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    1　國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向

    找準(zhǔn)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(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在通用機(jī)數(shù)控中最成功的當(dāng)屬PC數(shù)控系統(tǒng)。

    由于PC機(jī)(包括工業(yè)PC)產(chǎn)量大、價(jià)格便宜，技術(shù)進(jìn)步和性能提高很快，且可靠性高(工業(yè)PC主機(jī)的MIBF已達(dá)30年［1］)。因此，以其作為數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價(jià)格比，而且還可充分利用通用微機(jī)已有軟硬件資源和分享計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新成果，如大容量存儲(chǔ)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(jì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)特殊控制功能等方面的優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)的廠家所采用。這類系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是開放性有限、開發(fā)和生產(chǎn)成本較高，技術(shù)升級(jí)換代較慢。可以預(yù)計(jì)，在我國現(xiàn)有條件下，此類系統(tǒng)不會(huì)有大的發(fā)展。

    (2) 通用PC加實(shí)時(shí)控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)　其設(shè)計(jì)思想是利用PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，在其標(biāo)準(zhǔn)總線上直接連接實(shí)時(shí)控制單元(將實(shí)時(shí)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(jī)主要完成數(shù)控系統(tǒng)中上層一些實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng)的任務(wù)并對(duì)全系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理，而實(shí)時(shí)控制單元?jiǎng)t完成數(shù)控下層的高實(shí)時(shí)性控制任務(wù)。實(shí)時(shí)控制單元可以是帶軌跡插補(bǔ)計(jì)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(shí)現(xiàn)開放性、成本相對(duì)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(diǎn)。最突出的就是實(shí)時(shí)控制單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元間的信息交換問題。目前，將實(shí)時(shí)控制信息送往伺服驅(qū)動(dòng)單元的方法主要有兩種：一種是通過模擬量形式進(jìn)行，主要問題是難以消除零飄、溫飄對(duì)精度的影響，容易受外部干擾。另一種是通過脈沖量形式進(jìn)行，主要缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)控制單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈沖信號(hào)，一旦丟失脈沖或引入了干擾脈沖，難以進(jìn)行查錯(cuò)糾錯(cuò)，不易保證信息的高可靠性。

    (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(jì)算和控制，并通過具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(gè)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(rèn)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(yàn)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?cè)陂_發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，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(yùn)算和控制核心，并盡量用軟件來實(shí)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(jì)、電源設(shè)計(jì)、接插件設(shè)計(jì)與選用、接地與屏蔽設(shè)計(jì)和施工等采用強(qiáng)抗擾高可靠性設(shè)計(jì)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(tái)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(bǔ)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)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(shí)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(dá)到最小化，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)除一個(gè)PC平臺(tái)外，剩下的只有驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統(tǒng)可靠性，又提高了系統(tǒng)性能，同時(shí)還可顯著降低系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)(包括電動(dòng)機(jī))售價(jià)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(qiáng)的競(jìng)爭力，有望為開創(chuàng)中國數(shù)控的新局面作出貢獻(xiàn)。

    此外，集成化PC數(shù)控系統(tǒng)還有一大優(yōu)點(diǎn)，就是容易實(shí)現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋@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(zhǔn)和協(xié)議，從信息處理、軌跡插補(bǔ)、加減速控制、開關(guān)量控制到伺服控制都可以實(shí)現(xiàn)開放，從而可大大方便用戶的使用。

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

    伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)與產(chǎn)品方面還是一個(gè)弱項(xiàng)，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(dòng)單元并促進(jìn)其專業(yè)化生產(chǎn)。其主要之點(diǎn)包括以下幾方面：

    (1) 廉價(jià)的高性能伺服系統(tǒng)　

    目前，一套進(jìn)給交流伺服系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)器+電動(dòng)機(jī))的價(jià)格一般都在萬元以上，主軸伺服系統(tǒng)的價(jià)格高達(dá)數(shù)萬元，已成為降低國產(chǎn)數(shù)控機(jī)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(jià)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(dòng)機(jī)和功率接口，充分利用我國的永磁資源優(yōu)勢(shì)，通過專業(yè)化生產(chǎn)可以把電動(dòng)機(jī)的造價(jià)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(jìn)給伺服的價(jià)格控制在數(shù)千元以內(nèi)，將內(nèi)裝式主軸伺服的價(jià)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(jì)數(shù)控機(jī)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(qiáng)研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用。考慮到常規(guī)機(jī)床的防磁問題較難解決，而并聯(lián)機(jī)床的防磁相對(duì)容易，因此可為常規(guī)結(jié)構(gòu)機(jī)床開發(fā)感應(yīng)異步型直線電動(dòng)機(jī)，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床開發(fā)永磁同步型直線電動(dòng)機(jī)，從而揚(yáng)長避短，構(gòu)成符合實(shí)際應(yīng)用要求的新型高速高精度進(jìn)給系統(tǒng)。

    (3) 新型永磁主軸電動(dòng)機(jī)和電主軸單元

    目前主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(yán)重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shì)，開發(fā)永磁同步交流主軸電動(dòng)機(jī)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(dòng)中存在的問題，形成具有中國特色的新一代主軸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

    (4) 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)與擺頭的零傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)　數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)與擺頭是多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達(dá)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(tái)和擺頭的新型電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的零傳動(dòng)(無機(jī)械傳動(dòng)鏈)驅(qū)動(dòng)，加速促進(jìn)我國高速高精度多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。

    (5) 高速高精度檢測(cè)裝置　高速高精度是下世紀(jì)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主題，這不但需要高性能的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還需要高品質(zhì)的檢測(cè)環(huán)節(jié)，因此應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)我國是進(jìn)行封鎖的。

    3 加強(qiáng)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(jìn)入市場(chǎng)后，能否牢固地站穩(wěn)腳跟，在競(jìng)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)。考慮到信息技術(shù)的發(fā)展，可以新的思路來抓好此項(xiàng)工作。

    (1) 加強(qiáng)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(duì)用戶使用人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。此項(xiàng)工作除可通過常規(guī)途徑進(jìn)行外，還可利用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新手段與常規(guī)方法相結(jié)合進(jìn)行，從而實(shí)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(dá)的環(huán)境下，還可充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，特別是internet，進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)。

    (2) 做好編程服務(wù)　用戶使用數(shù)控機(jī)床中一個(gè)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(yàn)的編程人員，從而影響了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用。為解決此問題，可利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程編程服務(wù)。其具體做法是，由數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)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(shí)，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(yàn)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(jìn)行加工。從而消除了用戶使用數(shù)控機(jī)床的后顧之憂。

    (3) 建立遠(yuǎn)程診斷、維修中心　利用網(wǎng)絡(luò)還可對(duì)用戶數(shù)控系統(tǒng)的故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。實(shí)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(shí)，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(duì)信息進(jìn)行分析，從而找出問題的原因，并予以自動(dòng)排除或指導(dǎo)用戶進(jìn)行排除。

    (4) 搞好網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)支持　建立于PC平臺(tái)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(shí)現(xiàn)的，當(dāng)用戶為了改變和擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，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(yàn)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(shì)的有效途徑。

    總之，從技術(shù)層面看，科技創(chuàng)新能力不強(qiáng)，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(dú)立、先進(jìn)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。