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國內外數控系統技術研究現狀與發展趨勢

日期: 2017-09-19 大 中 小 來源:西安精雕軟件科技有限公司 北京精雕科 作者:蔡銳龍 李曉棟 錢思思

  摘要: 數控系統技術是機械制造和控制技術相結合的産物,是當今高端裝備制造業的核心技術之一。本文主要從數控機床産業角度闡述了國內外數控系統技術發展現狀,概述了主流數控系統在性能、體系架構等方面的最新研發成果,分析了數控系統技術的高速、高精度、複合化、智能化、開放性等發展趨勢,提出了提高國産數控系統技術水平的具體措施,爲我國數控系統技術的研究發展提供參考。

  關鍵詞: 數控系統; 裝備制造業; 現狀與發展趨勢

  在經濟全球化和信息技術革命的影響下,國際制造業正在發生深刻變化,制造業的規模和水平已成爲衡量一個國家綜合實力的重要標志[1]。數控( numerical control,NC) 機床特別是高檔數控機床是國際裝備制造業競爭的熱點領域。我國已經將高檔數控機床與基礎制造裝備列入國家科技重大專項給予大力推進。數控系統是數控機床的控制核心,價值占到整機的 30% ——40%,其功能、控制精度和可靠性直接影響機床的整體性能、性價比和市場競爭力[2-4]。

  目前,德、美、日等工業發達國家已先後完成了數控機床的産業化進程,數控系統的發展日趨成熟。我國數控系統由于起步晚、研發隊伍實力較弱、研發投入力度不夠等多方面原因,長期以來始終處于低端迅速膨脹、中端進展緩慢、高端依靠進口的局面。目前,正值裝備制造業高速發展期,數控機床的重要性愈加明顯,對高端數控系統的需求越來越大,然而國內高端數控系統的市場基本被國外廠商占領,因此加強數控系統技術領域的基礎研究和共性關鍵問題攻關,已成爲我國裝備制造業發展的當務之急,對提升我國高端數控系統的獨立設計開發能力和國際競爭力具有重要意義。

  1 、數控系統技術的發展現狀

  1. 1 國外數控系統技術的發展現狀

  1952 年,美國麻省理工學院研制出第一台試驗性數控系統,開創了世界數控系統技術發展的先河。20 世紀 80 年代中期,數控系統技術進入高速發展階段。1986 年,三 菱 ( MITSUBISHI) 推 出 了 采 用Motorola 32 位 68020 CPU 的數控系統,掀起了 32 位數控系統的熱潮。1987 年,發那科( FANUC) 公司32 位多 CPU 系統—FS-15 的問世,使系統內部各部分之間的數據交換速度較原來的 16 位數控系統顯著提高。

  90 年代以來,受計算機技術高速發展的影響,利用 PC 豐富的軟硬件資源,數控系統朝著開放式體系結構方向發展。該結構不僅使數控系統具備更好的通用性、適應性和擴展性,也是智能化、網絡化發展的技術基礎。工業發達國家相繼建立開放式數控系統的研究計劃,如歐洲的 OSACA 計劃、日本的OSEC 計劃[6]等。此外,隨著數控系統性能的不斷提升,數控機床的高速化成效顯著。德、美、日等各國爭相開發新一代的高速數控機床[7-9],加工中心的主軸轉速、工作台移動速度、換刀時間分別從 80年代的 3 000——4 000 r/min、10 m /min 和 5——10 s 提高到 90 年代的 15 000 —— 50 000 r/min、80 —— 120 m/min和1——3 s[10]。

  進入 21 世紀,數控系統技術在控制精度上取得了突破性進展。2010 年國際制造技術( 機床) 展覽會( IMTS 2010) 上,專業的數控系統制造商紛紛推出了提高控制精度的新舉措。FANUC 展出的 Series30i /31i /32i /35i-MODEL B 數控系統推出了 AI 納米輪廓 控 制、AI 納邁克爾精度控制、納 米 平 滑 加 工、NURBS 插補等先進功能,能夠提供以納米爲單位的插補指令,大大提高了工件加工表面的平滑性和光潔度( 圖 1) 。SIEMENS 展出的 SINUMERIK 828D數控系統所獨有的 80 位浮點計算精度,可充分保證插補中輪廓控制的精確性,從而獲得更高的加工精度。此外,MITSUBISHI 公司的 M700V 系列數控系統也可實現納米級插補。

  

圖 1 納米平滑加工技術表面加工效果

  經過持久研發和創新,德、美、日等國已基本掌握了數控系統的領先技術。目前,在數控技術研究應用領域主要有兩大陣營: 一個是以發那科( FANUC) 、西 門 子( SIEMENS) 爲代表的專業數控系統廠商; 另一個是以山崎馬紮克( MAZAK) 、德瑪吉( DMG) 爲代表,自主開發數控系統的大型機床制 造 商。2015 年 FANUC 推 出 的 Series oiMODELF 數控系統,推進了與高檔機型 30i 系列的“無縫化”接軌,具備滿足自動化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運轉率技術,強化了循環 時 間 縮短功能,並支持最新的 I/O 網絡—I/OLink。MAZAK 提 出 的 全 新 制 造 理 念—SmoothTechnology,以基于 Smooth 技術的第七代數控系統MAZATROL SmoothX 爲樞紐,提供高品質、高性能的智能化産品和生産管理服務。SmoothX 數控系統搭配先進軟硬件,在高進給速度下可進行多面高精度加工; 圖解界面和觸屏操作使用戶體驗更佳,即使是複雜的五軸加工程序,通過簡單的操作即可修改;內置的應用軟件可以根據實際加工材料和加工要求快速地爲操作者匹配設備參數。DMG 推 出 的CELOS 系統簡化和加快了從構思到成品的進程,其應用程序( CELOS APP) 使用戶能夠對機床數據、工藝流程以及合同訂單等進行操作顯示、數字化管理和文檔化,如同操作智能手機一樣簡便直觀( 圖 2) 。CELOS 系統可以將車間與公司高層組織整合在一起,爲持續數字化和無紙化生産奠定基礎,實現數控系統的網絡化、智能化[11]。

  

圖 2 CELOS APP 的圖解界面和觸屏操作

  1. 2 國內數控系統技術的發展現狀

  我國對數控系統技術的研究始于 1958 年,經過幾十年的發展已形成具有一定技術水平和生産規模的産業體系,建立了華中數控、沈陽數控、航天數控、廣州數控和北京精雕數控等一批國産數控系統産業基地。雖然國産高端數控系統與國外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距,但近年來在多軸聯動控制、功能複合化、網絡化、智能化和開放性等領域也取得了一定成績[12]。

  多軸聯動控制。多軸聯動控制技術是數控系統的核心和關鍵,也是制約我國數控系統發展的一大瓶頸。近年來,在國家政策支持和多方不懈努力下得到了快速發展,逐漸形成了較爲成熟的産品。華中數控、航天數控、北京機電院、北京精雕等已成功研發五軸聯動的數控系統。2013 年,應用華中數控系統,武漢重型機床集團有限公司成功研制出CKX5680 七軸五聯動車銑複合數控加工機床,用于大型高端艦船推進器關鍵部件—大型螺旋槳的高精、高效加工( 圖 3) 。同年,北京精雕推出了 JD50數控系統,具備高精度多軸聯動加工控制能力,滿足微米級精度産品的多軸加工需求,配備 JD50 數控系統的 SmartCNC500E—— DRTD 系列精雕機,可用于加工航空航天精密零部件葉輪( 圖 4) 。

  

圖 3 七軸五聯動複合機床加工大型螺旋槳

  

圖 4 五軸聯動精雕機加工葉輪

  功能複合化。目前,國際主流數控系統廠商大多推出了集成 CAD/CAM 技術的複合式數控系統。數控技術與 CAD/CAM 技術的無縫集成,有效提高了産品加工的效率和可靠性,在加工技術産業鏈裏的地位愈加重要。國內已開始在這方面進行探索和嘗試,北 京 精 雕 推 出 的 JD50 數 控 系 統,正 是 集CAD/CAM 技術、數控技術、測量技術爲一體的複合式數控系統,具備在機測量自適應補償功能。該功能是以機床爲載體,輔以相應的測量工具( 接觸式測頭) ,在工件加工過程中實時測量,並根據測量結果構建工件實際輪廓,將其與理論輪廓間的偏差值自動補償至加工路徑。該功能有效解決了産品加工過程中由于來料變形、裝夾變形、裝夾偏位等因素影響導致後續加工質量不穩定的問題。圖 5 所示爲利用 JD50 數控系統此項功能,完成在雞蛋表面的圖案雕刻。

  

圖 5 在機測量自適應補償技術完成的蛋殼表面雕刻

  網絡化與智能化。隨著計算機及人工智能技術的發展,國産數控系統的網絡化、智能化程度不斷提高。沈陽數控于 2012 年推出了具有網絡智能功能的 i5 ( industry,information,internet,intelligent,integrate) 數控系統[13]。該系統滿足了用戶的個性化需求,用戶可通過移動電話或電腦遠程對 i5 智能機床( 圖 7) 下達各項指令,使工業效率提升了 20%,實現了“指尖上的工廠”。i5 數控系統提供的豐富接口使數據在設備和異地工廠之間實現雙向交互,爲用戶提供了不同層次和規模的應用[14]。2014 年第八屆中國數控機床展覽會( CCMT 2014) 上,華中數控圍繞新一代雲數控的主題,推出了配置機器人生産單元的新一代雲數控系統和面向不同行業的數控系統解決方案。

  新一代雲數控系統以華中 8 型高端數控系統[15]( 圖 6) 爲基礎,結合網絡化、信息化的技術平台,提供“雲管家、雲維護、雲智能”3 大功能,完成設備從生産到維護保養及改造優化的全生命周期管理,打造面向生産制造企業、機床廠商、數控廠商的數字化服務平台。

  

圖 6 華中數控 HNC-808M 數控系統

  

圖 7 搭載 i5 數控系統的 T5. 2 智能臥式車床

  開放性。盡管目前國內市場上傳統的封閉式數控系統依舊應用廣泛,但開放式數控系統已是大勢所趨。數控系統的開放性爲大型生産活動的自動化、信息化創造了有利條件,也是“工業 4. 0”時代對數控系統提出的新要求。北京精雕的 JD50 數控系統采用開放式體系架構,支持 PLC、宏程序以及外部功能調用等系統擴展功能。PLC 系統硬件平台提供多種總線接口,可靈活實現與各類外部設備的連接,爲大型加工企業的自動化改造提供了軟、硬件支持。此外,JD50 數控系統提供包括加工文件操作、機床信息獲取、機床狀態監控、機床遠程控制在內的4 大類網絡接口,可以輕松接入客戶工廠的信息化管理系統。另外該數控系統還支持半導體設備通訊標准接口 SECS,支持包括 HSMS、SECS-Ⅱ和 GEM在內的三層標准協議,能快速接入高度自動化的半導體制造廠的計算機集成制造管理系統( computerintegrated manufacturing system,CIMS) 。

  遠程監控及故障診斷。近年來在國家“863”計劃的資助下,國內許多大學和企業都開展了面向數控設備的遠程監測和故障診斷解決方案研究。西北工業大學與企業合作研究建立了基于 Internet 的數控機床遠程監測和故障診斷系統,爲數控機床廠家創造了一個遠程售後服務體系的網絡環境,節省了生産廠家的售後服務費用,提高了維修和服務的效

  率。廣州數控提出的數控設備網絡化解決方案,可對車間生産狀況進行實時監控和遠程診斷,目前已實現了基于 TCP /IP 的遠程診斷與維護,降低了售後服務成本,也爲故障知識庫和加工知識庫的建立奠定了基礎。

  2 、數控系統技術的發展趨勢

  近兩年國際著名機床博覽會上,充分展示了數控機床行業的最新發展方向和技術成果,讓業界更加明確了“高速、高精、複合、智能、環保”是未來機床發展的重要方向。數控系統作爲數控機床的核心,也正向著該方向發展[16-17],其主要趨勢如下:

  1) 向高速、高精度、高可靠性方向發展高速是數控機床的重要指標,機床的高速化可極大地提高加工效率,降低加工成本,縮短生産周期和提高市場競爭力[18-19]。隨 著 數 控 系 統運算速度的不斷提高和高速機床主要功能部 件的研發突破,目前直線電機驅動的主軸轉速可達15 000 —— 100 000 r /min,工作台快移速度可達60 —— 200 m /min,加工切削進給速度高于60 m /min[20],最高 加 速 度 可 達 10 g。DMG 公 司的 DMC 165 機床最高轉速可達 30 000 r /min,最快移動速度可達 90 m /min,加速度可達 2 g; 沈陽機床集團與國外聯合設計的高速強力主軸,最高轉速可達 70 000 r /min; 北京精雕集團自主研發的 JDVT600_A12S 高速鑽 銑 中 心 和 JDLVM400P高 光 加 工 機,主 軸 最 高 轉 速 分 別 可 達20 000 r /min和 36 000 r /min,且 運 行 平 穩,加 工出的高光産品表面粗糙度可達 Ra20 nm。

  高精度是數控機床和數控系統的另一項重要指標,它直接關系到産品的加工質量。近 10 年來,普通數控機床和精密加工中心的加工精度分別從當初的 10 μm、3——5 μm 提高到現在的 5 μm、1——1. 5 μm,超精密加工的精度則已進入納米級。FANUC 公司推出了一款加工精度高達 1 nm 的超精密加工機床,能夠實現超精密細微加工凹槽。發展新型超精密加工機床以完善現代超精密加工技術,已成爲世界各工業強國致力發展的方向。

  可靠性是數控系統綜合性能優劣的直接體現,能否在可靠性方面縮短與國外數控系統的差距是關系到國産數控系統及其裝備能否占領市場的關鍵因素。高可靠性是指數控系統的可靠性需要比被控設備的可靠性高出一個數量級以上。以每天工作 16 h的無人化車間爲例,要保證機床在工作時間內連續正常運轉,則無故障率需達到 99%以上,數控機床的 平 均 無 故 障 工 作 時 間 ( Mean Time BetweenFailure,MTBF) 必須大于 3 000 h,這意味著數控系統的 MTBF 要大于 33 333. 3 h,而其中數控裝置、主軸及驅動等部件的 MTBF 就必須在 100 000 h 以上[21]。國外數控機床已經表現出了相當高的可靠性[22],其數控裝置和伺服系統的 MTBF 值已分別超過 6 000 h 和 30 000 h。

  2) 向多軸聯動、複合化方向發展

  爲了滿足複雜曲面的加工需求,必須采用多軸聯動數控系統。多軸聯動加工可利用刀具的最佳幾何形狀進行切削,産品的加工效率、加工質量和加工精度將大幅提升。一般認爲,2 至 3 台三軸機床的加工效率僅能和 1 台五軸聯動機床的加工效率相媲美。第十四屆中國國際機床展覽會( CIMT 2015) 和第十九屆歐洲國際機床展( EMO 2015) 上國內外廠商展示了大批的五軸聯動加工中心,但是大多采用國外的數控系統。多軸聯動數控系統集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體,對于一個國家的軍工、航空航天、精密醫療設備、精密儀器等行業有著舉足輕重的影響力,堪稱“制造業之靈魂”。因此要加快國産化多軸聯動控制系統的研發和推廣力度,使加工複雜曲面零件的國産多軸聯動數控機床得以廣泛應用。

  除功能複合化之外,隨著市場對于個性化需求日益強烈,交貨日期不斷縮短,金屬加工行業愈來愈多地采用複合機床對複雜工件進行綜合加工,數控系統在工藝上的複合程度不斷提升,相較只具備單一加工功能的數控系統,用戶更需要能夠提供車削、銑削、镗削、鑽削和磨削等工序的複合型數控系統。在一台機床上集成多種不同的加工工藝,實現工件在一次裝夾下的整體加工,可以有效減少機床和夾具數量、免去工件在不同工序間的搬運、提高工件加工精度、縮短加工周期、節省作業面積等,從而減少設備 投 資、降 低 生 産 成 本、提高加工質量和生産效率。

  3) 向智能化、柔性化、網絡化方向發展

  智能化體現在數控系統的方方面面[23]。智能控制加工質量和效率,如自適應控制加工過程、自動生成工藝參數等; 智能提高驅動性能,如負載自動識別、電機參數自適應運算、前饋控制等; 智能編程和操作,如自動編程和智能化的人機界面; 此外,智能監控、智能診斷等[1,24]也屬研究範疇。

  數控系統向柔性化發展的趨勢表現在兩個方面: 一方面是由點( 數控單機) 、線( 柔性生産線) 向面( 自動化車間) 、體( CIMS) 的方向發展; 另一方面是向注重經濟性和實用性的方向發展。柔性自動化技術作爲先進制造領域的基礎技術,可助制造業快速響應市場動態需求和産品更新換代,是制造業發展的主流趨勢。該技術以異域聯網和集成爲目標,注重單元模塊的擴展型和更換性,用以提高數控系統的可靠性和實用性。數控系統的柔性化使得FMS 可與 CAD、CAM、CAPP、MTS 便捷聯結[25],實現制造過程的信息集成[17,20]。

  數控系統的網絡化是實現虛擬制造、敏捷制造、全球制造等新制造模式的基礎單元,也是滿足制造企業對信息集成需求的技術途徑。近年來,國外著名的數控機床和數控系統制造商都推出了有關網絡化的樣機和新概念,如 MAZAK 的智能生産控制中心、SIEMENS 的開放制造環境、三菱電機的工廠網絡集成制造系統( 圖 8) 等,均反映了數控加工向網絡化方向發展的趨勢[20,22]。

  

圖 8 工廠網絡集成制造系統

  4) 向開放式數控系統發展

  隨著現代制造業的發展,數控系統的適應性和通用性被寄予了更高的期望,封閉式結構的局限性越來越明顯。開放式數控系統是指數控系統制造商可通過對數控系統功能進行重新組合、修改、添加或刪減,快速構建的不同品種和檔次的數控系統,並且可以針對不同廠家、用戶和行業需求,將其特殊應用和技術經驗集成到數控系統中,形成定制型數控系統[26-27]。未來的數控系統能夠被用戶重新配置、修改、擴充和改裝,並允許模塊化地集成傳感器、監視加工過程、實現網絡通信和遠程診斷等,而不必重新設計軟硬件。盡管當前封閉式數控系統的占有量較大,但是開放式數控系統已逐漸應用于高檔數控機床,發展前景良好。

  開放式數控系統當前研究的熱點主要包括系統的體系結構規範、運行平台、配置規範等[28]。目前國際上初具規模的開放式數控系統研究計劃有:OSACA、OMAC 和 OSEC。OSACA,即自動化系統中的控制開放系統體系結構,是 1990 年由歐共體控制系統開發商與集成商、機床生産廠家和科研單位共同聯合發起,目標之一是建立開放式數控系統的標准體系規範。OSACA 體系結構可分爲應用軟件和系統平台兩部分。應用軟件即控制系統所包含的各個功能模塊,模塊之間通過 OSACA 的通訊系統可以互相操作,並且可以通過 OSACA 提供的 API 接口運行于不同的平台之上。OMAC,即開放式、模塊化體系結構控制器,是由福特、通用和克萊斯勒 3 大汽車公司于 1994 年提出,其目標爲開放化、可調整、模塊化和高可靠性。開放化指利用軟硬件在標准環境下實現集成; 可調整指根據用戶需要可簡單有效地實現系統構成; 模塊化提供高效的控制器重構機制和軟硬件模塊的“即插即用”; 高可靠性要求軟硬件具備較高可靠性,容易維護。OSEC,即控制器開放系統環境,是 1995 年由日本 MAZAK 、TOSHIBA、TOYOTA、MITSUBISHI、IBM、SML 共同組建,目標是建立國際性工廠自動化控制設備的通用標准。該系統本身被認爲是一個分布式系統,它能滿足用戶對費用最小化、系統配置靈活化和人機界面標准化等多方面要求。

  3 、提高國産數控系統技術水平的建議

  在數控系統技術領域,我國已積累了一定的研發基礎和經驗,但在高端數控系統的自主設計理論和技術研究上依然受制于人。爲提高國産數控系統技術的水平,提出以下建議以供參考:

  1) 提高數控系統的性能

  數控系統要實現高速和高精度,需采用 64 位高速 CPU 和先進的控制技術,如參數曲線插補、高速平滑處理、加減速控制等技術; 要實現多軸聯動控制,需攻克多軸同步控制和多軸輪廓誤差補償技術;要實現複合化,需掌握多主軸多刀架系統的設計與控制、支持車銑複合編程技術等; 要實現高可靠性,需深化可靠性方面的理論研究,包括: 可靠性設計技術、可靠性增長技術、可靠性試驗規範和試驗技術、故障模式和分布模型等,並建立准確客觀的評測指標,研究分析數控系統故障模式及影響因素,進而加強可靠性設計。

  2) 提高相關配套功能部件的性能

  爲達到數控系統優良的設計性能,需研發高性能的相關配套功能部件,以使得軟硬件良好配合達到理想狀態。如研發高速、高精度的伺服驅動系統以及高分辨率編碼器等數控設備; 研發高性能的直線電機和電主軸; 研發高速高精滾動導軌、絲杠和數控回轉工作台; 研發自動檢測系統、高速防護和工具系統等。

  4 、結論

  數控機床是高端裝備制造業的“工作母機”,數控系統則是數控機床的靈魂和大腦。國産高端數控系統能否滿足我國高端裝備制造和國家戰略安全的需求一直備受關注。經過逾半個世紀的研究和發展,德、美、日等工業發達國家已基本掌握高端數控系統的關鍵技術並影響著整個數控産業的發展趨勢。在數控系統技術向高速、高精度、複合、智能、開放等方向持續邁進的今天,立足國産數控系統發展緩慢且受制于人的現狀,我國必須重視自主設計理論與技術研究,不斷提升數控系統及相關配套功能部件的各項性能,依靠夯實基礎和科技創新開拓我國數控系統技術與産業發展的新局面,爲“中國制造 2025”發揮更重要的作用。

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