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數(shù)控系統(tǒng)之于機(jī)床，就像ＣＰＵ（中央處理器）之于電腦,，是大腦,，是心臟,。數(shù)控技術(shù)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ),它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注,。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能,、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目,它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河,因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù).另一方面,通過(guò)持續(xù)的開(kāi)發(fā)研究以及對(duì)信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升,使數(shù)控機(jī)床成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備,。另外,，數(shù)控技術(shù)以高精度隨動(dòng)控制和多運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制為主要特征，與自動(dòng)火炮控制,、雷達(dá)控制以及陀螺導(dǎo)航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎(chǔ),，具有典型的軍民兩用的應(yīng)用特征。
7 \# X* _8 o) d) R7 V 正是因?yàn)閿?shù)控技術(shù)軍民兩用的特征,，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境對(duì)中國(guó)數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯,。從“巴統(tǒng)”到考克斯報(bào)告的技術(shù)封鎖階段，到通過(guò)合資辦廠,，本地化生產(chǎn),，低端產(chǎn)品傾銷(xiāo)，渙散中國(guó)國(guó)內(nèi)的自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖,。相當(dāng)多的事實(shí)證明我們?cè)噲D通過(guò)引進(jìn)技術(shù),，“以市場(chǎng)換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場(chǎng)也丟了,，技術(shù)卻沒(méi)換回來(lái),。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產(chǎn)品壟斷市場(chǎng)80%以上，高端產(chǎn)品不僅壟斷,，而且限制中國(guó)進(jìn)口,。中國(guó)通過(guò)近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數(shù)控廠商,，在中低端市場(chǎng)打開(kāi)局面,，形成了一定市場(chǎng)規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場(chǎng),，國(guó)產(chǎn)控制器規(guī)模始終處于被壓縮的狀態(tài),，利潤(rùn)空間被壓縮，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)技術(shù)進(jìn)步,。
( Q+ n5 L5 k+ n% s* m7 H 行業(yè)專(zhuān)家坦言“中國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相差起碼15年”,。日本國(guó)際經(jīng)濟(jì)學(xué)家長(zhǎng)谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號(hào)上發(fā)表了一篇題為《中國(guó)的未來(lái)取決于日本》的文章。文章說(shuō),，在汽車(chē)制造業(yè),，生產(chǎn)汽車(chē)部件的機(jī)床年均工作時(shí)間高達(dá)3500小時(shí)，也只有日本制造的機(jī)床能保證連續(xù)5年性能不變,�,！皼](méi)有日本的機(jī)床，中國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將寸步難行”,。 長(zhǎng)谷川慶太郎預(yù)測(cè)：中國(guó)對(duì)日本的依賴只會(huì)越來(lái)越加強(qiáng)而不會(huì)越來(lái)越削弱,。這就意味著“日本越來(lái)越有能力控制中國(guó)”�,？陀^分析這篇文章,，拋棄日本少數(shù)學(xué)者狂躁的心態(tài)，僅就裝備制造業(yè)中以數(shù)控系統(tǒng)為代表的制造裝備關(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看,，文章的觀點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)喚起我們的憂患意識(shí),。
1 m/ e# R. Y" s 打破國(guó)外對(duì)我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對(duì)國(guó)外技術(shù)的依存度，選擇有技術(shù)支持條件的關(guān)鍵技術(shù)作為突破口,，主動(dòng)突破,，才能爭(zhēng)取競(jìng)爭(zhēng)上的主動(dòng)。數(shù)控技術(shù)在近十年計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)步的支持下,，具備關(guān)鍵技術(shù)突破口的條件,。從產(chǎn)業(yè)的角度看數(shù)控控制器產(chǎn)品的基本特征，可以概括為專(zhuān)用的工業(yè)計(jì)算機(jī),；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動(dòng)電機(jī)專(zhuān)用的工業(yè)電源,；伺服電機(jī)產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機(jī)。針對(duì)這些產(chǎn)品特征,，從產(chǎn)業(yè)角度看,，中國(guó)完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類(lèi)似產(chǎn)業(yè)特征的產(chǎn)品的產(chǎn)能是世界領(lǐng)先的,。因此，跳出狹義的運(yùn)動(dòng)控制器制造領(lǐng)域,，從中國(guó)產(chǎn)業(yè)全局看,，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)特征是技術(shù)的軟件化,。運(yùn)行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實(shí)現(xiàn),。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將更多轉(zhuǎn)化為基于軟件技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)的智力層面的比拼和以技術(shù)融合為特征的工程層面的比拼,。
7 O8 Y( ` ~- C% {- S h! D 反遏制的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心技術(shù)體系生長(zhǎng)的自主創(chuàng)新平臺(tái),，從被動(dòng)的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃?dòng)的技術(shù)對(duì)抗。高端數(shù)控技術(shù)不僅僅是控制器的問(wèn)題，而是關(guān)聯(lián)電機(jī),、驅(qū)動(dòng),、測(cè)量、通訊,、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及機(jī)床測(cè)試,、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節(jié)都將對(duì)最終的設(shè)備控制效果產(chǎn)生影響,。
6 W: K2 y6 {# k) Y; h _' c! D 以高速高精度高響應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制為例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,。從FANUC公開(kāi)的材料上看，控制分辨率提升到納米可以將被加工產(chǎn)品的精度提高一倍,，表面質(zhì)量提高一倍,。但這一結(jié)果需要控制器全面的技術(shù)提升。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言,，基于超前讀機(jī)制的運(yùn)動(dòng)軌跡分析和預(yù)測(cè)是必需的,。這一機(jī)制將對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運(yùn)動(dòng)控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段,。插補(bǔ)器的計(jì)算精度要從1個(gè)um提升到1個(gè)nm,，計(jì)算字長(zhǎng)要增加三位，有效計(jì)算精度要提升3個(gè)數(shù)量級(jí),。軟件平臺(tái)要支持相應(yīng)字長(zhǎng)的計(jì)算,。另一方面控制節(jié)拍也需要相應(yīng)提高，否則單純的指令精度提高沒(méi)有意義,。這當(dāng)然對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷有更高的需求,，系統(tǒng)硬件平臺(tái)要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)分辨率是不夠的,，還要將這個(gè)控制量送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置,。由于有效字長(zhǎng)的擴(kuò)充，控制節(jié)拍的提高,，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高,。對(duì)伺服通訊問(wèn)題一定要采用數(shù)字方式，脈沖方式和模擬加位置脈沖反饋的都不能符合要求,。在伺服側(cè)很顯然要追求更高精度的控制問(wèn)題,。首先就是需要更高精度的位置反饋原件。目前國(guó)際上高精度伺服裝置傳感器已經(jīng)提升到200萬(wàn)線～400萬(wàn)線了,，這樣才能夠與現(xiàn)有的機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制,。我們國(guó)內(nèi)的控制器產(chǎn)品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術(shù)的差距直接導(dǎo)致我們的驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速比上不去,，速度平穩(wěn)性有差距,。高分辨率的傳感器還面臨另一個(gè)問(wèn)題就是傳感器接口問(wèn)題。顯然這種分辨率下不能用AB脈沖形式接口。
$ e9 H" {% a% w# G 能夠保證控制器同步采樣的高速數(shù)字通訊協(xié)議是必須要解決的問(wèn)題,。伺服本身高精度控制的問(wèn)題也是必須要解決的問(wèn)題,。FANUC強(qiáng)調(diào)HRV（高響應(yīng)矢量控制），三菱強(qiáng)調(diào)OMR（優(yōu)化機(jī)械響應(yīng)控制）都將問(wèn)題直指高精度伺服控制的核心問(wèn)題——高精度,、快速響應(yīng)的電流環(huán)設(shè)計(jì),。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎(chǔ)。在解決這一核心矛盾的過(guò)程中許多控制技術(shù)都可以有所作為,，包括各種狀態(tài)識(shí)別,、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。" I7 r' w$ m5 o# I- f2 W
實(shí)現(xiàn)高精度控制,，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動(dòng)裝置是不夠的,。電機(jī)設(shè)計(jì)本身就是直接影響運(yùn)動(dòng)控制效果的重要因素。對(duì)于永磁同步伺服電機(jī)而言,，良好的反電勢(shì)正旋性,，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動(dòng)裝置的廠商本身也是電機(jī)制造商,。在很多國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中,，電機(jī)技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是部門(mén)割裂的，有的甚至沒(méi)有電機(jī)技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動(dòng),。在研究高精度運(yùn)動(dòng)控制中,，仿真技術(shù)將極大的縮短我們?cè)诳刂扑惴ǖ南嚓P(guān)研究中的時(shí)間和實(shí)施成本。在仿真技術(shù)支持的同時(shí),，還需要研制有關(guān)的試驗(yàn)平臺(tái),，用來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制的效果，評(píng)價(jià)伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的性能,。例如,，如何評(píng)價(jià)低速平穩(wěn)性和剛度等。
) _' ^' [+ S; X/ r3 k; X1 X" @ 上面僅以高速高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為例說(shuō)明高檔控制器技術(shù)是一個(gè)耦合緊密的技術(shù)學(xué)科群,。作為高端數(shù)控技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新體系應(yīng)當(dāng)具有技術(shù)鏈的完整性,，因此我們稱這樣的技術(shù)創(chuàng)新體系為“技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)”。這樣的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)投入是巨大的,。以日本FANUC公司為例,，在技術(shù)上保持領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一,，該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過(guò)600人,，月產(chǎn)能力7000套,，銷(xiāo)售額在世界市場(chǎng)上占50％，研發(fā)投入為銷(xiāo)售額的10%，每年投入研發(fā)費(fèi)用上億美元,。很顯然,，支持上述平臺(tái)在中國(guó)現(xiàn)有的科研條件下，依靠一家企業(yè)或單位是非常困難的,。我們只有通過(guò)包括高等院校和其他研究機(jī)構(gòu)在內(nèi),，以產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)聯(lián)為內(nèi)在聯(lián)系的企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，整合技術(shù)資源,，形成新型的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新組織,，在國(guó)家有關(guān)政策支持和指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)相關(guān)多技術(shù)緊密耦合的創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)，才可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越,。
! W' E. M& ?2 ^* E* b8 O) j 充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段,，把握數(shù)控核心技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，有所為有所不為,。處于后進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的中國(guó)裝備控制器產(chǎn)業(yè)必須充分利用新的技術(shù)手段,，把握數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，根據(jù)自己的實(shí)際情況,，有所為有所不為,，形成后發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快技術(shù)進(jìn)步的步伐,，才能實(shí)現(xiàn)追趕和跨越,。
! K1 l& _: o9 F. S 首先需要明確中國(guó)數(shù)控技術(shù)需要的發(fā)展方向。我們可以從SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)對(duì)華出口限制的方向中受到啟發(fā),。這些功能絕大多數(shù)十被認(rèn)為直接影響歐洲裝備核心競(jìng)爭(zhēng)力的功能,。& v% b6 Z- I. N9 y7 q ]+ }6 G; u7 L
分析上述功能，可以概括高端控制器幾個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向：
7 x0 u6 h* A Y+ ~1 y' u 1）復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制技術(shù),。上表中的“螺旋線插補(bǔ)2D+6”,、“5軸加工程序包”、“多軸插補(bǔ)（>4軸）”都屬于這一技術(shù)方向,。復(fù)雜型面和曲線的運(yùn)動(dòng)控制屬于數(shù)控基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)技術(shù),，也是負(fù)責(zé)工藝裝備的現(xiàn)實(shí)需求。特別是五軸加工控制技術(shù),，是復(fù)雜曲面加工的基礎(chǔ)支持技術(shù),。該技術(shù)是關(guān)系到航空航天制造業(yè)、武器裝備制造業(yè),、動(dòng)力裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),。' c$ ~) L. A; a. ^4 w/ E
2）多軸耦合關(guān)系運(yùn)動(dòng)控制�,！鞍徇\(yùn)（機(jī)器人）變換包”,，“位控循環(huán)中的1D/3D間隙控制”,，“懸垂度補(bǔ)償，多維”,，“主動(dòng)數(shù)值耦合和曲線列表插補(bǔ)”,，“電子齒輪單元”，“連續(xù)修正”,，“測(cè)量2級(jí)”都體現(xiàn)了上述特征,。上述功能的共性特征是某坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)不再是受計(jì)劃性軌跡執(zhí)行，而是與其他軸的運(yùn)動(dòng)或邏輯量具有某種耦合關(guān)系或者協(xié)同關(guān)系,，即實(shí)時(shí)插補(bǔ)過(guò)程還引入了其他控制因素,。上述功能顯然對(duì)于復(fù)雜裝備是非常必要的，屬于經(jīng)典插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的重要補(bǔ)充,。' p! _5 M# A0 z2 A2 m8 L4 p
3）開(kāi)放式結(jié)構(gòu),。“開(kāi)放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”和“同步操作”都屬于這一技術(shù)方向,�,！伴_(kāi)放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”引擎支持用戶將自己編寫(xiě)的控制功能加入系統(tǒng)中，并可按照指定的執(zhí)行頻度周期性執(zhí)行,。而“同步操作”是用戶以高級(jí)語(yǔ)言的形式約定執(zhí)行條件和執(zhí)行動(dòng)作,。這兩項(xiàng)功能分別體現(xiàn)了控制系統(tǒng)不同層次的開(kāi)放，一種是執(zhí)行引擎的開(kāi)放,，另一種是用戶語(yǔ)言層面的開(kāi)放,。這類(lèi)的技術(shù)顯然有利于主機(jī)廠的快速響應(yīng)工藝需求，將自己專(zhuān)有的技術(shù)融入到控制器中,，二次開(kāi)發(fā)具有自己特色的控制器,，極大地拓展了控制器的控制能力。# D, Q8 M; k# [
4）與伺服控制技術(shù)的融合,�,！皟�(nèi)部驅(qū)動(dòng)變量評(píng)價(jià)”就屬于這一技術(shù)方向。伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能直接影響整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的控制表現(xiàn)和整個(gè)裝備的性能表現(xiàn),。因此,，伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)技術(shù)也成為高端控制器技術(shù)群的重要基礎(chǔ)。由于伺服驅(qū)動(dòng)裝置嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),，運(yùn)算資源,、存儲(chǔ)資源和人機(jī)交互能力的局限性，伺服系統(tǒng)參數(shù)的可視化和優(yōu)化需要通過(guò)上位的數(shù)字控制器來(lái)實(shí)現(xiàn),。因此,，控制器技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的技術(shù)融合就成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向。這一技術(shù)特點(diǎn)可以從許多控制器產(chǎn)品中得到映證,。; T4 U/ @1 m1 u0 z" J+ a$ _/ ]
上述四大技術(shù)方向?qū)?shù)字化裝備的進(jìn)步非常重要,。我國(guó)的數(shù)控技術(shù)在上述方向基本上存在較大的差距,，應(yīng)當(dāng)成為我們努力的方向,。' y( o+ t' K+ {9 N5 B! f9 j2 b
結(jié)論：
2 \6 F% g" R8 |2 i) A3 j, Z" [2 s' u 我國(guó)的數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展除了技術(shù)本身的問(wèn)題外,，還需要國(guó)家政策的鼓勵(lì)和扶持，以及制造裝備廠商的支持,。特別是要解決首臺(tái)首套的應(yīng)用示范工程,，一方面將國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)水平的差異量化，明確國(guó)產(chǎn)控制器的努力方向,；另一方面,，打破進(jìn)口品牌的神話，為國(guó)產(chǎn)品牌的數(shù)控產(chǎn)品的應(yīng)用推廣提供機(jī)遇,，以華中數(shù)控,、廣州數(shù)控、沈陽(yáng)數(shù)控,、大連數(shù)控,、齊重?cái)?shù)控等企業(yè)為代表的中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，從“以技術(shù)引進(jìn)消化吸收為主”到“主要依靠自主創(chuàng)新”,，走出了具有中國(guó)特色的數(shù)控技術(shù)發(fā)展之路,。中國(guó)的數(shù)控技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平是任重而道遠(yuǎn)，相信在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的社會(huì)氛圍下,，通過(guò)以企業(yè)為核心的新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新模式組織下,，充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)制造技術(shù),、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合,，通過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，自主創(chuàng)新,，逐步打破技術(shù)封鎖和遏制,，加速技術(shù)進(jìn)步，是大有希望的,。 |
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發(fā)表于 2007-10-9 20:48:54
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