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国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性 |
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| 国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性 |
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作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2009-5-19 15:15:05  |
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1 数控系统发展简史
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。 它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。
半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，通过电视、现代通信等提高了人类生活的质量，还促使生产力飞速向前发展，开创了人类文明史、生产史的新纪元。信息技术的飞速发展直接导致了知识经济的到来。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
数控(NC)阶段(1952～1970年)
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC)，简称为数控(NC)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代——小规模集成电路。
计算机数控(CNC)阶段(1970年～现在)
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比50～60年代有了大幅度的提高，比专门“搭”成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的“通用”两个字省略了)。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(MICROPROCESSOR)，又可称为中央处理单元(简称CPU)。
到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床，称之为群控)，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机(个人计算机，国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段，从8位、16位发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——基于PC(国外称为PC—BASED)。
必须指出，数控系统近50年来经历了两个阶段六代的发展。只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便(主要是编程困难)等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及，也是在70年代末80年代初以后的事。即数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用的。
还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控(即CNC)了，而我国仍习惯称数控(NC)。所以我们日常讲的“数控”，实质上已是指“计算机数控”了。
2 我国数控系统技术的发展
发展过程
我国从1958年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步，进行数控系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约，未能取得较大的进展。
只有在改革开放以后，我国数控技术才逐步取得实质性的进展。经过“六五”(1981～1985年)的引进国外技术，“七五”(1986～1990年)的消化吸收和“八五”(1991～1995年)国家组织的科技攻关和正在进行的“九五”(1996～2000年)国家组织的产业化攻关，才使得我国数控系统技术有了质的飞跃。
当前凡是通过国家攻关验收和鉴定的产品(包括中国珠峰公司的中华Ⅰ型，北京航天机床数控系统集团公司的航天Ⅰ型，华中数控公司的华中Ⅰ型和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天Ⅰ型，以及它们的派生产品)，以及其它通过“国家机床质量监督检验中心”测试合格的国产系统(如南京四开电子企业有限公司的产品。以下讲的国产系统即为上述这些系统)，无论技术水平，还是可靠性，均与国外产品相差无几。由高档数控国家工程研究中心与北京凯奇数控设备成套总公司开发的高档数控系统已出口到俄罗斯80套，国产数控系统已经实现了从进口到出口的转折。
国产数控系统的优势和特点
拥有自主的知识产权，在性能和水平上已突破过去冷战时期工业发达国家对我们的封锁。
性能较高的数控系统，由于可满足国防和军工的需要，历来被视为战略物资。在过去冷战时期，三轴以及三轴以上联动的数控系统，曾先后被列为对我国禁运的物资。现在，冷战虽已过去，但仍对我国有限制。例如最近我国有几家企业欲进口五轴联动、分辨率为0.1μm的数控系统。对方答复是：要经他们政府批准，而且还不能用于军事目的，可见限制仍旧存在。凡具有这些高性能指标的产品，在“八五”攻关中均被我们攻下，不会再受到外国的限制。
在体系结构上已进入最新一代，即第六代——是基于PC的。
在发展数控技术方面，我们是后来者。在接受最新技术上，我们几乎没有任何历史包袱，因而，较快地进入了第六代。在这方面，我们与国外竞争对手处于同一条起跑线，这就给我们带来了极为难得的机遇。
第六代的优势很多，主要的有：
元器件集成度最高，可靠性好，性能高。
全世界的PC机年产量高达8000余万台，较世界轿车产量还高出一倍。这就吸引了成千上万的元器件厂、硬件厂为它开发和改进元器件，使 得集成度达到当代最高水平。同时，可靠性好，性能也高。
技术进步快、升级换代容易。
PC机市场容量大，竞争激烈，因而技术进步和性能的提高也很快。基于它的第六代数控，也就得到快速的技术进步。当PC机升级换代时，如果应用需要，数控也可相应地升级换代。
以往，数控的很多新性能是从通用计算机移植过来的，一般有5年的滞后期。到了第六代，这个滞后期就很短了。现在可以说，凡是PC机上有的新性能且数控可以用得上的，如触摸屏幕输入、声控输入、联网通讯、大容量存储等等，只要用户需要，而且愿意付出相应的费用(相对第五代数控系统是极为便宜的，因为与PC机兼容的软、硬件的生产批量比数控大得多)，数控厂就可提供。
提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰富，使数控功能相应得到扩展。
凡是在PC机上可以运行的软件，如CAD、CAM、CAPP、工厂级和车间级生产调度管理软件等，在第六代数控上均可运行；凡是在PC机上可插入的硬件模块和可接上的外部设备，如：网卡、图形加速卡、声卡和打印机、摄像机等，在第六代数控上均可插入和接上。如果插上网卡和摄像机，厂长在办公室就可看到任何一台机床的工作情况。由于所有的备品备件都可以轻易地在市场上买到，价格也便宜，也使得维护维修非常容易。
对数控系统生产厂来说，其优势在于拥有性能良好、种类繁多的开发工具和环境。例如可使用高级语言进行开发等。硬件生产也得到了简化(转向外购)。
档次全、品种多，可按用户需要开发专用的数控系统。
机床行业主管部门把数控系统分为三个档次：经济型——以步进电机驱动为特征，两轴联动控制，分辨率为0.01mm的；普及型——以三轴及三轴以下联动控制为特征，采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率为0.001mm的；高级型——以三轴以上联动控制为特征，也采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率为0.001 mm或＜0.001mm的。
国外对我国限制的是高级型。通过国家“八五”数控攻关，我国数控系统厂已可向用户提供以上这三个档次的产品。
品种多，是指对于任何一种机床的类别，如车、铣、镗 、磨、加工中心、齿轮加工、柔性组合机床、雕刻机、锻造、冲压、激光加工等，均可供应相应的国产数控系统。还可根据用户特殊需要，为其开发专用的系统。根据以往的经验，开发周期最长不超过三个月。
在可靠性方面已不低于国外产品水平。
在发展过程中，国产系统曾经在一段时间内大部分不可靠，有些用户至今仍心有余悸。这是完全可以理解的。
当今，由于以下四个因素，国产系统不可靠的情况已根本改变。
前面已提到，国产系统已进入了第六代——基于PC的，其核心部件——PC机的主机板均采购自世界名牌的工控机(“工业控制用PC机”的简称)厂。这些工厂的生产批量大，加上前述的PC机元器件集成度最高等因素，其可靠性指标MTBF(平均无故障时间)已达30余年(10年前，MTBF达到10000h就算很高了)。
核心电路板(PC主机板)外购，尚需自制一或二块电路板。由于元器件技术飞速发展，过去如果要用几十块中、小规模集成电路，现在用一块大规模或超大规模集成电路就可替代。这就使得自制电路板的可靠性也大为提高。
在不到10年的时间，电力电子器件(伺服驱动单元和主轴驱动单元要用这类器件)已向前发展了三代。不仅性能不断提高，保护功能也更为完善。这使得国产伺服和主轴驱动单元可靠性大为提高。
通过国家的投入，地处北京密云的“国家机床质量监督检验中心”(以下简称“中心”)和少数企业，已拥有良好的可靠性测试手段(电磁兼容测试，如抗静电放电、抗快速瞬变脉冲群干扰、抗浪涌冲击等)。有些国产系统经过“中心”测试发现了不足，马上进行改进，最后均达到了国际电工委员会标准中严酷度的指标。还有一些企业虽未参加国家攻关，但也主动将产品送“中心”测试，其可靠性也得到了保证。
不少企业强化了元器件筛选和质量保证体系。个别的，如北京航天机床数控系统集团公司，还通过了ISO9000质量认证。
国产系统可靠性可与国外的相媲美，已被约2000台配有新的普及型以上国产系统的机床，在全国各地可靠地运转的事实所证实。
3 机床数控化改造的必要性和迫切性
微观看改造的必要性和迫切性
从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。
由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，但凸轮制造及调整很费时。只有进行大批量生产时，才经济合理，被称为刚性自动化。而数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化。这是过去所不敢想象的重大突破，故被称为实现了“柔性自动化”。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。
这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。
最近，数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。
可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。
这是自动化带来的效果(可以自动更换刀具)。
如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镗、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，从而提高了加工精度。现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。
拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
这是在配备多种传感器条件下，计算机威力的体现。可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人条件下进行自动加工(国外称为“熄灯生产”)。工人只工作8h，而机床可工作24h。这样，机床利用率大幅度地提高。一台机床在不增加占地面积的条件下，等价于2～3台机床。国外有少数工厂不仅实现了夜间无人，周六和周日两天即48h也可实现无人加工。因此带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。
由以上五条派生的好处。
如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。
以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
宏观看改造的必要性和迫切性
从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。他们已“鸟枪换炮”了。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%。我们仍旧在用“鸟枪”去与人家的“炮”竞争，当然拼不过对手，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。
我们是发展中国家，财力有限。将普通机床改造为数控机床，可以作到花钱少，效果大。更适合我们的国情。
近10多年来，我们全国约将2万余台普通机床改造成经济型数控机床(主要是车床)。最近5年，我们又成功地用国产数控系统将普通机床改造为普及型和高级型数控机床；还用国产系统对进口的、技术老化的数控机床进行改造，使其起死回生。例如：华中数控公司把东方电机厂(国家大型发电设备制造重点企业)的10台重型机床(包括2.5m、3.4m、6.3m立车)和中型机床(包括卧式、立铣)及其他企业总共约70台的关键设备，改造为普及型和高级型数控机床。若购置一台新的数控重型机床，进口的要上千万元，国产的也要几百万元人民币，而数控化改造只需几十万元就够了。所以，经济效益极为显著。又如高档数控国家工程研究中心为沈阳黎明发动机制造公司、天津机车车辆机械厂等20余台进口数控机床进行了起死回生的改造。其他公司，如北京航天机床数控系统集团公司、中国珠峰数控公司、南京四开电子企业有限公司、北京市凯恩帝数控技术有限责任公司等均进行过这类改造。
中国机床工具工业协会已将普及型以上数控改造成功的实例，在国际互联网络(因特网)上发布了，欢迎大家上网查询。该协会的网址为：http:∥www.cmtba.org.cn。
4 数控未来发展的趋势
继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、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。日本、欧盟和美国等针对开放式的CNC，正在进行前后台标准的研究。
向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能高速度地作出反应。为能在极短的空程内达到高速度和在高行程速度下保持高的定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和伺服品质。
通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高精度。
向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。
引入故障诊断专家系统
智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。
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