數控機床是以數字化制造技術(shù)為核心

數控機床是以數字化制造技術(shù)為核心的機電一體化機床，通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動(dòng)系統及其它輔助系統組成，大致上可分為數控車(chē)床、數控銑床、加工中心等16大種類(lèi)。在新頒布的國家“十二五”規劃中，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(kāi)精密機床行業(yè)的有力支持。據專(zhuān)業(yè)人士分析，預計未來(lái)五年內中國機床行業(yè)的復合增長(cháng)率約為25-30%，其中，中高端數控機床將成為增長(cháng)的主力。

從我國目前機床行業(yè)的發(fā)展情況來(lái)看，自產(chǎn)數控機床仍遠遠無(wú)法滿(mǎn)足國內市場(chǎng)的需求，特別是中高端數控機床的比例嚴重偏低。從2011年的統計來(lái)看，1-8月，我國機床行業(yè)平均產(chǎn)量數控化率為30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個(gè)百分點(diǎn)，與一些發(fā)達國家機床數控率達到70%的水平相比，差距較為明顯。尤其是最近幾年受?chē)H金融危機的影響，德國、日本機床企業(yè)恢復迅速，并且紛紛以低價(jià)格、中端機的策略進(jìn)入中國，市場(chǎng)反響良好，這樣也為中國中高檔數控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的競爭壓力;同時(shí)，來(lái)自臺灣地區和韓國的中檔機床也是一股不容忽視的力量。從中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )的統計數據顯示，2011年前三季度，金屬加工機床進(jìn)口99.1億美元，同比增長(cháng)51.4%，由于進(jìn)口激增，國產(chǎn)金屬加工機床、數控機床的市場(chǎng)占有率呈顯出下降的趨勢。

為了盡快改變這些現狀，2008年12月，在國家科技部等部委的支持下，由沈陽(yáng)機床集團牽頭，聯(lián)合8家企業(yè)、6家院所正式組建起“數控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟”，該聯(lián)盟將重點(diǎn)圍繞高速精密數控機床關(guān)鍵功能部件開(kāi)發(fā)、高速精密機床運動(dòng)特性、高速精密機床切削工藝、數控系統應用技術(shù)等方面開(kāi)展研究工作。據科技部重大專(zhuān)項辦有關(guān)負責人介紹，2009年正式啟動(dòng)的數控機床專(zhuān)項將延續到2020年，預計中央財政、地方財政及企業(yè)總投入將達到數百億元，這標志著(zhù)數控機床已成為了中國機床工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

伺服在數控機床的應

對精度、速度、功率等的控制能力指標是機床產(chǎn)品的主要追求目標。針對中國機床工具行業(yè)的數控技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比仍相對落后的局面，究其根由，可以說(shuō)，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的整體技術(shù)水平，與數控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，當中，也包括運動(dòng)控制的核心部件伺服系統。目前，在數控機床行業(yè)的實(shí)際應用中，交流伺服系統已明顯占據了一定的優(yōu)勢;而按照機床傳動(dòng)機械的不同，又將應用的伺服系統分為進(jìn)給伺服與主軸伺服兩類(lèi)。

在主軸伺服驅動(dòng)單元方面，由于需要提供加工各類(lèi)工件所需的切削功率，因而要求其能夠滿(mǎn)足機床主軸調速范圍寬、低速大轉矩、動(dòng)態(tài)響應快等特性，同時(shí)還可配合CNC系統實(shí)現剛性攻絲、主軸速度控制、Cs軸控制實(shí)時(shí)切換等高性能。而進(jìn)給伺服驅動(dòng)單元以數控機床的各坐標為控制對象，以產(chǎn)生機床的切削進(jìn)給運動(dòng)，因此，特別強調其對位置與速度控制的準確性和快速性，且可靠性要高。

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

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

在機床行業(yè)所使用的電機上，目前主要包括步進(jìn)電機、伺服電機和混合式步進(jìn)電機等，高精密數控機床要求電機采用全封閉式結構，搭配高速、高精度光電編碼器，與高性能驅動(dòng)器配合作高精度速度和位置控制，穩定可靠、振動(dòng)小、噪聲低伴隨著(zhù)國內數控機床行業(yè)的快速發(fā)展，高速度、亞微米精加工時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，例如，在iPone、iPad、LEDTV等消費性電子、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，高速切削機床的市場(chǎng)容量急劇增加。此外，數字化、網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)正引領(lǐng)數控機床進(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。面對數控機床行業(yè)最新的技術(shù)發(fā)展，使得伺服控制系統也亟待在各方面提升其性能指標，其中，分布式串行伺服系統、高控制精度和穩定性，以及降低電機的能耗，是目前整體伺服系統在技術(shù)研發(fā)上的主要趨勢。

滿(mǎn)足多軸、多點(diǎn)控制需

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

傳統的伺服控制系統大多經(jīng)過(guò)一個(gè)閉環(huán)回路(CloseLoop)，控制系統內各裝置的定位、速度與力矩;但隨著(zhù)一些大型分布式生產(chǎn)系統所須控制的裝置(軸數、I/O點(diǎn))日益增多、配線(xiàn)也更為復雜，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(jiàn)肘，且易受到電源等噪聲的干擾。因此，近年來(lái)，一些領(lǐng)導型廠(chǎng)商采用多樣工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞數字信號和控制參數，以滿(mǎn)足對實(shí)時(shí)性的要求分布式運動(dòng)控制系統也隨之發(fā)展起來(lái)。分布式串行伺服系統可模塊化，設計較為彈性，可任意擴充多軸運動(dòng)(Motion)與I/O控制點(diǎn)數，只須單線(xiàn)連結、單機(計算機)管控，大幅節省了配線(xiàn)成本與空間，因而成為了未來(lái)制造業(yè)主流趨勢。

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(jì)。為了使用戶(hù)更加靈活地使用伺服系統，其開(kāi)發(fā)的Pronet系列伺服驅動(dòng)器率先增加了可擴展性以及柔性化、開(kāi)放性的設計。通過(guò)選件模塊，可擴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，對應PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò )，該系統的伺服信息(位置、速度、轉矩、輸入輸出、報警等)可實(shí)時(shí)控制和調整，使伺服系統的調整時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)單，一個(gè)上位控制器可最多實(shí)現255個(gè)站點(diǎn)的多軸運動(dòng)控制，可廣泛用于高精度機床、高速包裝和印刷機械等高端應用領(lǐng)域。

另外，以廣州數控推出的DAT系列交流伺服驅動(dòng)單元為例，其在成熟交流伺服技術(shù)的基礎上，結合串行總線(xiàn)及絕對式編碼器接口技術(shù)，支持自主研發(fā)的GSKLink總線(xiàn)技術(shù)，CNC通過(guò)串行總線(xiàn)可實(shí)現對伺服的調試和實(shí)時(shí)監控，顯著(zhù)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0.1m級控制精度，是數控機床、自動(dòng)化設備高速高精運動(dòng)控制的較佳選擇。

提高控制精度、穩定性

隨著(zhù)以數控機床為技術(shù)平臺的數字化制造的興起，智能化制造、技術(shù)集成和技術(shù)復合已成為了數控機床技術(shù)最為活躍的發(fā)展趨勢之一。智能化機床能夠借助各種傳感器對自己的狀態(tài)進(jìn)行監控，自行分析機床狀態(tài)、加工過(guò)程以及周邊環(huán)境有關(guān)的信息，然后自行采取應對措施來(lái)保證最優(yōu)化的加工。另外，新型的數控機床同時(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(yǔ)音提示和短信通知，以及按照加工要求幫助選擇切削參數等等，總之，智能化可以提高機床工作的控制精度，以及整機的穩定、可靠性。

而在伺服系統方面，基于永磁電機動(dòng)態(tài)解耦數學(xué)模型的矢量控制技術(shù)是目前伺服系統的核心控制方法，為了進(jìn)一步提高控制精度和穩定性，部分廠(chǎng)商在矢量控制的基礎上，控制回路采用高速數字信號處理器(DSP)，配合增益自動(dòng)調整、指令平滑功能以三菱電機開(kāi)發(fā)的MR-J3系列交流伺服系統為例，為了實(shí)現高精度定位，與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉的絕對位置編碼器，速度環(huán)路頻率響應提高到900Hz，具有高速/大轉矩特性，還可降低齒槽轉矩，減小伺服電機的轉矩波動(dòng)，實(shí)現機器在勻速下更加平滑順暢的運行。同時(shí)，該產(chǎn)品可通過(guò)先進(jìn)的自整定功能和高級振動(dòng)抑制控制功能，實(shí)現包括位置增益和速度增益在內所有增益的自動(dòng)調整，有效抑制當驅動(dòng)部件停止時(shí)所發(fā)生的100Hz頻率以下的振動(dòng)，且伺服設置軟件MR-configurator具有精確的機械分析功能，可用于機械工具和一般工業(yè)機械等需要高精度位置控制和平穩速度控制的應用場(chǎng)合。

中達電通近期推出的ASDA-M系列屬于三軸合一智能型伺服，其將三臺伺服融合在同一機座內，三軸同動(dòng)控制，軸間交換數據沒(méi)有時(shí)間延遲問(wèn)題;可以直接在驅動(dòng)器內進(jìn)行直線(xiàn)、圓弧與螺旋的插補控制;新的龍門(mén)控制架構，精準同步，可以用于純剛性連接的機構;軟件具備簡(jiǎn)易的循圓分析，可強化系統問(wèn)題的診斷能力。此外，ASDA-M系列伺服還具備優(yōu)異的高速響應性能、高低頻抑振能力、精準的全閉環(huán)控制、靈活的內部位置編程模式、實(shí)時(shí)性的位置記錄與位置比較功能等優(yōu)勢，大大提高了機械終端的定位精度。

降低電機能耗

作為數控機床的重要功能部件，電動(dòng)機的性能直接關(guān)系到整體系統的性能發(fā)揮。由于步進(jìn)電機在成本控制方面的優(yōu)勢，因而使其成為了大多數經(jīng)濟型數控機床的首選產(chǎn)品，但同時(shí)它的缺點(diǎn)也很明顯，即慣量大、每單位功率的轉矩輸出比值小(N-m/kW)、效率差、發(fā)熱量大。而伺服電機因具有響應速度快、定位精準、技術(shù)門(mén)坎相對較高的優(yōu)勢，因而在高端數控機床等精密機械行業(yè)中得以廣泛應用。其中，交流伺服電機的特點(diǎn)是正弦波控制，轉矩脈動(dòng)小;定子繞組散熱比較方便;慣量小，易于提高系統的快速性;適應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，對維護和保養要求低。

根據國際能源署的最新統計，工業(yè)用電占全球電力總消耗的約42%，其中2/3被工業(yè)電機所消耗。因此，現階段數控機床高速主軸所需的伺服電機、內藏式轉定子領(lǐng)域都以強調提高節能效益來(lái)創(chuàng )造新的市場(chǎng)商機。例如，目前一些日系、歐美伺服電機廠(chǎng)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產(chǎn)品的質(zhì)量、性能上相對具有一定的優(yōu)勢。而據估計，采用這些稀土永磁無(wú)鐵芯電機拖動(dòng)通用設備的系統運行效率平均可提高20-40%，節電潛力可達1000-2000億千瓦時(shí)。

去年6月，針對低壓電機的歐盟最低能效標準法規開(kāi)始生效，該新法規涉及大部分功率介于0.75千瓦~375千瓦、50和60赫茲的兩級、四級、六級交流電機，計劃分三個(gè)階段，提高所涉及的這些電機產(chǎn)品的國際能效等級。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(lèi)似的能效法規，美國則是從2010年底開(kāi)始執行相當于IE3等級的NEMAPremium(美國全國電器制造商協(xié)會(huì )高效率)標準。這些法規的陸續推出將進(jìn)一步促進(jìn)電機行業(yè)節能技術(shù)的提升。

此外，對于齒輪磨床、精密機床以其它一些機床來(lái)說(shuō)，直接驅動(dòng)技術(shù)是另一個(gè)值得關(guān)注的發(fā)展方向，直接驅動(dòng)直線(xiàn)電機也是未來(lái)高速、高精度數控機床的理想驅動(dòng)模式，目前受到了機床廠(chǎng)家的普遍重視，技術(shù)發(fā)展迅速。全球領(lǐng)先的運動(dòng)控制系統和配件廠(chǎng)商科爾摩根在直接驅動(dòng)技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域有著(zhù)豐富的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗，其推出的直接驅動(dòng)直線(xiàn)(DDL)系列電機屬于無(wú)框永磁三相無(wú)刷伺服電機，不需要維護，精度更高，帶寬更高，運動(dòng)速度更平穩，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(xiàn)應用，簡(jiǎn)化了高推力永磁設計方案，從而大大提高了機器的整體可靠性。

結語(yǔ)

值得一提的是，在中國機床行業(yè)大舉邁入高檔數控化的同時(shí)，對普通機床和老化數控機床進(jìn)行“再制造”，也是一個(gè)潛力無(wú)窮的市場(chǎng)，畢竟來(lái)講，要購置全新的數控機床需要巨額的投入。目前國內一些領(lǐng)先廠(chǎng)商正積極開(kāi)拓這一市場(chǎng)，力爭實(shí)現與購置新機床同樣的效果，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，據有關(guān)廠(chǎng)商計算，一套經(jīng)濟型數控化“再制造”機床的價(jià)格僅為相同功能新數控機床的1/5-1/3。

數控機床的發(fā)展直接關(guān)系到國家基礎制造業(yè)的轉型與升級，是現階段重要的戰略發(fā)展國策之一。作為其中主要的支撐產(chǎn)業(yè)，伺服控制系統急需快速地適應當前制造業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，從技術(shù)和服務(wù)這兩個(gè)環(huán)節上，提升整體解決方案的技術(shù)水平。針對當前中高端數控機床的具體需求，伺服控制企業(yè)應不斷為客戶(hù)提供創(chuàng )新的運動(dòng)解決方案和高品質(zhì)的產(chǎn)品，幫助客戶(hù)提升數控機床產(chǎn)品的性能，使其更具市場(chǎng)競爭力，并且盡可能地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，節約預算，提高整體系統的可靠性和生率效率，最終達到提升數控機床速度、準度和位置控制精確度的目標。