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開發(fā)重點：中高檔數(shù)控機(jī)床

       拜中國經(jīng)濟(jì)騰飛所賜，近幾年來國內(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，盡管受到國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)下行的負(fù)面影響，中國機(jī)床工具行業(yè)的同比增速出現(xiàn)了下滑態(tài)勢，但數(shù)據(jù)顯示，2011年中國機(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。另一個值得關(guān)注的是，2011年沈陽機(jī)床集團(tuán)的經(jīng)營規(guī)模也躍居全球同行業(yè)的前列，成為了中國企業(yè)的又一個驕傲。

       與此同時，中國也是當(dāng)今世界第一大機(jī)床消費國和進(jìn)口國。在市場需求方面，隨著國內(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)的高增長行業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，帶動了對高效、高精度自動化制造設(shè)備的需求，機(jī)床工具行業(yè)進(jìn)入高速增長的階段。在進(jìn)口方面，以2011年上半年為例，中國從日本、德國進(jìn)口機(jī)床的數(shù)額合計已超過60%，而從進(jìn)口的機(jī)種來看，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)、檢測系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(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。在新頒布的國家“十二五”規(guī)劃中，明確提出將重點發(fā)展高端裝備制造業(yè)的信息化、自動化、智能化水平，而這顯然離不開精密機(jī)床行業(yè)的有力支持。據(jù)專業(yè)人士分析，預(yù)計未來五年內(nèi)中國機(jī)床行業(yè)的復(fù)合增長率約為25-30%，其中，中高端數(shù)控機(jī)床將成為增長的主力。

       從我國目前機(jī)床行業(yè)的發(fā)展情況來看，自產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國內(nèi)市場的需求，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)計來看，1-8月，我國機(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個百分點(如圖2所示)，與一些發(fā)達(dá)國家機(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際金融危機(jī)的影響，德國、日本機(jī)床企業(yè)恢復(fù)迅速，并且紛紛以低價格、中端機(jī)的策略進(jìn)入中國，市場反響良好，這樣也為中國中高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭壓力；同時，來自臺灣地區(qū)和韓國的中檔機(jī)床也是一股不容忽視的力量。從中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(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51.4％，由于進(jìn)口激增，國產(chǎn)金屬加工機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的市場占有率呈顯出下降的趨勢。

       為了盡快改變這些現(xiàn)狀，2008年12月，在國家科技部等部委的支持下，由沈陽機(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)盟將重點圍繞高速精密數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件開發(fā)、高速精密機(jī)床運動特性、高速精密機(jī)床切削工藝、數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等方面開展研究工作。據(jù)科技部重大專項辦有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2009年正式啟動的數(shù)控機(jī)床專項將延續(xù)到2020年，預(yù)計中央財政、地方財政及企業(yè)總投入將達(dá)到數(shù)百億元，這標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床已成為了中國機(jī)床工業(yè)的重點發(fā)展方向。

伺服在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

       對精度、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)。針對中國機(jī)床工具行業(yè)的數(shù)控技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比仍相對落后的局面，究其根由，可以說，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，也包括運動控制的核心部件——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；而按照機(jī)床傳動機(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、動態(tài)響應(yīng)快等特性，同時還可配合CNC系統(tǒng)實現(xiàn)剛性攻絲、主軸速度控制、Cs軸控制實時切換等高性能。而進(jìn)給伺服驅(qū)動單元以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對象，以產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運動，因此，特別強(qiáng)調(diào)其對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，一批廠商紛紛開發(fā)出全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動單元。這類伺服驅(qū)動產(chǎn)品采用數(shù)字信號處理器(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)動器配合作高精度速度和位置控制，穩(wěn)定可靠、振動小、噪聲低。

       伴隨著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，高速度、亞微米精加工時代已經(jīng)來臨，例如，在iPone、iPad、LEDTV等消費性電子、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，使得精密小型快速加工需求攀升，高速切削機(jī)床的市場容量急劇增加。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)入一個嶄新的階段，“智能化制造”已不再只是一個夢想而已。面對數(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。

滿足多軸、多點控制需求

       在當(dāng)今運動控制技術(shù)的發(fā)展中，分布式系統(tǒng)架構(gòu)(Distributed)凸顯出越來越重要的作用和價值，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，在要求軟硬件更具有實時性、擴(kuò)充性的同時，也需要采用串行式(Serial)伺服控制，以滿足多軸、多點(I/O)控制，這些將成為未來伺服系統(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)過一個閉環(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)日益增多、配線也更為復(fù)雜，在這種情況下，往往會使其分辨率和同步性、實時性捉襟見肘，且易受到電源等噪聲的干擾。因此，近年來，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，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)字信號和控制參數(shù)，以滿足對實時性的要求——分布式運動控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來。分布式串行伺服系統(tǒng)可模塊化，設(shè)計較為彈性，可任意擴(kuò)充多軸運動(Motion)與I/O控制點數(shù)，只須單線連結(jié)、單機(jī)(計算機(jī))管控，大幅節(jié)省了配線成本與空間，因而成為了未來制造業(yè)主流趨勢

       南京埃斯頓自動控制技術(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。為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，其開發(fā)的Pronet系列伺服驅(qū)動器率先增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性的設(shè)計。通過選件模塊，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、報警等)可實時控制和調(diào)整，使伺服系統(tǒng)的調(diào)整時間縮短，操作更加簡單，一個上位控制器可最多實現(xiàn)255個站點的多軸運動控制，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通過串行總線可實現(xiàn)對伺服的調(diào)試和實時監(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，可實現(xiàn)0.1μm級控制精度，是數(shù)控機(jī)床、自動化設(shè)備高速高精運動控制的較佳選擇。