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國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

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數(shù)控加工是一門集計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、現(xiàn)代測(cè)量、微電子控制和信息化處理為一體的多學(xué)科交叉的綜合性高新技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展和極大的普及。采用數(shù)控加工技術(shù)能夠滿足多品種、大批量、高精度復(fù)雜零部件的加工與制造，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造自動(dòng)化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的重要基礎(chǔ)保證，同時(shí)也是現(xiàn)代機(jī)床裝備的靈魂和核心，具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，大力發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)和功能部件，對(duì)促進(jìn)我國(guó)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展、推進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)新”的邁進(jìn)，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1. 數(shù)控系統(tǒng)的概念

數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)位置、速度和軌跡等參數(shù)的控制，向計(jì)算機(jī)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)自動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算后得出理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加工出滿足規(guī)定要求的零部件。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床最重要的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，在確保產(chǎn)品質(zhì)量、滿足用戶使用需求中起到了至關(guān)重要的作用，是一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)智能化水平的重要標(biāo)志和具體體現(xiàn)。

數(shù)控系統(tǒng)一般采用若干微處理器通過程序化的軟件形式實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工功能，主要由輸入、處理和輸出三個(gè)基本單元構(gòu)成，而所有這些工作都由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過程序進(jìn)行集中、合理的協(xié)調(diào)與分配，使之能夠高效、安全、可靠地運(yùn)行和工作。數(shù)控機(jī)床的核心是數(shù)控系統(tǒng)，通過裝有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來滿足機(jī)床的自動(dòng)化加工，數(shù)控系統(tǒng)能夠高效地處理具有控制編碼或其他指令符號(hào)規(guī)定的邏輯程序，以代碼為載體輸入到數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理后由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制指令和信號(hào)，控制機(jī)床的規(guī)定動(dòng)作，按照產(chǎn)品圖樣要求的尺寸和形狀，自動(dòng)地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種零件的加工技術(shù)問題，是一種柔性、高效、典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，數(shù)控機(jī)床的橫空出世，作為19世紀(jì)人類文明成果的重要標(biāo)志，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的需要，推動(dòng)了工業(yè)化革命的進(jìn)程，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的前進(jìn)方向。數(shù)控系統(tǒng)集成控制原理如圖1示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)集成控制原理

2. 國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床裝備的核心部件，數(shù)控機(jī)床整機(jī)出廠時(shí)需要裝備數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)備改造、系統(tǒng)升級(jí)也需要用到數(shù)控系統(tǒng)，特別是近幾年來我國(guó)在能源、電力、航空、航天、鐵路、汽車和冶金等方向的快速發(fā)展，更是為數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)空間。

改革開放以來，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，極大的社會(huì)需求帶動(dòng)了數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，同時(shí)也應(yīng)看到，我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)尚有一定的差距，但這種差距在逐步縮小，在引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新國(guó)外先進(jìn)數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)已生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床，特別是國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，滿足了機(jī)床制造業(yè)對(duì)數(shù)控技術(shù)的配套要求，符合大多數(shù)中國(guó)用戶的實(shí)際使用水平，加之又有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，得到了廣大用戶的青睞，形成了規(guī)模化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)已占領(lǐng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)95%以上的市場(chǎng)份額。在中型數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的功能已達(dá)到或接近國(guó)外同類產(chǎn)品水平，市場(chǎng)價(jià)格和售后服務(wù)較國(guó)外產(chǎn)品仍有較大的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)占有率也在不斷攀升。高檔數(shù)控系統(tǒng)方面，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)占有份額較少，絕大部分市場(chǎng)被發(fā)那科、西門子、三菱和德馬吉等國(guó)外品牌占領(lǐng)，但值得欣慰的是，國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)已開始進(jìn)軍這一高端領(lǐng)域，其中華中數(shù)控和廣州數(shù)控的研發(fā)蓄勢(shì)待發(fā)，隨著未來通過密集性攻關(guān)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，趕超國(guó)際先進(jìn)水平指日可待。

我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)雖然取得了很大的發(fā)展，但是在高檔數(shù)控領(lǐng)域配套的數(shù)控系統(tǒng)90%以上都是國(guó)外產(chǎn)品。高檔數(shù)控系統(tǒng)是滿足國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展裝備的重要手段，是決定機(jī)床裝備性能、功能、可靠性和成本的決定性因素，在這一核心領(lǐng)域，國(guó)外對(duì)我國(guó)至今仍進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，嚴(yán)重制約了我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。為了加快我國(guó)數(shù)控技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策，包括國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興計(jì)劃》和國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”。《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興計(jì)劃》明確提出：“堅(jiān)持裝備自主化與重點(diǎn)建設(shè)工程相結(jié)合，堅(jiān)持自主開發(fā)與引進(jìn)消化吸收相結(jié)合，堅(jiān)持發(fā)展整機(jī)與提高基礎(chǔ)配套水平相結(jié)合的基本原則”，提升數(shù)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)配套件的市場(chǎng)占有率，是落實(shí)裝備自主化的重要內(nèi)容。國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”也提出，到2020年，國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率要實(shí)現(xiàn)較大程度的提高。這些舉措為我國(guó)數(shù)控技術(shù)行業(yè)創(chuàng)造了良好的外部氛圍，對(duì)于滿足我國(guó)國(guó)防工業(yè)急需的高檔數(shù)控機(jī)床開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前我國(guó)正處于工業(yè)化快速發(fā)展的成長(zhǎng)時(shí)期，其中以能源、電力、航空、航天和鐵路為龍頭的基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，構(gòu)成了對(duì)機(jī)床尤其是數(shù)控機(jī)床的巨大需求，發(fā)展功能齊全、性能可靠及技術(shù)前瞻的數(shù)控系統(tǒng)是我們的歷史性選擇。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

3. 國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)控系統(tǒng)是確保數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)先的前提和重要保證。預(yù)測(cè)未來幾年國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）向高速度、高效率方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速化加工，可以極大地提高加工效率、降低使用成本，還可為提高產(chǎn)品的表面加工質(zhì)量和精度提供有力的技術(shù)保證。

（2）向高精度方向發(fā)展。通過設(shè)置自動(dòng)間隙補(bǔ)償功能和自動(dòng)監(jiān)視、自動(dòng)補(bǔ)償伺服系統(tǒng)漂移功能，可以滿足從精密加工到超精密加工、精度等級(jí)從微米級(jí)到亞微米級(jí)乃至納米級(jí)的制造，為高精度產(chǎn)品的加工帶來福音。

（3）向高可靠性方向發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)采用大規(guī)模專用集成電路和高速微處理器，通過制造過程中的嚴(yán)格篩選和校驗(yàn)，極大地提高電路的可靠性。隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，未來數(shù)控機(jī)床的可靠性已經(jīng)成為衡量數(shù)控系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。

（4）向復(fù)合化、柔性化方向發(fā)展。為了盡可能降低機(jī)床工作時(shí)的輔助時(shí)間，滿足柔性化生產(chǎn)的需要，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此具有復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

（5）向多軸化方向發(fā)展。為滿足零件表面各種曲面的加工要求，采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床可在一次裝夾條件下實(shí)現(xiàn)零件的快速加工，顯著改善加工表面的精度等級(jí)，大幅度提高加工效率，因此開發(fā)軸數(shù)控加工設(shè)備成為適應(yīng)市場(chǎng)變化的重要手段。

（6）向開放式方向發(fā)展。開放式數(shù)控系統(tǒng)可以使用戶在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，通過改變、增加或裁剪數(shù)控功能，便捷地將用戶的特殊需求和技術(shù)訣竅集成到系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)多品種、多檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的名牌效應(yīng)。

（7）向智能化方向發(fā)展。智能加工是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工技術(shù)，通過在加工過程中模擬人工智能活動(dòng)，以解決加工過程許多不確定性的、需要由人工干預(yù)才能解決的技術(shù)問題。智能化技術(shù)涵蓋于數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)層面，它包含加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)、加工參數(shù)的智能優(yōu)化選擇、智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)、智能故障回放和故障仿真技術(shù)、智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置等。

（8）向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，可以使本身的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上游計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的連接，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程通信服務(wù)等功能鋪平道路。數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)和制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式的重要手段和必要條件。

4. 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越多，提供穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)的高檔數(shù)控裝備，構(gòu)建具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，掌握數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，滿足從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析到優(yōu)化的綜合功能要求，將有力地促進(jìn)我國(guó)數(shù)控技術(shù)的全面進(jìn)步，為企業(yè)的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整起到催化劑和孵化器的示范效應(yīng)。

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