我國(guó)數(shù)控技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展途徑--2

    因此，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)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(lái)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)和施工等方面采用強(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。

    由于一個(gè)新型高性能CPU可以代替數(shù)十個(gè)普通CPU（如80286、80386等），因此，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(kāi)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，又消除了信息傳遞瓶頸，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)（包括電機(jī)）售價(jià)將可降至現(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(zhēng)力，有望為開(kāi)創(chuàng)中國(guó)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(kāi)放式結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)�，這種系統(tǒng)的硬件本身已經(jīng)是完全開(kāi)放的，構(gòu)成開(kāi)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(kāi)關(guān)量控制到伺服控制都可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放，從而可大大方便用戶的使用。

   2.2 推進(jìn)數(shù)控功能部件的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)

   解決數(shù)控系統(tǒng)問(wèn)題后，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)與制造便是我國(guó)機(jī)床制造企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的另一關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)制造，必須解決數(shù)控機(jī)床功能部件的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)問(wèn)題。目前我國(guó)在這方面離實(shí)際需求還有相當(dāng)大的差距。因此，在今后的若干年內(nèi)，我們必須大力促進(jìn)數(shù)控機(jī)床功能部件的開(kāi)發(fā)和專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。其要點(diǎn)如下：

   (1) 新型永磁電主軸單元　 電主軸已成為國(guó)際市場(chǎng)上最熱門(mén)的數(shù)控機(jī)床功能部件。但目前這類(lèi)產(chǎn)品幾乎都為感應(yīng)異步型，存在以下突出問(wèn)題：①轉(zhuǎn)子上存在繞組，有大電流流過(guò)，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(guó)稀土永磁材料的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)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，將可有效解決現(xiàn)有電主軸存在的問(wèn)題，形成具有中國(guó)特色的新一代電主軸產(chǎn)品。由于永磁電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都較感應(yīng)異步型電主軸簡(jiǎn)單，因此易于進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)然，這還要攻克主軸支承（陶瓷軸承、流體動(dòng)靜壓軸承、磁懸浮軸承）技術(shù)、高精度高速動(dòng)平衡技術(shù)、高速驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)與控制技術(shù)、高可靠性安全保證技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

    (2) 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+電機(jī)）的價(jià)格一般都在萬(wàn)元以上，主軸伺服系統(tǒng)的價(jià)格高達(dá)數(shù)萬(wàn)元，已成為降低國(guó)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(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，大力開(kāi)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機(jī)和功率接口，充分利用我國(guó)的永磁資源優(yōu)勢(shì)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)可以把電機(jī)的造價(jià)降下來(lái)，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(wàn)元以內(nèi)，將是完全可能的。

    (3) 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(guó)還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，因此應(yīng)加強(qiáng)研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用�？紤]到常規(guī)機(jī)床的防磁問(wèn)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(kāi)發(fā)感應(yīng)異步型直線電機(jī)，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床開(kāi)發(fā)永磁同步型直線電機(jī)，從而揚(yáng)長(zhǎng)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)。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)將驅(qū)動(dòng)與支承合二為一的磁懸浮工作臺(tái)。

    (4) 零傳動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)與擺頭　 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，因而必須另辟蹊徑開(kāi)發(fā)新型零傳動(dòng)（無(wú)機(jī)械傳動(dòng)鏈）數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和擺頭，以促進(jìn)我國(guó)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(kāi)發(fā)0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移傳感器和100萬(wàn)脈沖/r的角位移傳感器，此類(lèi)技術(shù)國(guó)外對(duì)我國(guó)是封鎖的。

    2.3 加速數(shù)控機(jī)床的全國(guó)產(chǎn)化，打好市場(chǎng)翻身仗

    數(shù)控產(chǎn)業(yè)化的最終成功將體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的全國(guó)產(chǎn)化和市場(chǎng)占有率上。在上述總體戰(zhàn)略指導(dǎo)下，采取抓兩頭（低價(jià)位數(shù)控機(jī)床和高速高效數(shù)控機(jī)床）、帶中間（普通數(shù)控機(jī)床）、促重型（重型關(guān)鍵裝備）的方針，將是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上快速收復(fù)失地，在國(guó)際市場(chǎng)上穩(wěn)步進(jìn)軍，最終打贏國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)翻身仗的一種有效戰(zhàn)術(shù)和策略。關(guān)于普通數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已有許多文章作了專(zhuān)門(mén)論述，因此下面僅就低價(jià)位數(shù)控機(jī)床、高速高效數(shù)控機(jī)床和重型數(shù)控機(jī)床的發(fā)展問(wèn)題作一討論。

    (1) 大力發(fā)展低價(jià)位數(shù)控機(jī)床　 低價(jià)位機(jī)床是功能滿足用戶要求(無(wú)功能浪費(fèi))、技術(shù)指標(biāo)適中、可靠性好、價(jià)格便宜的普及型數(shù)控機(jī)床。這類(lèi)機(jī)床已成為國(guó)際市場(chǎng)上數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)之一，也是國(guó)內(nèi)眾多用戶渴求的產(chǎn)品，其市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。然而，如果采用國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)（包括伺服）按照傳統(tǒng)思路來(lái)發(fā)展低價(jià)位機(jī)床，是很難將價(jià)格降至廣大用戶所能接受的水平的。因此，采用本文提出的新型集成化國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)發(fā)展高性能的低價(jià)位數(shù)控機(jī)床，將是一條最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此構(gòu)成的全國(guó)產(chǎn)普及型數(shù)控車(chē)床的售價(jià)完全可以控制在10萬(wàn)元以內(nèi)，三坐標(biāo)數(shù)控銑床可控制在15萬(wàn)元左右，加工中心可控制在20萬(wàn)元左右。此價(jià)位的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床將是具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的。

    (2) 加速開(kāi)發(fā)高速高效數(shù)控機(jī)床　 高速高效是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的另一大潮流。發(fā)展高速高效數(shù)控機(jī)床的技術(shù)途徑可有以下幾條：①通過(guò)提高切削速度和進(jìn)給速度，從而達(dá)到成倍提高生產(chǎn)效率，有效提高零件的表面加工質(zhì)量和加工精度并解決常規(guī)加工難以解決的某些特殊材料（如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼）和特殊形狀零件（如復(fù)雜薄壁零件）的高效加工問(wèn)題。②通過(guò)工藝復(fù)合，減少工件的安裝次數(shù)，有效縮短搬運(yùn)和裝夾時(shí)間。例如，將五面五軸加工中心與立車(chē)復(fù)合構(gòu)成萬(wàn)能加工中心，可實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成零件的大部分（或全部）加工。③采用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數(shù)，提高加工效率。④為數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)智能尋位加工功能，消除對(duì)精密夾具和人工找正的依賴，有效縮短單件小批加工的準(zhǔn)備時(shí)間。

    在我國(guó)現(xiàn)實(shí)條件下如果沿用傳統(tǒng)思路是難以實(shí)現(xiàn)上述途徑的，因此，必須立足國(guó)情，結(jié)合實(shí)際勇于創(chuàng)新，大膽探索新的道路。 考慮到常規(guī)數(shù)控機(jī)床在總體結(jié)構(gòu)上基本上采用工件和刀具沿各自導(dǎo)軌共同運(yùn)動(dòng)的方案，一方面由于機(jī)床傳動(dòng)環(huán)節(jié)剛性不足和導(dǎo)軌中的摩擦阻力較大，使運(yùn)動(dòng)部件難以獲得高的進(jìn)給速度；另一方面由于工件、夾具和工作臺(tái)的總質(zhì)量比較大，使之難以獲得高的加速度。此外，傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)是一種串聯(lián)開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，組成環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節(jié)間的聯(lián)接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應(yīng)高速高效加工的特殊要求。為此，開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)高速高效數(shù)控機(jī)床時(shí)，可采用工件固定，以直線電機(jī)組成并聯(lián)短鏈直接驅(qū)動(dòng)主軸和刀具運(yùn)動(dòng)、將高速高精度傳動(dòng)與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)的高速高效數(shù)控機(jī)床不但速度高、剛度高，如果在傳動(dòng)與控制上處理得當(dāng)，可以達(dá)到比常規(guī)機(jī)床更高的加工精度和加工質(zhì)量，而且具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制造成本低，易于經(jīng)濟(jì)化批量生產(chǎn)等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，沿此思路發(fā)展高速高效數(shù)控機(jī)床將是一條符合國(guó)情、易于取得成功的道路。

    (3) 突破重型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)制造技術(shù)　 重型數(shù)控機(jī)床（特別是多坐標(biāo)重型數(shù)控機(jī)床）是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防生產(chǎn)中的重大關(guān)鍵設(shè)備，屬于戰(zhàn)略物資，真正先進(jìn)的重型數(shù)控機(jī)床國(guó)外是不可能賣(mài)給我們的，因此，在我國(guó)下世紀(jì)數(shù)控產(chǎn)品的發(fā)展中必須依靠自己的力量進(jìn)行解決。發(fā)展重型數(shù)控機(jī)床必須有過(guò)硬的基礎(chǔ)，我們?cè)跀?shù)控機(jī)床國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究，充分發(fā)揮我國(guó)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，各部門(mén)通力合作、共同努力，爭(zhēng)取在下世紀(jì)初取得突破性進(jìn)展。

    目前，在發(fā)展重型數(shù)控機(jī)床中除需加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究外，還應(yīng)加強(qiáng)其關(guān)鍵技術(shù)研究。例如，重型機(jī)床的控制就是需要加以特殊解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因重型機(jī)床加工的工件特別昂貴不允許報(bào)廢，為了確保機(jī)床工作可靠，在數(shù)控系統(tǒng)中可采用雙（或多）CPU冗余工作方案，以確保運(yùn)算和控制的絕對(duì)正確，并在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)診斷、自動(dòng)修復(fù)或自動(dòng)替補(bǔ)，確保加工不出問(wèn)題。此外，在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統(tǒng)供電時(shí)，可對(duì)另一組電池進(jìn)行充電，電網(wǎng)與控制系統(tǒng)是完全隔離的。這就徹底消除了重型車(chē)間中電網(wǎng)電壓波動(dòng)厲害、干擾嚴(yán)重對(duì)數(shù)控系統(tǒng)造成的影響，從而有效保證系統(tǒng)的可靠性。又如，重型數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)也是一大關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)行程長(zhǎng)度超過(guò)5 m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負(fù)荷的傳動(dòng)，因此目前一般采用預(yù)加負(fù)載的雙齒輪-齒條機(jī)構(gòu)、靜壓蝸桿-蝸母條機(jī)構(gòu)、四足（或雙足）爬行進(jìn)給機(jī)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程傳動(dòng)。但這些方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度和加速度低、動(dòng)態(tài)性能差、難以達(dá)到高精度、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等問(wèn)題。為此可發(fā)展陣列式高效直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)和空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以新的途徑來(lái)解決重型數(shù)控機(jī)床的高速、高精度驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。除此之外，機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、長(zhǎng)行程精密檢測(cè)、重力變形補(bǔ)償、切削力變形補(bǔ)償、熱變形補(bǔ)償?shù)纫彩侵匦蛿?shù)控機(jī)床中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，必須予以充分重視。

    3 結(jié)語(yǔ)

    制定符合中國(guó)國(guó)情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，確立與國(guó)際接軌的發(fā)展道路，對(duì)21世紀(jì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。本文在對(duì)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的分析，對(duì)我國(guó)數(shù)控領(lǐng)域存在的問(wèn)題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)21世紀(jì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑進(jìn)行了探討，提出了以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)，以商品化為主干，以管理和營(yíng)銷(xiāo)為重點(diǎn)，以技術(shù)支持和服務(wù)為后盾，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路的總體發(fā)展戰(zhàn)略。在此基礎(chǔ)上，研究了發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機(jī)床整機(jī)等的具體技術(shù)途徑。