1 引言 數控系統及相關的自動化產品主要是為數控機床配套。數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械制造產業的滲透而形成的機電一體化產品：數控系統裝備的機床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數控的工作母機是國家工業現代化的重要物質基礎之一。 數值控制（簡稱“數控”或“NC”）的概念是把被加工的機械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉換成數值數據指令信號傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅動機床刀具的運動而加工出零件。而在傳統的手動機械加工中，這些過程都需要經過人工操縱機械而實現，很難滿足復雜零件對加工的要求，特別對于多品種、小批量的零件，加工效率低、精度差。 1952年，美國麻省理工學院與帕森斯公司進行合作，發明了世界上第一臺三坐標數控銑床。控制裝置由2000多個電子管組成，約一個普通實驗室大小。伺服機構采用一臺小伺服馬達改變液壓馬達斜盤角度以控制液動機速度。其插補裝置采用脈沖乘法器。這臺NC機床的研制成功標志著NC技術的開創和機械制造的一個新的、數值控制時代的開始。 現代CNC系統的功能、性能大大提高，故障率已降至0.01次/（月·臺）。以FANUC公司為例，1991年開發成功的FS15系統與1971年開發的FS220系統相比，體積只有后者的十分之一. 2 數控標準 數控標準的引入隨著NC成為機械自動化加工的重要設備，在管理和操作之間，都需要有統一的術語、技術要求、符號和圖形，即有統一的標準，以便進行世界性的技術交流和貿易。NC技術的發展，形成了多個國際通用的標準：即ISO國際標準化組織標準、IEC國際電工委員會標準和EIA美國電子工業協會標準等。最早制訂的標準有NC機床的坐標軸和運動方向、NC機床的編碼字符、NC機床的程序段格式、準備功能和輔助功能、數控紙帶的尺寸、數控的名詞術語等。這些標準的建立，對NC技術的發展起到了規范和推動作用。最近，ISO基于用戶的需要和對下一個5年間信息技術的預測，又在醞釀推出新標準“CNC控制器的數據結構”。它把AMT（先進制造技術）的內容集中在兩個主要的級別和它們之間的連接上：第一級CAM，為車間和它的生產機械：第二級是上一級，為數據生成系統，由CAD、CAP、CAE和NC編程系統及相關的數據庫組成。 3 伺服技術的發展 伺服裝置是數控系統的重要組成部分。20世紀50年代初，世界第一臺NC機床的進給驅動采用液壓驅動。由于液壓系統單位面積產生的力大于電氣系統所產生的力（約為20:1），慣性小、反應快，因此當時很多NC系統的進給伺服為液壓系統。70年代初期，由于石油危機，加上液壓對環境的污染以及系統笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發出直流大慣量伺服電動機，靜力矩和起動力矩大，性能良好，FANUC公司很快于1974年引進并在NC機床上得到了應用。從此，開環的系統逐漸被閉環的系統取代，液壓伺服系統逐漸被電氣伺服系統取代。 電伺服技術的初期階段為模擬控制，這種控制方法噪聲大、漂移大。隨著微處理器的采用，引入了數字控制。它有以下優點：①無溫漂，穩定性好。②基于數值計算，精度高。③通過參數對系統設定，調整減少。④容易做成ASIC電路。對現代數控系統，伺服技術取得的最大突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制、或者稱為軟件控制取代硬件控制。20世紀90年代，許多公司又研制了直線電動機，由全數字伺服驅動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。 4 自動編程的采用 編程的方法有手工編程和自動編程兩種。據統計分析，采用手工編程，一個零件的編程時間與機床加工之比，平均約為30:1。為了提高效率，必須采用計算機或程編機代替手工編程。自動編程需要有自動化編程語言，其中麻省理工學院研制的APT語言是最典型的一種數控語言，它大大地提高了編程效率。從70年代開始出現的圖象數控編程技術有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示、交互設計、修改及刀具軌跡生成、走刀過程的仿真顯示、驗證等，從而推動了CAD和CAM向一體化方向發展。 5 DNC概念的引入及發展 DNC概念從“直接數控”到“分布式數控”的變化，其內涵也發生了變化。“分布式數控”表明可用一臺計算機控制多臺數控機床。這樣，機械加工從單機自動化的模式擴展到柔性生產線及計算機集成制造系統。從通信功能而言，可以在CNC系統中增加DNC接口，形成制造通信網絡。網絡的最大特點是資源共享，通過DNC功能形成網絡可以實現：①對零件程序的上傳或下傳。②讀、寫CNC的數據。③PLC數據的傳送。④存貯器操作控制。⑤系統狀態采集和遠程控制等。 6 可編程控制器的采用 在20世紀70年代以前，NC控制器與機床強電順序控制主要靠繼電器進行。60年代出現了半導體邏輯元件，1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺可編程序控制器PLC。PLC很快就顯示出優越性：設計的圖形與繼電器電路相似，形象直觀，可以方便地實現程序的顯示、編輯、診斷、存貯和傳送：PLC沒有繼電器電路那種接觸不良，觸點熔焊、磨損、線圈燒斷等缺點。因此很快在NC機床上得到應用。目前，在NC機床上指令執行時間可達到0.085µs/步，最大步數為32000步。而且，使用PLC還可以大大減少系統的占用空間，提高系統的快速性和可靠性。 7 傳感器技術的發展 一臺NC系統與機械連結在一起時，它能控制的幾何精度除受機械因素的影響外，閉環系統還主要取決于所采用的傳感器，特別是位置和速度傳感器，如可測量直線位移和旋轉角度的直線感應同步器和圓感應同步器、直線和圓光柵、磁尺、利用磁阻的傳感器等。這些傳感器由光學、精密機械、電子部件組成，一般分辨率為0.01～0.001mm，測量精度為±0.02～0.002mm/m，機床工作臺速度為20m/min以下。隨著機床精度的不斷提高，對傳感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于是出現了具有“細分”電路的高分辨率傳感器，比如FANUC公司研制的編碼器通過細分可做到分辨率為10-7r。利用它構成的高精度數控系統為超精控制及加工創造了條件。 8 開放技術的產生 1987年美國空軍發表了著名的“NGC（下一代控制器）”計劃，首先提出了開放體系結構的控制器概念。這個計劃的重要內容之一便是提出了“開放系統體系結構標準規格（SOSAS）”。美國空軍把開放的體系結構定義為：在競爭的環境中允許多個制造商銷售可相互交換和相互操作的模塊。機床制造商可以在開放系統的平臺上增加一定的硬件和軟件構成自己的系統。當前在市場上開放系統基本上有兩種結構：①CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統的CNC機器中，PC板主要運行非實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。②PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。為了增加開放性，主流數控系統生產廠家往往采用方案①，即在不改變原系統基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯系在一起，大大提高了人機界面的功能。典型的如FANUC公司的150/160/180/210系統。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統（fusion system），由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎，成為NC技術的發展趨勢之一。 9 制造技術的發展 CNC機床的發展建立在NC技術、機械構造技術和制造技術的基礎上，這三種技術的進步和發展也互相推動。而且，NC本身的發展也是建立在機械的發展基礎上。①機械加工速度和精度的提高，要求NC系統的功能不斷擴大、改進和完善，特別是高速高精加工的要求產生了高速高精控制系統，包括快速程序輸入、高速高精插補、控制及輸出。②機械結構的簡化與改進及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來越復雜，元部件性能越來越高。比如，采用寬調速、高速、大轉矩的進給系統和大功率的主軸系統以簡化機械結構和提高機床的加工效率及精度。③機械加工的連續運行、連線、協調，要求NC系統可靠性不斷提高，加工和系統信息不但可以控制、處理、傳送、管理而且通過網絡可以共享。 10 結語 目前，我國的機床工業正從生產大國逐漸變為機床強國，主要體現在數控機床產品的技術水平和質量不斷發展及提高。其中，特別是數控系統和數控機床的可靠性不斷提高。由于對產品結構進行了調整，新的數控產品不斷涌現，如多坐標聯動、高速、高精等數控機床的研制成功。北京發那科機電有限公司作為一家中國國內的數控系統制造和銷售企業，有必要為我國機床工業的發展提供更加可靠、功能更多的數控產品以滿足我國機床工業的需要。