國產化數控系統的應用現狀與發展趨勢
2018-7-18 來源：太原機車車輛配件廠 作者：田建忠
摘要：從整體技術水平、綜合競爭能力和市場應用等方面介紹國產化數控系統的應用現狀，并指出其發展趨勢。
數控加工是一門集計算機、自動控制、現代測量、微電子控制和信息化處理為一體的多學科交叉的綜合性高新技術，在現代工業制造領域得到了迅猛的發展和極大的普及。采用數控加工技術能夠滿足多品種、大批量、高精度復雜零部件的加工與制造，是實現工業制造自動化、數字化、柔性化、信息化、集成化和網絡化的重要基礎保證，同時也是現代機床裝備的靈魂和核心，具有廣闊的應用和市場前景，大力發展具有自主知識產權的國產化數控系統和功能部件，對促進我國裝備制造業的快速發展、推進工業現代化進程，實現由“中國制造”向“中國創新”的邁進，具有十分重要的戰略意義。
1、數控系統的概念
數控系統通過對位置、速度和軌跡等參數的控制，向計算機輸入相應數據，經過系統自動插補運算后得出理想的運動軌跡，然后輸出到執行機構，加工出滿足規定要求的零部件。數控系統作為數控機床最重要的“大腦”和“神經中樞”，在確保產品質量、滿足用戶使用需求中起到了至關重要的作用，是一個國家機械制造業智能化水平的重要標志和具體體現。
數控系統一般采用若干微處理器通過程序化的軟件形式實現數控加工功能，主要由輸入、處理和輸出三個基本單元構成，而所有這些工作都由計算機數控系統通過程序進行集中、合理的協調與分配，使之能夠高效、安全、可靠地運行和工作。數控機床的核心是數控系統，通過裝有計算機控制系統來滿足機床的自動化加工，數控系統能夠高效地處理具有控制編碼或其他指令符號規定的邏輯程序，以代碼為載體輸入到數控裝置，經運算處理后由數控裝置發出各種控制指令和信號，控制機床的規定動作，按照產品圖樣要求的尺寸和形狀，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種零件的加工技術問題，是一種柔性、高效、典型的機電一體化產品，數控機床的橫空出世，作為19世紀人類文明成果的重要標志，順應了時代發展的需要，推動了工業化革命的進程，代表了現代機床控制技術的前進方向。數控系統集成控制原理如圖1所示。
圖1 數控系統集成控制原理
2、國產化數控系統的應用現狀
數控系統是數控機床裝備的核心部件，數控機床整機出廠時需要裝備數控系統，同時設備改造、系統升級也需要用到數控系統，特別是近幾年來我國在能源、電力、航空、航天、鐵路、汽車和冶金等方向的快速發展，更是為數控系統的應用提供了廣闊的市場空間。
改革開放以來 ，我國國民經濟持續穩步增長，極大的社會需求帶動了數控技術產業鏈的快速發展，同時也應看到，我國與國外先進的數控技術尚有一定的差距，但這種差距在逐步縮小，在引進、消化、吸收、再創新國外先進數控技術的基礎上，我國已生產出具有自主知識產權的數控系統和數控機床，特別是國產經濟型數控系統，滿足了機床制造業對數控技術的配套要求，符合大多數中國用戶的實際使用水平，加之又有價格方面的優勢，得到了廣大用戶的青睞，形成了規模化生產優勢。國產數控系統企業已占領我國經濟型數控系統95%以上的市場份額。在中型數控系統領域，國產數控系統的功能已達到或接近國外同類產品水平，市場價格和售后服務較國外產品仍有較大的優勢，市場占有率也在不斷攀升。高檔數控系統方面，國產數控系統的市場占有份額較少，絕大部分市場被發那科、西門子、三菱和德馬吉等國外品牌占領，但值得欣慰的是，國產化數控系統已開始進軍這一高端領域，其中華中數控和廣州數控的研發蓄勢待發，隨著未來通過密集性攻關對關鍵技術的重大突破，趕超國際先進水平指日可待。
我國數控系統的研發雖然取得了很大的發展，但是在高檔數控領域配套的數控系統90%以上都是國外產品。高檔數控系統是滿足國家戰略發展裝備的重要手段，是決定機床裝備性能、功能、可靠性和成本的決定性因素，在這一核心領域，國外對我國至今仍進行嚴格的技術封鎖，嚴重制約了我國高檔數控機床的發展。為了加快我國數控技術行業的快速發展，國家出臺了一系列政策，包括國務院批準實施《裝備制造業調整和振興計劃》和國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”。《裝備制造業調整和振興計劃》明確提出：“堅持裝備自主化與重點建設工程相結合，堅持自主開發與引進消化吸收相結合，堅持發展整機與提高基礎配套水平相結合的基本原則”，提升數控系統等基礎配套件的市場占有率，是落實裝備自主化的重要內容。國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”也提出，到2020年，國產高檔數控機床的市場占有率要實現較大程度的提高。這些舉措為我國數控技術行業創造了良好的外部氛圍，對于滿足我國國防工業急需的高檔數控機床開發具有十分重要的現實意義。
目前我國正處于工業化快速發展的成長時期，其中以能源、電力、航空、航天和鐵路為龍頭的基礎工業發展勢頭強勁，構成了對機床尤其是數控機床的巨大需求，發展功能齊全、性能可靠及技術前瞻的數控系統是我們的歷史性選擇。數字化技術的應用場景如圖2所示。
圖2 數字化技術的應用場景
3、 國產化數控系統的發展趨勢
數控系統是確保數控機床技術領先的前提和重要保證。預測未來幾年國產化數控系統的發展趨勢有以下幾點：
（1）向高速度、高效率方向發展。數控機床實現高速化加工，可以極大地提高加工效率、降低使用成本，還可為提高產品的表面加工質量和精度提供有力的技術保證。
（2）向高精度方向發展。通過設置自動間隙補償功能和自動監視、自動補償伺服系統漂移功能，可以滿足從精密加工到超精密加工、精度等級從微米級到亞微米級乃至納米級的制造，為高精度產品的加工帶來福音。
（3）向高可靠性方向發展。數控系統采用大規模專用集成電路和高速微處理器，通過制造過程中的嚴格篩選和校驗，極大地提高電路的可靠性。隨著數字化技術的快速發展，未來數控機床的可靠性已經成為衡量數控系統質量的重要指標。
（4）向復合化、柔性化方向發展。為了盡可能降低機床工作時的輔助時間，滿足柔性化生產的需要，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此具有復合功能的機床成為近年來數控系統的發展趨勢之一。
（5）向多軸化方向發展。為滿足零件表面各種曲面的加工要求，采用多軸聯動機床可在一次裝夾條件下實現零件的快速加工，顯著改善加工表面的精度等級，大幅度提高加工效率，因此開發多軸數控加工設備成為適應市場變化的重要手段。
（6）向開放式方向發展。開放式數控系統可以使用戶在統一的運行平臺上，通過改變、增加或裁剪數控功能，便捷地將用戶的特殊需求和技術訣竅集成到系統中，快速實現多品種、多檔次的開放式數控系統，形成具有市場競爭力的名牌效應。
（7）向智能化方向發展。智能加工是基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工技術，通過在加工過程中模擬人工智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、需要由人工干預才能解決的技術問題。智能化技術涵蓋于數控系統的各個層面，它包含加工過程自適應控制技術、加工參數的智能優化選擇、智能故障自診斷與自修復技術、智能故障回放和故障仿真技術、智能化交流伺服驅動裝置等。
（8）向網絡化方向發展。數控機床實現網絡化，可以使本身的數控系統與外部的其他控制系統或上游計算機進行網絡化的連接，為實現人機對話和遠程通信服務等功能鋪平道路。數控系統的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統和制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式的重要手段和必要條件。
4、結語
隨著科學技術的飛速發展，先進的數控系統在工業制造領域的應用將會越來越多，提供穩定、可靠、先進的高檔數控裝備，構建具有國際競爭力的數控技術產業鏈，掌握數控系統的核心技術，滿足從規劃、設計、分析到優化的綜合功能要求，將有力地促進我國數控技術的全面進步，為企業的技術升級和產業結構調整起到催化劑和孵化器的示范效應。
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