Numerical control technology and equipping development trend and countermeasure
Equip the engineering level, level of determining the whole national economy of the modernized degree and modernized degree of industry, numerical control technology is it develop new developing new high-tech industry and most advanced industry to equip (such as information technology and his industry, biotechnology and his industry, aviation, spaceflight, etc. national defense industry) last technology and getting more basic most equipment. Marx has ever said 'the differences of different economic times, do not lie in what is produced, and lie in how to produce, produce with some means of labor '. Manufacturing technology and equipping the most basic means of production that are that the mankind produced the activity, and numerical control technology is nowadays advanced manufacturing technology and equips the most central technology. Nowadays the manufacturing industry all around the world adopts numerical control technology extensively, in order to improve manufacturing capacity and level, improve the adaptive capacity and competitive power to the changeable market of the trends. In addition every industrially developed country in the world also classifies the technology and numerical control equipment of numerical control as the strategic materials of the country, not merely take the great measure to develop ones own numerical control technology and industry, and implement blockading and restrictive policy to our country in view of ' high-grade, precision and advanced key technology of numerical control ' and equipping. In a word, develop the advanced manufacturing technology taking numerical control technology as the core and already become every world developed country and accelerate economic development in a more cost-effective manner, important way to improve the overall national strength and national position.
Numerical control (N/C) is a form of programmable automation in which the processing equipment is controlled by means of numbers, letters and other symbols. The numbers, letters, and symbols are coded in an appropriate format to define a program of instructions for a particular workpart or job. When the job is changed, the program of instructions must be changed. The capability to change the program is what makes N/C suitable for low-volume and medium-volume production. It is much easier to write programs than to make major alterations of the processing equipment. There are two basic types of numerically controlled machine tools: point—to—point and continuous—path (also called contouring). Point—to—point machines use unsynchronized motors, with the result that the position of the machining head Can be assured only upon completion of a movement, or while only one motor is running. Machines of this type are principally used for straight—line cuts or for drilling or boring. The N/C system consists of the following components: data input, the tape reader with the control unit, feedback devices, and the metal—cutting machine tool or other type of N/C equipment. Data input, also called “man—to—control link”, may be provided to the machine tool manually, or entirely by automatic means. Manual methods when used as the sole source of input data are restricted to a relatively small number of inputs. Examples of manually operated devices are keyboard dials, pushbuttons, switches, or thumbwheel selectors. These are located on a console near the machine. Dials ale analog devices usually connected to a synchronization-type resolver or potentiometer. In most cases, pushbuttons, switches and other similar types of selectors are digital input devices. Manual input requires that the operator set the controls for each operation. It is a slow and tedious process and is seldom justified except in elementary machining applications or in special cases.
In practically all cases, information is automatically supplied to the control unit and the machine tool by cards, punched tapes, or by magnetic tape. Eight—channelpunched paper tape is the most commonly used form of data input for conventional N/C systems. The coded instructions on the tape consist of sections of punched holes called blocks. Each block represents a machine function, a machining operation, or a combination of the two. The entire N/C program on a tape is made up of an accumulation of these successive data blocks, Programs resulting in long tapes all wound on reels like motion-picture film. Programs on relatively short tapes may be continuously repeated by joining the two ends of the tape to form a loop. Once installed, the tape is used again and again without further handling. In this case, the operator simply loads and unloads the parts. Punched tapes ale prepared on type writers with special tape—punching attachments or in tape punching units connected directly to a computer system. Tape production is rarely error-free. Errors may be initially caused by the part programmer, in card punching or compilation, or as a result of physical damage to the tape during handling, etc. Several trial runs are often necessary to remove all errors and produce an acceptable working tape.
While the data on the tape is fed automatically, the actual programming steps ale done manually, Before the coded tape may be prepared, the programmer, often working with a planner or a process engineer, must select the appropriate N/C machine tool, determine the kind of material to be machined, calculate the speeds and feeds, and decide upon the type of tooling needed. The dimensions on the part print are closely examined to determine a suitable zero reference point from which to start the program. A program manuscript is then written which gives coded numerical instructions describing the sequence of operations that the machine tool is required to follow to cut the part to the drawing specifications. The control unit receives an
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数控技术和装备发展趋势及对策
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最为核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控是可编程自动化技术的一种形式，通过数字、字母和其他符号来控制加工设备。数字、字母和符号用适当的格式编码为一个特定工件定义指令程序。当工件改变时，指令程序就改变。这种改变程序的能力使数控适合于中、小批量生产，写一段新程序远比对加工设备做大的改动容易得多。
数控机床有两种基本形式：点位控制和连续控制(也称为轮廓控制)。点位控制机床采用异步电动机，因此，主轴的定位只能通过完成一个运动或一个电动机的转动来实现。这种机床主要用于直线切削或钻孔、镗孔等场合。
数控系统由下列组件组成：数据输入装置，带控制单元的磁带阅读机，反馈装置和切削机床或其他形式的数控设备。 数据输人装置，也称“人机联系装置”，可用人工或全自动方法向机床提供数据。人工方法作为输人数据唯一方法时，只限于少量输入。人工输入装置有键盘，拨号盘，按钮，开关或拨轮选择开关，这些都位于机床附近的一个控制台上。拨号盘通常连到一个同步解析器或电位计的模拟装置上。在大多数情况下，按钮、开关和其他类似的旋钮是数据输入元件。人工输入需要操作者控制每个操作，这是一个既慢又单调的过程，除了简单加工场合或特殊情况，已很少使用。
几乎所有情况下，信息都是通过卡片、穿孔纸带或磁带自动提供给控制单元。在传统的数控系统中，八信道穿孔纸带是最常用的数据输入形式，纸带上的编码指令由一系列称为程序块的穿孔组成。每一个程序块代表一种加工功能、一种操作或两者的组合。纸带上的整个数控程序由这些连续数据单元连接而成。带有程序的长带子像电影胶片一样绕在盘子上，相对较短的带子上的程序可通过将纸带两端连接形成一个循环而连续不断地重复使用。带子一旦安装好，就可反复使用而无需进一步处理。此时，操作者只是简单地上、下工件。穿孔纸带是在带有特制穿孔附件的打字机或直接连到计算机上的纸带穿孔装置上做成的。纸带制造很少不出错，错误可能由编程、卡片穿孔或编码、纸带穿孔时的物理损害等形成。通常，必须要试走几次来排除错误，才能得到一个可用的工作纸带。
虽然纸带上的数据是自动进给的，但实际编程却是手工完成的，在编码纸带做好前，编程者经常要和一个计划人员或工艺工程师一起工作，选择合适的数控机床，决定加工材料，计算切削速度和进给速度，决定所需刀具类型，仔细阅读零件图上尺寸，定下合适的程序开始的零参考点，然后写出程序清单，其上记载有描述加工顺序的编码数控指令，机床按顺序加工工件到图样要求。
控制单元接受和储存编码数据，直至形成一个完整的信息程序块，然后解释数控指令，并引导机床得到所需运动。 为更好理解控制单元的作用，可将它与拨号电话进行比较，即每拨一个数字，就储存一个，当整个数字拨好后，电话就被激活，也就完成了呼叫。
装在控制单元里的纸带阅读机，通过其内的硅光二极管，检测到穿过移动纸带上的孔漏过的光线，将光束转变成电能，并通过放大来进一步加强信号，然后将信号送到控制单元里的寄存器，由它将动作信号传到机床驱动装置。
有些光电装置能以高达每秒1000个字节的速度阅读，这对保持机床连续动作是必须的，否则，在轮廓加工时，刀具可能在工件上产生划痕。阅读装置必须要能以比控制系统处理数据更快的速度来阅读数据程序块。
反馈装置是用在一些数控设备上的安全装置，它可连续补偿控制位置与机床运动滑台的实际位置之间的误差。装有这种直接反馈检查装置的数控机床有一个闭环系统装置。位置控制通过传感器实现，在实际工作时，记录下滑台的位置，并将这些信息送回控制单元。接受到的信号与纸带输入的信号相比较，它们之间的任何偏差都可得到纠正。 在另一个称为开环的系统中，机床仅由响应控制器命令的步进电动机驱动定位，工件的精度几乎完全取决于丝杠的精度和机床结构的刚度。有几个理由可以说明步进电机是一个自动化申请的非常有用的驱动装置。对于一件事物，它被不连续直流电压脉冲驱使，是来自数传计算机和其他的自动化的非常方便的输出控制系统。当多数是索引或其他的自动化申请所必备者的时候，步进电机对运行一个精确的有角进步也是理想的。因为控制系统不需要监听就提供特定的输出指令而且期待系统适当地反应的公开- 环操作造成一个回应环，步进电机是理想的。 一些工业的机械手使用高抬腿运步的马乘汽车驾驶员，而且步进电机是有用的在数字受约束的工作母机中。 这些申请的大部分是公开- 环 ，但是雇用回应环检测受到驱策的成份位置是可能的。 环的一个分析者把真实的位置与需要的位置作比较，而且不同是考虑过的错误。 那然后驾驶员能发行对步进电机的电脉冲，直到错误被减少对准零位。在这个系统中，没有信息反馈到控制单元的自矫正过程。出现误动作时，控制单元继续发出电脉冲。比如，一台数控铣床的工作台突然过载，阻力矩超过电机转矩时，将没有响应信号送回到控制器。因为，步进电机对载荷变化不敏感，所以许多数控系统设计允许电机停转。然而，尽管有可能损坏机床结构或机械传动系统，也有使用带有特高转矩步进电机的其他系统，此时，电动机有足够能力来应付系统中任何偶然事故。
最初的数控系统采用开环系统。在开、闭环两种系统中，闭环更精确，一般说来更昂贵。起初，因为原先传统的步进电动机的功率限制，开环系统几乎全部用于轻加工场合，最近出现的电液步进电动机已越来越多地用于较重的加工领域。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。
1 数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。
1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一个薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达120000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10mu;m提高到5mu;m，精密级加工中心则从3～5mu;m，提高到1～1.5mu;m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01mu;m)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
1.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下实现5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
1.4 重视新技术标准、规范的建立
1.4.1 关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
1.4.2 关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为
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