冷钻头由于使高 压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑,在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度 能达 1000m/min,加工铝件能达 5000m/min。 (5) 数控机床的开放性和联网管理,已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高 数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方 法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术 都在数控机床基础上发展起来,这必然成为 21 世纪制造业发展的一个主要潮流。

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第 2 章 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,因为这些行业所需装备的数字化已 是现代发展的大趋势。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[1~4] 。

2.1

高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高

产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列 为 5 大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为 21 世纪的中心研究方 向之一。 在轿车工业领域,年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆,而且多品种加工是轿车装备 必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚 度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、 壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件 来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠 性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min,甚至更高,空运 行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已 经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min,快速为 100m/min,加速度达 2g,主轴转速已 达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件,只用 30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h,在普通铣床加工需 8h;德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面, 10 年来, 近 普通级数控机床的加工精度已由 10μm 提高到 5μm, 精密级加工中心则从 3~5μm,提高到 1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米 级(0.01μm)。 在可靠性方面,国外数控装置的 MTBF 值已达 6 000h 以上,伺服系统的 MTBF 值
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达到 30000h 以上,表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展, 应用领域进一步扩大。

2.2

五轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁 度高,而且效率也大幅度提高。一般认为,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。 但过去因 5 轴联动数控系统、 主机结构复杂等原因, 其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了 5 轴联动机床的 发展。 当前由于电主轴的出现,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制 造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联 动机床和复合加工机床(含 5 面加工机床)的发展。 在 EMO2001 展会上,新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头,可实现 4 个垂 直平面的加工和任意角度的加工,使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现,还可 实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心,可在一次 装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工,可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。

2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的 各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参 数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应 运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智 能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统 的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多 国家对开放式数控系统进行研究, 如美国的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control) 、 欧 共 体 的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller),中国的 ONC(Open
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Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式 数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过 改变、增加或剪裁结构对象(数控功能) ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和 技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有 鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行 平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将 极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏 捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司 都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在 EMO2001 展中,日本山崎马扎克(Mazak) 公司展出的 “CyberProduction Center” (智能生产控制中心, 简称 CPC); 日本大隈 (Okuma) 机床公司展出“IT plaza” (信息技术广场,简称 IT 广场);德国西门子(Siemens)公司展出 的 Open Manufacturing Environment(开放制造环境,简称 OME)等,反映了数控机床加 工向网络化方向发展的趋势。

2.4 重视新技术标准、规范的建立

2.4.1 关于数控系统设计开发规范 如前所述,开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,美国、欧共 体和日本等国纷纷实施战略发展计划,并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、 OSACA、OSEC)的研究和制定,世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计 划和规范的制定,预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始进 行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。

2.4.2 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。 数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都 是基于 ISO6983 标准,即采用 G,M 代码描述如何(how)加工,其本质特征是面向加工 过程,显然,他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此,国际上正在研究 和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一种不依赖于具体 系统的中性机制, 能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型, 从而实现整个制造过程,
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乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命,对于数控技术的发展乃至整个制 造业, 将产生深远的影响。 首先, STEP-NC 提出一种崭新的制造理念, 传统的制造理念中, NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下,NC 程序可以分散在互联网上,这正 是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次,STEP-NC 数控系统还可大大减少加工图纸 (约 75%) 、加工程序编制时间(约 35%)和加工时间(约 50%) 。 目前,欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究,欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计划 (1999.1.1~2001.12.31)。 参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发 者,他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model),其目标是用统一 的规范描述所有加工过程。 目前这种新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、 FIDIA 以 及欧洲 OSACA-NC 数控系统的原型样机上进行了验证。

2.5 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。 2.6 功能发展方向 (1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对 界面的要求不同,因而开发用户界面的工作量极大,用户界面成为计算机软件研制中最困 难的部分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界 面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用,人们可以通过窗口和 菜单进行操作,便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形 动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据,使信息交流不 再局限于用文字和语言表达,而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术 与虚拟环境技术相结合,进一步拓宽了应用领域,如无图纸设计、虚拟样机技术等,这对 缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域,可视 化技术可用于 CAD/CAM,如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的
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动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭 圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补(非均 匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、 垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补 偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块,可直接用梯形图或高级语言 编程,具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC 用 户程序实例,用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改,从而方便地建立自己的应 用程序。 (5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综 合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域,应用多媒体技术可以做到 信息处理综合化、智能化,在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监 测等方面有着重大的应用价值。

2.7 体系结构的发展 (1)集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、EPLD、 CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术,可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、 功耗低、便于携带等优点,可实现超大尺寸显示,成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术,是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体。 通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格,改进性能,减小组件尺寸, 提高系统的可靠性。 (2)模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求, 将基本模块,如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,作成标准 的系列化产品, 通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减, 构成不同档次的数控系统。 (3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网,可在任何一台机 床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床 的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入
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式体系结构,便于裁剪、扩展和升级,可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控 系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出 的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程,包含诸如加工 尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素,因此,要实现加工过程的多目 标优化,必须采用多变量的闭环控制,在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过 程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式, 易于将计算机实时智能技术、 网络技术、 多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态 仿真等高新技术融于一体,构成严密的制造过程闭环控制体系,从而实现集成化、智能化、 网络化。 (5)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

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第 3 章 对我国数控技术及其产业发展的基本估计

我国数控技术起步于 1958 年,近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段:第一阶段 从 1958 年到 1979 年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础 条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”“七五”期间以及 、 “八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于 改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开 发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和 “九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段,我国国产数控装备 的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达 50%, 配国产数控系统(普及型)也达到了 10%。 纵观我国数控技术近 50 年的发展历程,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关,总体来看 取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础,基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了 从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术,其中大部分技术已具备 进行商品化开发的基础,部分技术已商品化、产业化。 b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上,建立了诸如 华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一 批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产 厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步,但我们也要清醒地认识 到,我国高端数控技术的研究开发,尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需 求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快,但横向比(与国外对比)不仅技 术水平有差距,在某些方面发展速度也有差距,即一些高精尖的数控装备的技术水平差距 有扩大趋势。从国际上来看,对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 a.技术水平上,与国外先进水平大约落后 10~15 年,在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上,市场占有率低,品种覆盖率小,还没有形成规模生产;功能部件 专业化生产水平及成套能力较低;外观质量相对差;可靠性不高,商品化程度不足;国产 数控系统尚未建立自己的品牌效应,用户信心不足。
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c.可持续发展的能力上,对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱;数控技 术应用领域拓展力度不强;相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足;对市 场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足;对我国数控技术应用水平及能力 分析不够。 b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多,从系统的、产业链的角 度综合考虑数控产业化问题的时候少;没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、 服务网络等支撑体系。 c.机制方面。不良机制造成人才流失,又制约了技术及技术路线创新、产品创新, 且制约了规划的有效实施,往往规划理想,实施困难。 d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强,核心技术的工程化能力不强。机 床标准落后,水平较低,数控系统新标准研究不够。

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第 4 章 对我国数控技术和产业化发展的战略思考

4.1 战略考虑 我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,即要掌握 先进制造核心技术,否则在新一轮国际产业结构调整中,我国制造业将进一步“空芯” 。 我们以资源、环境、市场为代价,交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工 中心”和“组装中心” ,而非掌握核心技术的制造中心的地位,这样将会严重影响我国现 代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题,首先从社会安全看, 因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还 可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数 控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制, “东芝事件”和“考克斯报告” 就是最好的例证。

4.2 发展策略 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,以 提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术 作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机(如量大面广的数控车床、 铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业 的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和 新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有 规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模中国的数控装备最终难以有 出头之日。 在高精尖装备研发方面,要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合,以“做得出、 用得上、卖得掉”为目标,按国家意志实施攻关,以解决国家之急需。 在竞争前数控技术方面, 强调创新, 强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品, 为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。

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结束语
数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石,是保证国防工业和高技术产业发展额 战略物质,工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前,国产高档数控系统的发展及产业 化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制,在航空航天,船舶,发电设备,轨道 交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口,已严重威胁到国民经济建设和 国防安全,加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。

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参考文献
[1] 18-20. [2] [3] 13-17. [4] 中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001 巡礼[J].世界制造技术与装备市场,2001(3): 梁训王宣 ,周延佑.机床技术发展的新动向[J].世界制造技术与装备市场,2001(3):21-28. 中国机床工具工业协会 数控系统分会.CIMT2001 巡礼[J].世界制造技术与装备市场,2001(5): 杨学桐,李冬茹,何文立,等?距世纪数控机床技术发展战略研究[M].北京:国家机械工业

局,2000.

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