1　國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向

　找準適合我國國情的數(shù)控發(fā)展方向，確立可行的發(fā)展道路，是通過科技創(chuàng)新發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控的關(guān)鍵。

　　1.1　數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的主要形式與發(fā)展前途

　　從宏觀上看數(shù)控系統(tǒng)可分為專用計算機數(shù)控系統(tǒng)和通用計算機數(shù)控系統(tǒng)兩大類。目前國內(nèi)外眾多廠商普遍看好的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向是通用計算機數(shù)控系統(tǒng)。在通用機數(shù)控中最成功的當(dāng)屬PC數(shù)控系統(tǒng)。

　　由于PC機(包括工業(yè)PC)產(chǎn)量大、價格便宜，技術(shù)進步和性能提高很快，且可*性高(工業(yè)PC主機的MIBF已達30年［1］)。因此，以其作為數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領(lǐng)域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯(lián)網(wǎng)通訊等。

　　目前，PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式：

　　(1)專用數(shù)控加PC前端的復(fù)合式結(jié)構(gòu)　這類系統(tǒng)的設(shè)計思想是將通用PC和專用NC通過高速信息交換通道連接到一起組成一復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是可以保持原有數(shù)控基礎(chǔ)，發(fā)揮廠家在以硬件專用芯片實現(xiàn)特殊控制功能等方面的優(yōu)勢，且技術(shù)上容易保密，因此多為一些老的數(shù)控廠商或?qū)嵙^強的廠家所采用。這類系統(tǒng)的最大缺點是開放性有限、開發(fā)和生產(chǎn)成本較高，技術(shù)升級換代較慢?？梢灶A(yù)計，在我國現(xiàn)有條件下，此類系統(tǒng)不會有大的發(fā)展。

　　(2)通用PC加實時控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)　其設(shè)計思想是利用PC機作為數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺，在其標(biāo)準總線上直接連接實時控制單元(將實時控制板卡插入總線插槽中)而組成完整的數(shù)控系統(tǒng)。其中，PC機主要完成數(shù)控系統(tǒng)中上層一些實時性不是很強的任務(wù)并對全系統(tǒng)的運行進行協(xié)調(diào)和管理，而實時控制單元則完成數(shù)控下層的高實時性控制任務(wù)。實時控制單元可以是帶軌跡插補計算、位置控制、開關(guān)量控制(PLC)等的完整的CNC單元，也可以是僅具有位置控制功能的簡單位控卡或與數(shù)字式伺服接口的數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換卡。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)開放性、成本相對較低，因此得到了國內(nèi)外許多廠商，特別是中小廠家的廣泛采用。但這類系統(tǒng)也存在一些缺點。最突出的就是實時控制單元與伺服驅(qū)動單元間的信息交換問題。目前，將實時控制信息送往伺服驅(qū)動單元的方法主要有兩種：一種是通過模擬量形式進行，主要問題是難以消除零飄、溫飄對精度的影響，容易受外部干擾。另一種是通過脈沖量形式進行，主要缺點是實時控制單元與伺服驅(qū)動單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈沖信號，一旦丟失脈沖或引入了干擾脈沖，難以進行查錯糾錯，不易保證信息的高可*性。
　　（3)數(shù)字化分布式結(jié)構(gòu)　其方案是將由DSP等組成的數(shù)字式伺服通過以光纜等為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)與PC數(shù)控裝置連接起來，組成一完整的數(shù)控系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)采用分布式計算和控制，并通過具有高可*性和高實時性的網(wǎng)絡(luò)進行通訊和協(xié)調(diào)，因而可以最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的能力，使整個數(shù)控系統(tǒng)具有很好的性能。但是，這種系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)成本很高，沒有較大的投資很難上馬。

　　綜上所述，本文認為以上三種結(jié)構(gòu)均不是符合中國國情的最好方案。

　　1.2　符合中國國情的PC數(shù)控的發(fā)展道路

　　幾十年的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，可靠性好壞是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)生死存亡的關(guān)鍵。我們在開發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)時，優(yōu)先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ等)作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控的所有功能。這樣，可大幅度減小系統(tǒng)硬件的規(guī)模。此外，還應(yīng)在軟件設(shè)計、電源設(shè)計、接插件設(shè)計與選用、接地與屏蔽設(shè)計和施工等采用強抗擾高可*性設(shè)計與制造技術(shù)，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。

　　在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能(如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等)和開關(guān)量控制功能(內(nèi)裝PLC)，而且還可以完成伺服控制功能。這樣，以前由DSP完成的數(shù)字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成，從而實現(xiàn)內(nèi)裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數(shù)控部分的硬件規(guī)模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規(guī)模。

　　這種具有內(nèi)裝PLC和內(nèi)裝伺服控制的全軟件化集成式數(shù)控系統(tǒng)，其硬件規(guī)模將達到最小化，整個數(shù)控系統(tǒng)除一個PC平臺外，剩下的只有驅(qū)動機床運動的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統(tǒng)可*性，又提高了系統(tǒng)性能，同時還可顯著降低系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)(包括電動機)售價可降至現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數(shù)控系統(tǒng)將具有極強的競爭力，有望為開創(chuàng)中國數(shù)控的新局面作出貢獻。

　　此外，集成化PC數(shù)控系統(tǒng)還有一大優(yōu)點，就是容易實現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)。這是因為，這種系統(tǒng)的硬件本身已經(jīng)是完全開放的，構(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)的工作完全在軟件上，只要制定好標(biāo)準和協(xié)議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關(guān)量控制到伺服控制都可以實現(xiàn)開放，從而可大大方便用戶的使用。

　　2　數(shù)控驅(qū)動技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展途徑

　　伺服驅(qū)動裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，目前我國在數(shù)控驅(qū)動技術(shù)與產(chǎn)品方面還是一個弱項，因而造成許多國產(chǎn)數(shù)控裝置配的是國外的伺服系統(tǒng)。因此，今后我們必須通過科技創(chuàng)新大力發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控驅(qū)動單元并促進其專業(yè)化生產(chǎn)。其主要之點包括以下幾方面：

　　(1)廉價的高性能伺服系統(tǒng)　目前，一套進給交流伺服系統(tǒng)(驅(qū)動器+電動機)的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統(tǒng)的價格高達數(shù)萬元，已成為降低國產(chǎn)數(shù)控機床成本的一大障礙。因此，應(yīng)配合新型集成化國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，大力開發(fā)廉價的高性能內(nèi)裝式伺服系統(tǒng)。由于內(nèi)裝式伺服的硬件部分只有電動機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優(yōu)勢，通過專業(yè)化生產(chǎn)可以把電動機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜。因此將內(nèi)裝式進給伺服的價格控制在數(shù)千元以內(nèi)，將內(nèi)裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內(nèi)，將是完全可能的。

　　(2)直線交流伺服系統(tǒng)　直線交流伺服系統(tǒng)是下一世紀數(shù)控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產(chǎn)品，因此應(yīng)加強研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用?？紤]到常規(guī)機床的防磁問題較難解決，而并聯(lián)機床的防磁相對容易，因此可為常規(guī)結(jié)構(gòu)機床開發(fā)感應(yīng)異步型直線電動機，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床開發(fā)永磁同步型直線電動機，從而揚長避短，構(gòu)成符合實際應(yīng)用要求的新型高速高精度進給系統(tǒng)。

　　(3)新型永磁主軸電動機和電主軸單元　目前主軸驅(qū)動電動機和電主軸產(chǎn)品幾乎都為感應(yīng)異步型，存在以下突出問題①轉(zhuǎn)子上存在繞組(鼠籠)，有大電流流過，因此轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉(zhuǎn)矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求；③效率和功率因素低，不僅電動機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多；④控制系統(tǒng)復(fù)雜、成本高。

　　因此，利用我國稀土永磁材料的優(yōu)勢，開發(fā)永磁同步交流主軸電動機和新型大功率、高效率、寬調(diào)速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決主軸驅(qū)動中存在的問題，形成具有中國特色的新一代主軸驅(qū)動產(chǎn)品。

　　(4)數(shù)控轉(zhuǎn)臺與擺頭的零傳動驅(qū)動系統(tǒng)　數(shù)控轉(zhuǎn)臺與擺頭是多坐標(biāo)數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉(zhuǎn)臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度。因此必須另辟蹊徑開發(fā)數(shù)控轉(zhuǎn)臺和擺頭的新型電磁驅(qū)動系統(tǒng)，以實現(xiàn)數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)運動坐標(biāo)的零傳動(無機械傳動鏈)驅(qū)動，加速促進我國高速高精度多坐標(biāo)數(shù)控機床的發(fā)展。

　　(5)高速高精度檢測裝置　高速高精度是下世紀數(shù)控機床發(fā)展的主題，這不但需要高性能的控制和驅(qū)動，同時還需要高品質(zhì)的檢測環(huán)節(jié)，因此應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)0.1μm以上精度的高速(60m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器，此類技術(shù)國外對我國是進行封鎖的。

　　3　加強數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)支持的新思路

　　國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)進入市場后，能否牢固地站穩(wěn)腳跟，在競爭中立于不敗之地，關(guān)鍵的一條還取決于我們能否做好技術(shù)支持與服務(wù)?？紤]到信息技術(shù)的發(fā)展，可以新的思路來抓好此項工作。

　　(1)加強用戶技術(shù)培訓(xùn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用得好壞，很大程度上與使用者的水平有關(guān)。因此，在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中必須十分注意對用戶使用人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。此項工作除可通過常規(guī)途徑進行外，還可利用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新手段與常規(guī)方法相結(jié)合進行，從而實現(xiàn)大規(guī)模、高效率、低成本的培訓(xùn)。在當(dāng)前信息技術(shù)很發(fā)達的環(huán)境下，還可充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，特別是internet，進行遠程培訓(xùn)。

　　(2)做好編程服務(wù)　用戶使用數(shù)控機床中一個比較突出的問題就是零件編程。目前，許多用戶(特別是新用戶)都缺乏有經(jīng)驗的編程人員，從而影響了數(shù)控機床的應(yīng)用。為解決此問題，可利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行遠程編程服務(wù)。其具體做法是，由數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床制造廠設(shè)立網(wǎng)上數(shù)控編程中心。當(dāng)用戶遇到自己不能解決的編程問題時，可通過互聯(lián)網(wǎng)將問題提交給網(wǎng)上編程中心，由該中心中有經(jīng)驗的編程人員為用戶編好程序，并經(jīng)仿真無問題后，再通過網(wǎng)絡(luò)將程序傳到用戶的數(shù)控系統(tǒng)上，用戶馬上就可以進行加工。從而消除了用戶使用數(shù)控機床的后顧之憂。

　　(3)建立遠程診斷、維修中心　利用網(wǎng)絡(luò)還可對用戶數(shù)控系統(tǒng)的故障進行遠程診斷。實施辦法是，由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家建立網(wǎng)上維修服務(wù)中心。當(dāng)用戶的系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可將其與網(wǎng)絡(luò)連接起來，網(wǎng)上維修服務(wù)中心即可通過向系統(tǒng)發(fā)出診斷信息并接收其響應(yīng)，然后通過中心的診斷軟件對信息進行分析，從而找出問題的原因，并予以自動排除或指導(dǎo)用戶進行排除。

　　(4)搞好網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)支持　建立于PC平臺上的開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，特別是集成化PC數(shù)控系統(tǒng)，其所有功能均是由軟件實現(xiàn)的，當(dāng)用戶為了改變和擴充系統(tǒng)功能時，他既可利用系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)自己完成，也可以通過網(wǎng)絡(luò)將他的要求告訴數(shù)控系統(tǒng)制造廠的技術(shù)開發(fā)部門，由該部門中有經(jīng)驗的技術(shù)人員替用戶修改和增加系統(tǒng)功能，然后將修改后的系統(tǒng)程序通過網(wǎng)絡(luò)直接傳到用戶的數(shù)控系統(tǒng)中，用戶數(shù)控系統(tǒng)的功能馬上就得到了改變。這種方法是一種利用網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢的有效途徑。

　總之，從技術(shù)層面看，科技創(chuàng)新能力不強，是制約我國數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。因此，確立科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，依靠科技創(chuàng)新建立我國獨立、先進的技術(shù)體系，是我國數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本出路。