开放式智能化数控技术

    一、技术概述

    世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使机械加工业跨入一个新的“现代化”的历史发展阶段，从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床不但是机电工业的重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业生产现代化的主要手段，数控机床也是世界第三次产业革命的一个重要内容。数控机床产业本身的产值远不如汽车、化工等产业，但高效能的数控机床给制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式，是促进国家国民经济发展的巨大源动力。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果足以对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式及管理模式、社会的生产分工、企业的运行机制等带来深刻的变化。
    在数控机床中得到广泛应用的数控技术，是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术，其中最典型而应用面最广的是数控机床。由于机械加工工艺的多样性和加工零件的复杂性，使数控机床的规格、品种多样、性能差异极大，控制参数复杂，调试操作繁琐，因此在将不断飞速发展的通用计算机技术及其体系结构、现代自动控制理论及现代的电力电子技术应用于新一代数控机床时，要强调使其具有“开放式”与“智能化”的特点。
    1．“开放式”
    要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构，其特点是：在实现系统构成要素模块化的同时，要通过这些要素之间的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从而能方便地构成完整的系统。具体如下：
    －－－系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准化的；
    －－－系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；
    －－－系统应具有“连续升级”的能力。
    同时新一代数控机床的机械结构也应是开放式的，其特点应是：
    －－－采用功能模块部件组成的机床；
    －－－采用“工艺策划”、“加工数据库”向用户开放；
    －－－采用“信息技术”将社会制造资源的合理调配逐步在机械制造业建立完善的虚拟化与网络化的先进制造体系，使机械制造业资源高效地被利用，达到降低成本、提高质量、缩短制造周期的目的。
    2．智能化
    所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，在数控系统中具有模拟、延伸、扩展的智能行为的知识处理活动，如自学习、自适应、自组织、自寻优、自镇定、自识别、自规划、自修复、自繁殖等。智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。
    当前数控系统所需要的功能将不只是高的性能（高速、高精度、高可靠性），而且还包括许多智能功能，如加工运动规划、推理、决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力（包括与人的交互）、智能编程、智能数据库、智能监控等。
    经过实践证明，上述的“智能化”技术，在21世纪还要应用于新一代数控机床的调整、使用与维修等各个环节，使人工参与大为简化，要应用“智能化”技术，对人机界面进行包装，要充分利用自然语言、视窗界面和简单化的人工运作，使机床的调整、使用与维修趋于“傻瓜化”。

    二、现状及国内外发展趋势

    1．国外发展趋势
    纵观数控技术的发展历史，不难看出数控技术的发展是逐步跟踪计算机技术的发展而不断发展的，从1956年至今，大致经历了如下四个阶段：
    1956年－1974年，专用硬件NC的时代；
    1975年－1989年，专用计算机数控时代，即微处理器NC的时代（µ   PC）；
    1990年－1995年，BASIC PC  的CNC时代；
    1996年至今，开始全PC开放式智能化数控新阶段。
    前三个阶段的NC装置存在着以下局限性：
    －－－不能自由地从信息网上选取信息；
    －－－体系结构不开放，用户接口不完善，机械厂家和用户不能自主地根据需要对数控系统进行裁剪，用户自身的技术诀窍不能方便地融入，创造出自己的名牌产品；
    －－－不能充分地利用已有的通用软件资源；
    －－－不能自由地获取外部的工况信息；
    －－－体系结构繁多，不利于批量生产、提高可靠性和降低成本，削弱了市场供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展。
    近年来美国、欧共体、日本等国纷纷采取措施，投入大量的财力，联合各厂，甚至多国进行合作，研究新一代的数控系统，从前述的资料看，世界的数控技术正处在向全PC开放式体系结构数控平台时代转折，这一转折正是适应了计算机技术、信息技术、网络技术等技术的发展的必然结果。
    由于现代机械加工业逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展，因此新一代数控技术就必需强调具有开放式、智能化的特征。近几年来世界发达国家纷纷采取措施，投入大量的人力、财力组织优势力量进行新一代开放式体系结构和具有智能型功能的数控技术开发与研究，包括美国的NGC和OMAC计划、欧共体的OSACA计划、日本的OSEC计划等。
    数控机床机械结构更趋向于“开放式”，为满足现代机械加工的多样化需求，新一代的数控机床具有以下特点：
    （1）机床结构按模块化、系列化原则进行设计与制造，以便缩短供货周期，最大限度满足用户的工艺需求。
    （2）由于数控机床的很多部件的质量指标的不断提高，品种规格的逐渐增加、机电一体化内容更加丰富、功能参数日趋庞杂，因此专门为数控机床配套的各种功能部件已完全商品化，为建立具有竞争能力的机床厂创造了条件。
    （3）为向用户开放，各发达国家的数控机床厂都积极建立完全开放式的产品售前、售后服务体系。建立开放式的零件试验室，建立自助式数控机床操作、维修培训中心。
    （4）采用信息网络技术，把社会上各种制造资源根据加工任务进行合理组合与调用，是21世纪将先进制造技术发展的必然趋势，世界各国都在积极进行这方面的研究工作。
    （5）人工智能化技术在数控技术中的推广应用。随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化发展。在新一代的数控系统和伺服装置中，由于采用“进化计算”（Evolutionary Computation），“模糊系统”（Fuzzy System）和“神经网络”（Neural Network）等三个方面新的控制机理，性能大大提高。这种高性能的智能化的数控系统不但具有自动编程、前馈控制、自适应切削，工艺参数自生成、运动参数动态补偿等功能，更具特色的是考虑到操作使用的因素而呈现的极为友好的人机界面。
    当前采用模糊控制原理的电加工数控系统和具有自学习、自建立数学模型、自调整参数的高性能数控机床伺服驱动装置已有产品并在市场中具有强的竞争能力。
    2．我国数控技术开发现状与差距
    我国的数控技术，在“八五”攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以PC机为基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统，航天I型和兰天I型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构，国内其它单位也都先后开发开放式体系结构系统。
    然而就总体而论，还仅仅处于开始阶段，虽然各个系统都向PC平台方向发展，但在具体的实施开发中仍然存在一些问题。最大的问题即是开放性不够、开发环境和支持手段不足，要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未达到，只是具有相当技术力量的开发单位才能使用，而作为能够普及到一般用户的程度则还远远不够。
    利用PC机设计数控系统使得CNC的重点由硬件转向软件，为我国的数控发展消除了硬件上的“瓶颈”制约，从而可能加快生产出实用产品。而且PC－NC毕竟使CNC向开放性体系结构迈出了一大步。
    在数控机床设计与制造中，我国已开始采用模块化技术，对数控切削加工中的工艺参数、工具系统的优化、智能适应控制都进行过研究，它为对智能化控制的进一步研究奠定基础，但上述工作仅仅是一个开端，仍需在“十五”期间进行一系列开发研究工作，跟踪世界数控技术，推动我国数控产业的发展。

    三、“十五”目标及主要研究内容

     1．目标
    为使中国数控技术进一步提高，使中国数控机床产业能在国际竞争中取得一席之地，中国发展数控技术的战略，要结合中国经济发展的特点，首先对具有“开放式”、“智能化”特征的数控技术进行创新性的研究，要在重点研究数控车削、铣削、磨削和电加工的基础上，研究先进制造技术及工艺，进而开发出一代“开放式”、“智能化”的数控车床，数控铣床（包括加工中心）及数控电加工机床系列产品。
    2．主要研究内容
    ①新一代开放式数控系统开发研究。开放式数控系统的构造、界面与协议的研究，包括研究系统、子系统和功能模块分级式的控制结构，开放式数控系统界面和协议的研究。
    ②新一代智能化的数控系统研究。开发研制出适用于车削、铣削、加工中心、电加工等多种智能化的新一代计算机基本数控系统及相应的智能化编程系统。包括研究和制定智能化数控系统的硬件、软件规范并在主要数控生产基地实施；开发两种通用系统（车削加工、加工中心）三种应用系统（车削中心、五面加工中心、智能化电加工）；智能化编程系统。
    ③新一代主轴和伺服驱动装置的创新研究，开发研究出高性能伺服驱动装置及相应的电机，包括具有自学习、自调整参数、全数字化、直线电机及廉价型驱动装置。
    ④高效数控装备的开发研究。按模块化设计的原则，开发研制出高效加工单元，开发研制出高效数控铣床、曲轴磨床、激光成型、集成加工中心及数控高速镂铣机等多种高效数控机床，并进一步构思和设计研究出智能化高效加工单元的平台及机械人柔性制造单元。
    ⑤新一代柔性加工设备共性基础技术及理论的研究。包括各类数控机床模块新结构设计、可靠性设计、机械结构特性设计优化、计算机辅助工业造型设计、新材料与感控补偿技术、轮廓加工精度综合补偿技术、高速高精度轴单元、刀具及综合工具系统、搬运及传输、冷却及防护、功能集成、感控集成的制造加工技术。
    ⑥机械加工的柔性自动化理论及方法研究。包括商品化的柔性制造单元、实用化的准柔性制造系统、多制式柔性加工技术、生产单元多制式柔性加工技术的研究。
    ⑤新一代柔性加工设备共性基础技术及理论的研究。包括各类数控机床模块新结构设计、可靠性设计、机械结构特性设计优化、计算机辅助工业造型设计、新材料与感控补偿技术、轮廓加工精度综合补偿技术、高速高精度轴单元、刀具及综合工具系统、搬运及传输、冷却及防护、功能集成、感控集成的制造加工技术。
    ⑥机械加工的柔性自动化理论及方法研究。包括商品化的柔性制造单元、实用化的准柔性制造系统、多制式柔性加工技术、生产单元多制式柔性加工技术的研究。