數(shù)控技術的發(fā)展趨勢---外文翻譯

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1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 摘要：簡要介紹了當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎上討論了在我國加入 對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和 最基本的裝備。馬克思曾經說過 “ 各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產 ” 。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)，而且在 “ 高精尖 ” 數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先 進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域： (1)機械制造技術； (2)信息處理、加工、傳輸技術； (3)自動控制技術； (4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術； (6)軟件技術等。 1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè) 化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（ 車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［ 1～ 4］。 2 1． 1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產工程學會（ 其 確定為21 世紀的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領域，年產 30 萬輛的生產節(jié)拍是 40 秒 /輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料 “ 掏空 ” 的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 從 會情況來看，高速加工中心進給速度可達 80m/至更高，空運行速度可達 100m/右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國 司的 床進給速度最大達 60m/速為100m/速度達 2g，主軸轉速已達 60 000r/工一薄壁飛機零件，只用 30同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h，在普通銑床加工需 8h；德國 司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達 12*!000r/ 1g。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10μμm ，精密級加工中心則從 3～ 5μm ，提高到 1～ 并且超精密加工精度已開始進入納米級 (。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的 已達 6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的 達到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為， 1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速 3 銑削淬硬鋼零件時， 5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因，其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的 價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含 5 面加工機床）的發(fā)展。 在 會上，新日本工機的 5 面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn) 4 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國 司展出 在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動加工，可由 統(tǒng)控制或接或間接控制。 能化、開放式、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù) 控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產業(yè)化生產存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的歐共體的日本的 中國的 。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在 統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備 4 的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制 造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在中，日本山崎馬扎克（ 司展出的“（智能生產控制中心，簡稱 日本大隈（ 床公司展出 “（信息技術廣場，簡稱 場 )；德國西門子 (司展出的 放制造環(huán)境，簡稱 ，反映了數(shù)控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢。 視新技術標準、規(guī)范的建立 于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (研究和制定，世界 3 個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進行中國的 控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 于數(shù)控標準 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 準，即采用 G， M 代碼描述如何（ 工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的 統(tǒng)標準 C)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數(shù)據模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。 出 現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產生深遠的影響。首先， 出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中， 工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下， 序可以分散在互聯(lián)網上，這正是數(shù)控技術開放式、網絡化發(fā)展的方向。其次，控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約 75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約 50％）。 5 目前，歐美國家非常重視 研究，歐洲發(fā)起了 參 加這項計劃的有來自歐洲和日本的 20 個戶、廠商和學術機構。美國的 司是全球范圍內制造業(yè)數(shù)據交換軟件的開發(fā)者，他已經開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型 (其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據交換格式已經在配備了 及歐洲 控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。 2 對我國數(shù)控技術及其產業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術起步于 1958年，近 50年的發(fā)展歷程大致可分為 3個 階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“ 六五 ” 、 “ 七五 ” 期間以及 “ 八五 ” 的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的 “ 八五 ” 的后期和 “ 九五 ” 期間，即實施產業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產數(shù)控裝備的產業(yè)化取得了實質性進 步。在 “ 九五 ” 末期，國產數(shù)控機床的國內市場占有率達 50％，配國產數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10％。 縱觀我國數(shù)控技術近 50 年的發(fā)展歷程，特別是經過 4 個 5 年計劃的攻關，總體來看取得了以下成績。 本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技術已具備進行商品化開發(fā)的基礎，部分技術已商品化、產業(yè)化。 攻關成果和部分技術商品化的基礎上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等 具有批量生產能力的數(shù)控系統(tǒng)生產廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產廠。這些生產廠基本形成了我國的數(shù)控產業(yè)基地。 發(fā)、管理人才的基本隊伍。 雖然在數(shù)控技術的研究開發(fā)以及產業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術的研究開發(fā)，尤其是在產業(yè)化方面的技術水平現(xiàn)狀 6 與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差 距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術水平和產業(yè)化水平估計大致如下。 國外先進水平大約落后 10～ 15 年，在高精尖技術方面則更大。 場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產；功能部件專業(yè)化生產水平及成套能力較低；外觀質量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 競爭前數(shù)控技術的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術應用領域拓展力度不強； 相關標準規(guī)范的研究、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 國產數(shù)控產業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術應用水平及能力分析不夠。 技術的角度關注數(shù)控產業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質量的配套體系、完善的培訓、服務網絡等支撐體系。 良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創(chuàng)新、產 品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。 業(yè)在技術方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。 3 對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 略考慮 我國是制造大國，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進一步 “ 空芯 ” 。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的國際 “ 加工中心 ” 和 “ 組 裝中心 ” ，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民 7 的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質，對我國實現(xiàn)禁運和限制， “ 東芝事件 ” 和 “ 考克斯報告 ” 就是最好的例證。 展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場 需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不 會有高可靠性的產品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結合，以 “ 做得出、用得上、賣得掉 ” 為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國數(shù)控產業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。 參考文獻： ［ 1］ 中國機床工具工業(yè)協(xié)會 行業(yè)發(fā)展部 禮［ J］ 2001(3)： 18［ 2］ 梁訓王宣 ,周延佑 J］ 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