一.什么是數控一代

    當今，機械產品在工業發展中不斷創新，數控技術已成為中國智能制造的巨大驅動力，數控技術是用數字信息技術對工作過程和機械運動進行控制的技術，數控裝備是信息技術與機械技術深度融合的典型體現。所謂數控一代就是將數控技術及產品（包括數控系統和驅動裝置等）與各行各業的機械設備有機融合，實現機械設備的數字化控制，從而引發機械產品本身內涵發生根本性變化，使產品的功能極大豐富、性能發生質的飛躍，全面提升機械產品的質量水平和市場競爭力。綜觀全球實現產業結構調整和機械產品升級的歷程（圖1）：蒸汽機技術使機械工業由人力制作時代進入機械化時代，電氣技術使機械工業由機械化時代進入電氣化時代，數控技術正在使機械工業由電氣化時代躍升為數字化時代；在可預見的將來，機械工業將由數字化時代進入智能化時代。可以看到，對于驅動和控制系統的創新具有鮮明的特征，具有本質的規律，可以普遍運用于各種機械產品創新，可以引起機械產品的升級換代，引起機械工業的深刻變革。這也是“數控一代”這樣一個概念的緣由和根據。

圖1：機械產品的升級換代

二.發展數控一代的重要意義

    1.機械產品創新是機械工業科學發展的關鍵

    機械產業的發展是以科學發展為主題，以加快轉變經濟發展方式為主線。加快轉變經濟發展方式，必須加快推進產業結構的調整優化，核心是產品的技術創新和升級換代。

    經過多年的不斷發展，中國機械工業實現了歷史性的跨越式發展，制造業生產總值成為世界第一，我們國家已經成為“制造大國”。但是，我們還不是“制造強國”，機械工業還沒有擺脫粗放型、外延式發展的模式，核心技術和關鍵技術掌握得不多，自主創新的產品少，附加值不高，核心競爭力不強。綜觀世界，中國制造既面臨其他新興發展中國家的低中端競爭，又面臨西方發達國家重振先進制造業的壓力，在全球制造產業新的調整中既面臨大好發展機遇，又面臨極為嚴峻的挑戰。面臨的挑戰很多，問題主要有兩個：產品質量問題和產品創新問題，因而，產品創新和產品質量應該成為今后一段時期機械工程科技進步的主要方向。

    應用數控技術實現我國機械產品的全面創新和升級換代，非常必要，完全可能，對于我國機械工業的科學發展，具有重要的戰略意義。

    2.數控化是全面創新機械產品的有效途徑

    機械產品的創新可以有多種途徑，主要的有兩種方法：一是創新工作原理或者說工作裝置；二是創新運動的驅動和控制系統。傳統機械產品的構成如圖2所示，包括動力裝置、傳動裝置、工作裝置。工作裝置的創新是根本性的，極為重要，千百年來，人們一直在不斷創造出各種新的機械，形成了適用于完成各種不同任務的成千上萬的機械產品。數控化則是對于機械運動的驅動和控制系統的創新，數控機械產品的構成如圖2所示。

圖2.傳統機械產品的構成

    數控化是創新機械產品的有效途徑，其核心的技術路線是用伺服電機驅動系統取代傳統機械中的動力裝置與傳動裝置，更重要的是用計算機控制系統對機械運動與工作過程進行控制。數控技術的核心是數字化，是先進的信息技術與自動控制、機械制造技術相結合的集成技術，是機械產品創新的使能技術。數控技術的應用引起機械產品本身的內涵發生根本性變化，使機械產品的功能極大豐富，性能發生質的變化，可以從根本上提高機械產品的水平和市場競爭力。

圖3數控機械產品的構成

    應用數控技術對機械產品進行創新具有以下顯著特點：

    (1)先進有效：產品功能、性能、質量均極大提高，同時，機械結構大大簡化，節省能源和材料；

    (2)由于實現了數字控制，為各種先進信息技術的進一步應用乃至于將來實現智能化奠定了基礎；

    (3)可行性強：創新方案與技術路線具體明確、相關技術成熟可靠；

    (4)應用面廣：適用于各行各業機械產品的全面創新。

3.當前是中國機械產品升級換代的最佳機遇期

    當前，我國機械工業正處于產品數字化發展時期，全世界的機械工業也正處于產品數字化發展時期。由“電氣一代”到“數控一代”是一場深刻的變革，必然要經過艱難的攀登過程。數控一代是中國機械產品升級換代的最佳機遇，是中國機械工業跨越式發展的最佳機遇，是中國智能制造水平提升的標注，主要理由是：

    (1)需求強大：需求是最強大的發展動力。由于國民經濟持續快速發展，由于國際國內市場的激烈競爭，數控機械產品的市場需求越來越旺盛，企業產品創新積極性越來越高漲。我們現在面臨的形勢是：

    一是要數控技術應用于中、低檔機械產品，以提升產品的市場競爭力；

    二是要攻克高端數控機械產品，以滿足經濟、社會、國防等方面日益提高的需求。

    (2)技術支持：數控技術的落后是長期以來制約我國機械產品創新與質量的一個重要因素。經過多年來對數控技術的持續攻關，特別是由于電機技術、功率器件技術、控制技術、計算機技術的突破性進展，我國的數控產業已經基本形成，國產經濟型數控系統已主導國內市場，中檔數控系統形成了產業規模，高檔數控系統也已經掌握關鍵技術。我國的數控技術已發展到了技術成熟、質量可靠的階段，全面推廣應用的條件已經成熟。

    (3)應用示范帶動：數控機械產品的創新需要掌握數控技術、機械設計與制造技術、產品領域知識等復合型知識結構的人才，這也是長期以來影響我國機械產品創新的一個重要原因。經過多年努力，人才隊伍和應用示范方面已具備了良好的基礎。

三.數控一代的核心技術

    1.數控系統

    數控系統是數字控制系統的簡稱，根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。通過利用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關量。數控系統早期是與計算機并行發展演化的，用于控制自動化加工設備的，由電子管和繼電器等硬件構成具有計算能力的專用控制器的稱為硬件數控。19世紀70年代以后，分離的硬件電子元件逐步由集成度更高的計算機處理器代替，稱為計算機數控系統。

    目前世界上的數控系統種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對于T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用于回轉體零件加工，后者適合于異形非回轉體的零件加工。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，美國Dynapath系統采用小板結構，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統則趨向大板結構，使之有利于系統工作的可靠性，促使系統的平均無故障率不斷提高。然而無論哪種系統，它們的基本原理和構成是十分相似的。數控系統一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。控制系統按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，并反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。

圖4 數控系統操作界面

    2.伺服驅動

    伺服驅動技術作為數控機床、工業機器人及其它產業機械控制的關鍵技術之一，在國內外普遍受到關注。在20世紀最后10年間，微處理器(特別是數字信號處理器——DSP)技術、電力電子技術、網絡技術、控制技術的發展為伺服驅動技術的進一步發展奠定了良好的基礎。如果說20世紀80年代是交流伺服驅動技術取代直流伺服驅動技術的話，那么，20世紀90年代則是伺服驅動系統實現全數字化、智能化、網絡化的10年。這一點在一些工業發達國家尤為明顯。

    無人化、規模化生產對加工設備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系統具有高響應、免維護(無碳刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點，正好適應了這一需求。例如，日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、德國Siemens公司、AEG公司、力士樂Indramat公司、美國A.B公司、GE公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統付諸實用。國內的交流伺服驅動技術起步較晚，到20世紀80年代末才有產品問世。如冶金部自動化研究院華騰公司的ACS系列、揚州5308廠引進Siemens公司的610系列，這些產品采用大功率晶體管模塊(GTR)，屬于模擬伺服，但從技術上填補了國內空白。

圖5伺服驅動器

3.多軸聯動

    所謂多軸聯動是指在一臺機床上的多個坐標軸(包括直線坐標和旋轉坐標)上同時進行加工，而且可在計算機數控系統(CNC)的控制下同時協調運動進行。多軸聯動加工可以提高空間自由曲面的加工精度、質量和效率。現代數控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自動化和高可靠性方向發展，而多坐標軸數控機床正體現了這一點。

    隨著加工技術的不斷發展和完善，其中包含了程序的編寫日益簡單，這在很大程度上減輕了工程師們在程序上的計算量，同時也減輕了機床操作者的工作量和提高了生產效率，贏得了成本，多軸聯動加工是現代機床的發展方向，體現了一個國家制造業水平的高低。

圖6多軸聯動

    4.數控切削裝備

    數控切削加工作為制造技術的主要基礎工藝，隨著制造技術的發展，在20世紀末也取得了很大的進步，進入了以發展高速切削、開發新的切削工藝和加工方法、提供成套技術為特征的發展新階段。它是制造業中重要工業部門，如汽車工業、航空航天工業、能源工業、軍事工業和新興的模具工業、電子工業等部門主要的加工技術，也是這些工業部門迅速發展的重要因素。當前以高速切削為代表的干切削、硬切削等新的切削工藝已經顯示很多的優點和強大的生命力，成為制造技術提高加工效率和質量、降低成本的主要途徑。

    發展高速切削等新的切削工藝促進制造技術的發展是現代切削技術面臨的新任務。當代的高速切削不是切削速度的少量提高，是需要在制造技術全面進步和進一步創新的基礎上，包括數控機床、刀具材料、涂層、刀具結構等技術的重大進步，才能達到的切削速度和進給速度的成倍提高，才能使制造業整體切削加工效率有顯著的提高。把當前的高速切削水平實用化，使我國機加工整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業發達國家的差距，是我國從事切削加工與刀具技術的專業人員在新世紀的努力目標和面臨的重大挑戰。

圖7 數控切削裝備

    5.工業機器人

    工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人。工業機器人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。

    工業機器人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業，或是危險、惡劣環境下的作業，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。

    在發達國家中，工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流機器人發展前景及未來的發展方向。國外汽車行業、電子電器行業、工程機械等行業已經大量使用工業機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業機器人的使用實踐表明，工業機器人的普及是實現自動化生產，提高社會生產效率，推動企業和社會生產力發展的有效手段。

圖8 工業機器人

 6.在線監測

    所謂在線檢測就是直接安裝在生產線上，通過軟測量技術實時檢測，實時反饋，以此來更好地指導生產，減少不必要的浪費。

    過程工業常常伴隨著物理化學反應、生化反應、相變過程及物質和能量的轉移和傳遞，往往是一個十分復雜的工業大系統，其本身就存在大量的不確定性和非線性因素；通常伴隨著十分苛刻的生產條件或環境，如高溫、高壓、低溫、真空、高粉塵和高濕度，有時甚至存在易燃、易爆或有毒物質，生產的安全性要求較高；強調生產過程的實時性、整體性，各生產裝置間存在復雜的耦合、制約關系，要求從全局協調，以求整個生產裝置運行平穩、高效。這種種復雜特性使得在工業過程中很難建立起準確的數學模型。

    近年來，隨著科學技術的迅猛發展和市場競爭的日益激烈，為了保證產品的質量和經濟效益，先進控制和優化控制紛紛被應用于工業過程中。然而，不管是在先進控制策略的應用過程中還是對產品質量的直接控制過程中，一個最棘手的問題就是難以對產品的質量變量進行在線實時測量。受工藝、技術或者經濟的限制，一些重要的過程參數和質量指標難以甚至無法通過硬件傳感器在線檢測。目前，生產過程中通常采用定時離線分析的方法，即每幾小時采樣一次，送化驗室進行人工分析，然后根據分析值來指導生產。由于時間滯后大，因此遠遠不能滿足在線控制的要求。

    在線檢測技術正是為了解決這類變量的實時測量和控制問題而逐漸發展起來的。在線檢測技術，根源于推理控制中的推理估計器，即采集某些容易測量的變量（也稱二次變量或輔助變量），并構造一個以這些易測變量為輸入的數學模型來估計難測的主要變量（也稱主導變量）。從而為過程控制、質量控制、過程管理與決策等提供支持，也為進一步實現質量控制和過程優化奠定基礎。在線連續檢測技術已是現代流程工業和過程控制領域關鍵技術之一，它的成功應用將極大地推動在線質量控制和各種先進控制策略的實施，使生產過程控制得更加理想，像濃度、粘度、分子量、轉化率、比值、液位等質量參數都可以實現在線檢測。

圖9 在線檢測技術

    7.數控刀具

    數控刀具是機械制造中用于切削加工的工具，又稱切削工具。廣義的切削工具既包括刀具，還包括磨具；同時“數控刀具”除切削用的刀片外，還包括刀桿和刀柄等附件。各種刀具的結構都由裝夾部分和工作部分組成。整體結構刀具的裝夾部分和工作部分都做在刀體上；鑲齒結構刀具的工作部分(刀齒或刀片)則鑲裝在刀體上。

    制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，并不易變形。在選擇刀具的角度時，需要考慮多種因素的影響，如工件材料、刀具材料、加工性質(粗、精加工)等，必須根據具體情況合理選擇。通常講的刀具角度，是指制造和測量用的標注角度在實際工作時，由于刀具的安裝位置不同和切削運動方向的改變，實際工作的角度和標注的角度有所不同，但通常相差很小。

圖10 數控刀具

    8.PLC技術

    PLC的全稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

    PLC是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，專為在工業現場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優點，又照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產實踐。

圖11PLC

   9.CAM軟件

    CAM(ComputerAidedManufacturing，計算機輔助制造)的核心是計算機數值控制（簡稱數控編程），是通過計算機編程生成機床設備能夠讀取的NC代碼，從而使機床設備運行，更加精確，更加高效，為企業節約大量的成本。CAM軟件是具有CAM功能的軟件的統稱，

    CAM的核心是計算機數字控制（簡稱數控），是將CAM計算機應用于制造生產過程的過程或系統。1952年美國麻省理工學院首先研制成數控銑床。數控的特征是由編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機床。此后發展了一系列的數控機床，包括稱為“加工中心”的多功能機床，能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續完成銳、鉆、鉸、攻絲等多道工序，這些都是通過程序指令控制運作的，只要改變程序指令就可改變加工過程，數控的這種加工靈活性稱之為“柔性”。　　

    計算機輔助制造系統是通過計算機分級結構控制和管理制造過程的多方面工作，它的目標是開發一個集成的信息網絡來監測一個廣闊的相互關聯的制造作業范圍，并根據一個總體的管理策略控制每項作業。　　

    從自動化的角度看，數控機床加工是一個工序自動化的加工過程，加工中心是實現零件部分或全部機械加工過程自動化，計算機直接控制和柔性制造系統是完成一族零件或不同族零件的自動化加工過程，而計算機輔助制造是計算機進入制造過程這樣一個總的概念。　　

    一個大規模的計算機輔助制造系統是一個計算機分級結構的網絡，它由兩級或三級計算機組成，中央計算機控制全局，提供經過處理的信息，主計算機管理某一方面的工作，并對下屬的計算機工作站或微型計算機發布指令和進行監控，計算機工作站或微型計算機承擔單一的工藝控制過程或管理工作。　　

    計算機輔助制造系統的組成可以分為硬件和軟件兩方面：硬件方面有數控機床、加工中心、輸送裝置、裝卸裝置、存儲裝置、檢測裝置、計算機等，軟件方面有數據庫、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助數控程序編制、計算機輔助工裝設計、計算機輔助作業計劃編制與調度、計算機輔助質量控制等。

圖12 CAM軟件

四.數控一代的發展趨勢

    在機械制造發展的如今，數控系統已經普遍存在于企業的各個環節中，作為一門集計算機技術、自動化控制技術、測量技術、現代機械制造技術、微電子技術、信息處理技術等多學科交叉的綜合技術，數控已經成為近年來應用領域中發展十分迅速的一項綜合性的高新技術。它是為適應高精度、高速度、復雜零件的加工而出現的，是實現自動化、數字化、柔性化、信息化、集成化、網絡化的基礎，是現代機床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應用領域和廣闊的應用前景。未來隨著信息化程度的逐步提高，對實現綜合生產指標優化的綜合自動化系統的需求不斷增長及通信技術與計算機及其網絡技術的融合發展，為了產品在市場上增強競爭力，提高綜合效益，機械制造企業將會更多的考慮如何把傳統的數控系統技術放在企業信息化大背景下，思考如何用信息化技術去促進數控適應本企業的需求快速向高端發展。在全球市場環境影響和推動下，改進產品質量、提高生產效率和降低產品成本的需求不斷增長，生產的實時優化受到過程工業的普遍重視并廣泛加以采用。為了適應變化的經濟環境，減少消耗，降低成本，提高生產效率，提高運行安全性，必須對控制、優化、計劃與調度以及生產過程管理實現無縫集成。要降低生產成本、提高產品質量、減少環境污染和資源消耗，產品只能通過全流程數字控制的優化設計來實現。

    因此，未來我國在發展數控技術的時候，必須以數控技術和產品的應用推廣為牽引，提高機械設備行業企業的自主創新能力，改變生產方式，提高生產效率，增加機械設備產品附加值，實現產品轉型升級和機械裝備的更新換代，大力促進我國機械工程領域的科技進步。數控一代既是數控技術應用工程，更是機械產品創新工程；既有機械工業發展強大需求的推動，又有成熟數控技術的支撐；要充分發揮我國的制度優越性，采取協同創新技術路線，在整個機械行業推進有組織的創新。

    數控一代的戰略目標是：在機械行業全面推廣應用數控技術，在5--8年內，實現各行各業各類各種機械產品的全面創新，使中國的機械產品整體升級為“數控一代”，為我國機械工業從“大”到“強”的跨越式發展做出重大貢獻。

五.小結

    當今數控技術高速發展，學科間相互交叉與融合，使得數控一代技術的發展不是個人或者企業的行為，且不僅需要科學技術與工業生產的緊密結合，還需要整個產業結構模式緊密結合。因此，在這次針對數控化的機械發展革命中，為了更好的發展數控一代，必須以整個機械行業為先導，拓展創新包括數控核心技術、數控裝備、配套技術，建立相應的傳播平臺，應用服務與培訓體系在內的服務支撐體系，為未來加快“數控一代”的發展和推廣應用打下良好的基礎。