開(kāi)發(fā)重點(diǎn)：中高檔數(shù)控機(jī)床

       拜中國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛所賜，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2009年起，中國(guó)機(jī)床產(chǎn)值已連續(xù)兩年位居全球第一，占有率達(dá)30%以上。2011年，盡管受到國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)下行的負(fù)面影響，中國(guó)機(jī)床工具行業(yè)的同比增速出現(xiàn)了下滑態(tài)勢(shì)，但數(shù)據(jù)顯示，2011年中國(guó)機(jī)床工具行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值7437.61億元，同比增長(zhǎng)32.50%(如圖1所示)，整體上仍呈現(xiàn)出較快的發(fā)展速度。另一個(gè)值得關(guān)注的是，2011年沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)的經(jīng)營(yíng)規(guī)模也躍居全球同行業(yè)的前列，成為了中國(guó)企業(yè)的又一個(gè)驕傲。

       與此同時(shí)，中國(guó)也是當(dāng)今世界第一大機(jī)床消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)。在市場(chǎng)需求方面，隨著國(guó)內(nèi)汽車、鋼鐵、機(jī)械、模具、電子、化工等一批以重工業(yè)為基礎(chǔ)的高增長(zhǎng)行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，帶動(dòng)了對(duì)高效、高精度自動(dòng)化制造設(shè)備的需求，機(jī)床工具行業(yè)進(jìn)入高速增長(zhǎng)的階段。在進(jìn)口方面，以2011年上半年為例，中國(guó)從日本、德國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù)額合計(jì)已超過(guò)60%，而從進(jìn)口的機(jī)種來(lái)看，精密生產(chǎn)、高效高速的中高檔數(shù)控機(jī)床需求明顯增加，表現(xiàn)出我國(guó)機(jī)床需求結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了較大的改變。

       數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化機(jī)床，通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成，大致上可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等16大種類。在新頒布的國(guó)家“十二五”規(guī)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(jī)床行業(yè)的有力支持。據(jù)專業(yè)人士分析，預(yù)計(jì)未來(lái)五年內(nèi)中國(guó)機(jī)床行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率約為25-30%，其中，中高端數(shù)控機(jī)床將成為增長(zhǎng)的主力。

       從我國(guó)目前機(jī)床行業(yè)的發(fā)展情況來(lái)看，自產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，特別是中高端數(shù)控機(jī)床的比例嚴(yán)重偏低。從2011年的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，1-8月，我國(guó)機(jī)床行業(yè)平均產(chǎn)量數(shù)控化率為30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個(gè)百分點(diǎn)(如圖2所示)，與一些發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床數(shù)控率達(dá)到70%的水平相比，差距較為明顯。尤其是最近幾年受國(guó)際金融危機(jī)的影響，德國(guó)、日本機(jī)床企業(yè)恢復(fù)迅速，并且紛紛以低價(jià)格、中端機(jī)的策略進(jìn)入中國(guó)，市場(chǎng)反響良好，這樣也為中國(guó)中高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力；同時(shí)，來(lái)自臺(tái)灣地區(qū)和韓國(guó)的中檔機(jī)床也是一股不容忽視的力量。從中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年前三季度，金屬加工機(jī)床進(jìn)口99.1億美元，同比增長(zhǎng)51.4％，由于進(jìn)口激增，國(guó)產(chǎn)金屬加工機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率呈顯出下降的趨勢(shì)。

       為了盡快改變這些現(xiàn)狀，2008年12月，在國(guó)家科技部等部委的支持下，由沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)牽頭，聯(lián)合8家企業(yè)、6家院所正式組建起“數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件開(kāi)發(fā)、高速精密機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性、高速精密機(jī)床切削工藝、數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等方面開(kāi)展研究工作。據(jù)科技部重大專項(xiàng)辦有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2009年正式啟動(dòng)的數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)將延續(xù)到2020年，預(yù)計(jì)中央財(cái)政、地方財(cái)政及企業(yè)總投入將達(dá)到數(shù)百億元，這標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床已成為了中國(guó)機(jī)床工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

伺服在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

       對(duì)精度、速度、功率等的控制能力指標(biāo)是機(jī)床產(chǎn)品的主要追求目標(biāo)。針對(duì)中國(guó)機(jī)床工具行業(yè)的數(shù)控技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍相對(duì)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(jī)的整體技術(shù)水平，與數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，當(dāng)中，也包括運(yùn)動(dòng)控制的核心部件——伺服系統(tǒng)。目前，在數(shù)控機(jī)床行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，交流伺服系統(tǒng)已明顯占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)；而按照機(jī)床傳動(dòng)機(jī)械的不同，又將應(yīng)用的伺服系統(tǒng)分為進(jìn)給伺服與主軸伺服兩類。

       在主軸伺服驅(qū)動(dòng)單元方面，由于需要提供加工各類工件所需的切削功率，因而要求其能夠滿足機(jī)床主軸調(diào)速范圍寬、低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特性，同時(shí)還可配合CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)單元以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，以產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此，特別強(qiáng)調(diào)其對(duì)位置與速度控制的準(zhǔn)確性和快速性，且可靠性要高。

       為了進(jìn)一步提高機(jī)床行業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)單元的控制性能，目前大量的數(shù)字處理技術(shù)被引入到該領(lǐng)域，一批廠商紛紛開(kāi)發(fā)出全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)單元。這類伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、CPLD超大規(guī)模集成電路芯片，以及優(yōu)化的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制，大幅提高了控制精度和響應(yīng)速度；此外，還運(yùn)用智能功率模塊(IPM)，從而保障了整機(jī)的可靠性。

       在機(jī)床行業(yè)所使用的電機(jī)上，目前主要包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等，高精密數(shù)控機(jī)床要求電機(jī)采用全封閉式結(jié)構(gòu)，搭配高速、高精度光電編碼器，與高性能驅(qū)動(dòng)器配合作高精度速度和位置控制，穩(wěn)定可靠、振動(dòng)小、噪聲低。

       伴隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)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(fèi)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(jī)床的市場(chǎng)容量急劇增加。此外，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)正引領(lǐng)數(shù)控機(jī)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(duì)數(shù)控機(jī)床行業(yè)最新的技術(shù)發(fā)展，使得伺服控制系統(tǒng)也亟待在各方面提升其性能指標(biāo)，其中，分布式串行伺服系統(tǒng)、高控制精度和穩(wěn)定性，以及降低電機(jī)的能耗，是目前整體伺服系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)上的主要趨勢(shì)。

滿足多軸、多點(diǎn)控制需求

       在當(dāng)今運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展中，分布式系統(tǒng)架構(gòu)(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(jī)界面的良好化、節(jié)能環(huán)保等方面具有積極的意義。因應(yīng)這一趨勢(shì)，在要求軟硬件更具有實(shí)時(shí)性、擴(kuò)充性的同時(shí)，也需要采用串行式(Serial)伺服控制，以滿足多軸、多點(diǎn)(I/O)控制，這些將成為未來(lái)伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。

       傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)大多經(jīng)過(guò)一個(gè)閉環(huán)回路(CloseLoop)，控制系統(tǒng)內(nèi)各裝置的定位、速度與力矩；但隨著一些大型分布式生產(chǎn)系統(tǒng)所須控制的裝置(軸數(shù)、I/O點(diǎn))日益增多、配線也更為復(fù)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(dǎo)型廠商采用多樣工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)字信號(hào)和控制參數(shù)，以滿足對(duì)實(shí)時(shí)性的要求——分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來(lái)。分布式串行伺服系統(tǒng)可模塊化，設(shè)計(jì)較為彈性，可任意擴(kuò)充多軸運(yùn)動(dòng)(Motion)與I/O控制點(diǎn)數(shù)，只須單線連結(jié)、單機(jī)(計(jì)算機(jī))管控，大幅節(jié)省了配線成本與空間，因而成為了未來(lái)制造業(yè)主流趨勢(shì)

       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(jī)。為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，其開(kāi)發(fā)的Pronet系列伺服驅(qū)動(dòng)器率先增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開(kāi)放性的設(shè)計(jì)。通過(guò)選件模塊，可擴(kuò)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(duì)應(yīng)PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)的伺服信息(位置、速度、轉(zhuǎn)矩、輸入輸出、報(bào)警等)可實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，使伺服系統(tǒng)的調(diào)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(xiàn)255個(gè)站點(diǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制，可廣泛用于高精度機(jī)床、高速包裝和印刷機(jī)械等高端應(yīng)用領(lǐng)域。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

       另外，以廣州數(shù)控推出的DAT系列交流伺服驅(qū)動(dòng)單元為例，其在成熟交流伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合串行總線及絕對(duì)式編碼器接口技術(shù)，支持自主研發(fā)的GSKLink總線技術(shù)，CNC通過(guò)串行總線可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服的調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯著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0.1μm指令精度的CNC，可實(shí)現(xiàn)0.1μm級(jí)控制精度，是數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備高速高精運(yùn)動(dòng)控制的較佳選擇。