數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化制造技術(shù)為核心

數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化機(jī)床，通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成，大致上可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等16大種類。在新頒布的國家“十二五”規(guī)劃中，明確提出將重點(diǎn)發(fā)展高端裝備制造業(yè)的信息化、自動(dòng)化、智能化水平，而這顯然離不開精密機(jī)床行業(yè)的有力支持。據(jù)專業(yè)人士分析，預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)中國機(jī)床行業(yè)的復(fù)合增長率約為25-30%，其中，中高端數(shù)控機(jī)床將成為增長的主力。

從我國目前機(jī)床行業(yè)的發(fā)展情況來看，自產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國內(nèi)市場的需求，特別是中高端數(shù)控機(jī)床的比例嚴(yán)重偏低。從2011年的統(tǒng)計(jì)來看，1-8月，我國機(jī)床行業(yè)平均產(chǎn)量數(shù)控化率為30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個(gè)百分點(diǎn)，與一些發(fā)達(dá)國家機(jī)床數(shù)控率達(dá)到70%的水平相比，差距較為明顯。尤其是最近幾年受國際金融危機(jī)的影響，德國、日本機(jī)床企業(yè)恢復(fù)迅速，并且紛紛以低價(jià)格、中端機(jī)的策略進(jìn)入中國，市場反響良好，這樣也為中國中高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭壓力;同時(shí)，來自臺(tái)灣地區(qū)和韓國的中檔機(jī)床也是一股不容忽視的力量。從中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年前三季度，金屬加工機(jī)床進(jìn)口99.1億美元，同比增長51.4%，由于進(jìn)口激增，國產(chǎn)金屬加工機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的市場占有率呈顯出下降的趨勢(shì)。

為了盡快改變這些現(xiàn)狀，2008年12月，在國家科技部等部委的支持下，由沈陽機(jī)床集團(tuán)牽頭，聯(lián)合8家企業(yè)、6家院所正式組建起“數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，該聯(lián)盟將重點(diǎn)圍繞高速精密數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件開發(fā)、高速精密機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性、高速精密機(jī)床切削工藝、數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等方面開展研究工作。據(jù)科技部重大專項(xiàng)辦有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2009年正式啟動(dòng)的數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)將延續(xù)到2020年，預(yù)計(jì)中央財(cái)政、地方財(cái)政及企業(yè)總投入將達(dá)到數(shù)百億元，這標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床已成為了中國機(jī)床工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

伺服在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)

對(duì)精度、速度、功率等的控制能力指標(biāo)是機(jī)床產(chǎn)品的主要追求目標(biāo)。針對(duì)中國機(jī)床工具行業(yè)的數(shù)控技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比仍相對(duì)落后的局面，究其根由，可以說，高品質(zhì)的功能配套部件發(fā)展緩慢是其中的主要原因之一，這些功能部件的性能直接影響到主機(jī)的整體技術(shù)水平，與數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，當(dāng)中，也包括運(yùn)動(dòng)控制的核心部件伺服系統(tǒng)。目前，在數(shù)控機(jī)床行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，交流伺服系統(tǒng)已明顯占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì);而按照機(jī)床傳動(dòng)機(jī)械的不同，又將應(yīng)用的伺服系統(tǒng)分為進(jìn)給伺服與主軸伺服兩類。

在主軸伺服驅(qū)動(dòng)單元方面，由于需要提供加工各類工件所需的切削功率，因而要求其能夠滿足機(jī)床主軸調(diào)速范圍寬、低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特性，同時(shí)還可配合CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)剛性攻絲、主軸速度控制、Cs軸控制實(shí)時(shí)切換等高性能。而進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)單元以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，以產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此，特別強(qiáng)調(diào)其對(duì)位置與速度控制的準(zhǔn)確性和快速性，且可靠性要高。

為了進(jìn)一步提高機(jī)床行業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)單元的控制性能，目前大量的數(shù)字處理技術(shù)被引入到該領(lǐng)域，一批廠商紛紛開發(fā)出全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)單元。這類伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、CPLD超大規(guī)模集成電路芯片，以及

化的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制，大幅提高了控制精度和響應(yīng)速度;此外，還運(yùn)用智能功率模塊(IPM)，從而保障了整機(jī)的可靠性。

在機(jī)床行業(yè)所使用的電機(jī)上，目前主要包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等，高精密數(shù)控機(jī)床要求電機(jī)采用全封閉式結(jié)構(gòu)，搭配高速、高精度光電編碼器，與高性能驅(qū)動(dòng)器配合作高精度速度和位置控制，穩(wěn)定可靠、振動(dòng)小、噪聲低伴隨著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，高速度、亞微米精加工時(shí)代已經(jīng)來臨，例如，在iPone、iPad、LEDTV等消費(fèi)性電子、信息和光電產(chǎn)業(yè)中，由于3C產(chǎn)品多樣化而快速生產(chǎn)的特點(diǎn)，使得精密小型快速加工需求攀升，高速切削機(jī)床的市場容量急劇增加。此外，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)正引領(lǐng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，“智能化制造”已不再只是一個(gè)夢(mèng)想而已。面對(duì)數(shù)控機(jī)床行業(yè)最新的技術(shù)發(fā)展，使得伺服控制系統(tǒng)也亟待在各方面提升其性能指標(biāo)，其中，分布式串行伺服系統(tǒng)、高控制精度和穩(wěn)定性，以及降低電機(jī)的能耗，是目前整體伺服系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)上的主要趨勢(shì)。

滿足多軸、多點(diǎn)控制需

在當(dāng)今運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展中，分布式系統(tǒng)架構(gòu)(Distributed)凸顯出越來越重要的作用和價(jià)值，其在生產(chǎn)決策、整合制造、人機(jī)界面的良好化、節(jié)能環(huán)保等方面具有積極的意義。因應(yīng)這一趨勢(shì)，在要求軟硬件更具有實(shí)時(shí)性、擴(kuò)充性的同時(shí)，也需要采用串行式(Serial)伺服控制，以滿足多軸、多點(diǎn)(I/O)控制，這些將成為未來伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。

傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)大多經(jīng)過一個(gè)閉環(huán)回路(CloseLoop)，控制系統(tǒng)內(nèi)各裝置的定位、速度與力矩;但隨著一些大型分布式生產(chǎn)系統(tǒng)所須控制的裝置(軸數(shù)、I/O點(diǎn))日益增多、配線也更為復(fù)雜，在這種情況下，往往會(huì)使其分辨率和同步性、實(shí)時(shí)性捉襟見肘，且易受到電源等噪聲的干擾。因此，近年來，一些領(lǐng)導(dǎo)型廠商采用多樣工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)字信號(hào)和控制參數(shù)，以滿足對(duì)實(shí)時(shí)性的要求分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來。分布式串行伺服系統(tǒng)可模塊化，設(shè)計(jì)較為彈性，可任意擴(kuò)充多軸運(yùn)動(dòng)(Motion)與I/O控制點(diǎn)數(shù)，只須單線連結(jié)、單機(jī)(計(jì)算機(jī))管控，大幅節(jié)省了配線成本與空間，因而成為了未來制造業(yè)主流趨勢(shì)。

南京埃斯頓自動(dòng)控制技術(shù)有限公司在這一技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了突出的成績。為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，其開發(fā)的Pronet系列伺服驅(qū)動(dòng)器率先增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性的設(shè)計(jì)。通過選件模塊，可擴(kuò)展各種通信接口以及各種反饋接口。除了RS485通信接口和CAN通信接口之外，還可以支持MODBUS通信協(xié)議、CANopen通信協(xié)議和PROFIBUS通信協(xié)議。例如，對(duì)應(yīng)PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)的伺服信息(位置、速度、轉(zhuǎn)矩、輸入輸出、報(bào)警等)可實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，使伺服系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間縮短，操作更加簡單，一個(gè)上位控制器可最多實(shí)現(xiàn)255個(gè)站點(diǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制，可廣泛用于高精度機(jī)床、高速包裝和印刷機(jī)械等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

另外，以廣州數(shù)控推出的DAT系列交流伺服驅(qū)動(dòng)單元為例，其在成熟交流伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合串行總線及絕對(duì)式編碼器接口技術(shù)，支持自主研發(fā)的GSKLink總線技術(shù)，CNC通過串行總線可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服的調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯著提高了速度精度和位置精度，位置脈沖指令最高頻率為1MHz適配0.1m指令精度的CNC，可實(shí)現(xiàn)0.1m級(jí)控制精度，是數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備高速高精運(yùn)動(dòng)控制的較佳選擇。

提高控制精度、穩(wěn)定性

隨著以數(shù)控機(jī)床為技術(shù)平臺(tái)的數(shù)字化制造的興起，智能化制造、技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合已成為了數(shù)控機(jī)床技術(shù)最為活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一。智能化機(jī)床能夠借助各種傳感器對(duì)自己的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，自行分析機(jī)床狀態(tài)、加工過程以及周邊環(huán)境有關(guān)的信息，然后自行采取應(yīng)對(duì)措施來保證最優(yōu)化的加工。另外，新型的數(shù)控機(jī)床同時(shí)也需要具有減小振動(dòng)的主動(dòng)振動(dòng)抑制功能，控制熱位移的智能熱屏障功能，防止部件碰撞的智能安全屏障功能，提供語音提示和短信通知，以及按照加工要求幫助選擇切削參數(shù)等等，總之，智能化可以提高機(jī)床工作的控制精度，以及整機(jī)的穩(wěn)定、可靠性。

而在伺服系統(tǒng)方面，基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制技術(shù)是目前伺服系統(tǒng)的核心控制方法，為了進(jìn)一步提高控制精度和穩(wěn)定性，部分廠商在矢量控制的基礎(chǔ)上，控制回路采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，配合增益自動(dòng)調(diào)整、指令平滑功能以三菱電機(jī)開發(fā)的MR-J3系列交流伺服系統(tǒng)為例，為了實(shí)現(xiàn)高精度定位，與MR-J3系列配套的高性能伺服電機(jī)編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置編碼器，速度環(huán)路頻率響應(yīng)提高到900Hz，具有高速/大轉(zhuǎn)矩特性，還可降低齒槽轉(zhuǎn)矩，減小伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器在勻速下更加平滑順暢的運(yùn)行。同時(shí)，該產(chǎn)品可通過先進(jìn)的自整定功能和高級(jí)振動(dòng)抑制控制功能，實(shí)現(xiàn)包括位置增益和速度增益在內(nèi)所有增益的自動(dòng)調(diào)整，有效抑制當(dāng)驅(qū)動(dòng)部件停止時(shí)所發(fā)生的100Hz頻率以下的振動(dòng)，且伺服設(shè)置軟件MR-configurator具有精確的機(jī)械分析功能，可用于機(jī)械工具和一般工業(yè)機(jī)械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制的應(yīng)用場合。

中達(dá)電通近期推出的ASDA-M系列屬于三軸合一智能型伺服，其將三臺(tái)伺服融合在同一機(jī)座內(nèi)，三軸同動(dòng)控制，軸間交換數(shù)據(jù)沒有時(shí)間延遲問題;可以直接在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)進(jìn)行直線、圓弧與螺旋的插補(bǔ)控制;新的龍門控制架構(gòu)，精準(zhǔn)同步，可以用于純剛性連接的機(jī)構(gòu);軟件具備簡易的循圓分析，可強(qiáng)化系統(tǒng)問題的診斷能力。此外，ASDA-M系列伺服還具備優(yōu)異的高速響應(yīng)性能、高低頻抑振能力、精準(zhǔn)的全閉環(huán)控制、靈活的內(nèi)部位置編程模式、實(shí)時(shí)性的位置記錄與位置比較功能等優(yōu)勢(shì)，大大提高了機(jī)械終端的定位精度。

降低電機(jī)能耗

作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，電動(dòng)機(jī)的性能直接關(guān)系到整體系統(tǒng)的性能發(fā)揮。由于步進(jìn)電機(jī)在成本控制方面的優(yōu)勢(shì)，因而使其成為了大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的首選產(chǎn)品，但同時(shí)它的缺點(diǎn)也很明顯，即慣量大、每單位功率的轉(zhuǎn)矩輸出比值小(N-m/kW)、效率差、發(fā)熱量大。而伺服電機(jī)因具有響應(yīng)速度快、定位精準(zhǔn)、技術(shù)門坎相對(duì)較高的優(yōu)勢(shì)，因而在高端數(shù)控機(jī)床等精密機(jī)械行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。其中，交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小;定子繞組散熱比較方便;慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性;適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài);同功率下有較小的體積和重量;可靠性高，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。

根據(jù)國際能源署的最新統(tǒng)計(jì)，工業(yè)用電占全球電力總消耗的約42%，其中2/3被工業(yè)電機(jī)所消耗。因此，現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床高速主軸所需的伺服電機(jī)、內(nèi)藏式轉(zhuǎn)定子領(lǐng)域都以強(qiáng)調(diào)提高節(jié)能效益來創(chuàng)造新的市場商機(jī)。例如，目前一些日系、歐美伺服電機(jī)廠商均掌握了釹鐵硼永磁等關(guān)鍵材料，因而在永磁交流伺服電機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能上相對(duì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。而據(jù)估計(jì)，采用這些稀土永磁無鐵芯電機(jī)拖動(dòng)通用設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行效率平均可提高20-40%，節(jié)電潛力可達(dá)1000-2000億千瓦時(shí)。

去年6月，針對(duì)低壓電機(jī)的歐盟最低能效標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)開始生效，該新法規(guī)涉及大部分功率介于0.75千瓦~375千瓦、50和60赫茲的兩級(jí)、四級(jí)、六級(jí)交流電機(jī)，計(jì)劃分三個(gè)階段，提高所涉及的這些電機(jī)產(chǎn)品的國際能效等級(jí)。與此同時(shí)，中國、澳大利亞、巴西、加拿大等國家也已經(jīng)實(shí)施了類似的能效法規(guī)，美國則是從2010年底開始執(zhí)行相當(dāng)于IE3等級(jí)的NEMAPremium(美國全國電器制造商協(xié)會(huì)高效率)標(biāo)準(zhǔn)。這些法規(guī)的陸續(xù)推出將進(jìn)一步促進(jìn)電機(jī)行業(yè)節(jié)能技術(shù)的提升。

此外，對(duì)于齒輪磨床、精密機(jī)床以其它一些機(jī)床來說，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是另一個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向，直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)也是未來高速、高精度數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式，目前受到了機(jī)床廠家的普遍重視，技術(shù)發(fā)展迅速。全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和配件廠商科爾摩根在直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域有著豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，其推出的直接驅(qū)動(dòng)直線(DDL)系列電機(jī)屬于無框永磁三相無刷伺服電機(jī)，不需要維護(hù)，精度更高，帶寬更高，運(yùn)動(dòng)速度更平穩(wěn)，減少了噪音;同時(shí)，還提供多種尺寸和推力，可適用于各種直線應(yīng)用，簡化了高推力永磁設(shè)計(jì)方案，從而大大提高了機(jī)器的整體可靠性。

結(jié)語

值得一提的是，在中國機(jī)床行業(yè)大舉邁入高檔數(shù)控化的同時(shí)，對(duì)普通機(jī)床和老化數(shù)控機(jī)床進(jìn)行“再制造”，也是一個(gè)潛力無窮的市場，畢竟來講，要購置全新的數(shù)控機(jī)床需要巨額的投入。目前國內(nèi)一些領(lǐng)先廠商正積極開拓這一市場，力爭實(shí)現(xiàn)與購置新機(jī)床同樣的效果，在減少資金投入的同時(shí)，提高零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，縮短產(chǎn)品制造周期，改善工作環(huán)境，據(jù)有關(guān)廠商計(jì)算，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化“再制造”機(jī)床的價(jià)格僅為相同功能新數(shù)控機(jī)床的1/5-1/3。

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展直接關(guān)系到國家基礎(chǔ)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，是現(xiàn)階段重要的戰(zhàn)略發(fā)展國策之一。作為其中主要的支撐產(chǎn)業(yè)，伺服控制系統(tǒng)急需快速地適應(yīng)當(dāng)前制造業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，從技術(shù)和服務(wù)這兩個(gè)環(huán)節(jié)上，提升整體解決方案的技術(shù)水平。針對(duì)當(dāng)前中高端數(shù)控機(jī)床的具體需求，伺服控制企業(yè)應(yīng)不斷為客戶提供創(chuàng)新的運(yùn)動(dòng)解決方案和高品質(zhì)的產(chǎn)品，幫助客戶提升數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的性能，使其更具市場競爭力，并且盡可能地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，節(jié)約預(yù)算，提高整體系統(tǒng)的可靠性和生率效率，最終達(dá)到提升數(shù)控機(jī)床速度、準(zhǔn)度和位置控制精確度的目標(biāo)。