一.什么是數(shù)控一代

    當(dāng)今，機(jī)械產(chǎn)品在工業(yè)發(fā)展中不斷創(chuàng)新，數(shù)控技術(shù)已成為中國智能制造的巨大驅(qū)動(dòng)力，數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息技術(shù)對(duì)工作過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)深度融合的典型體現(xiàn)。所謂數(shù)控一代就是將數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)品（包括數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置等）與各行各業(yè)的機(jī)械設(shè)備有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的數(shù)字化控制，從而引發(fā)機(jī)械產(chǎn)品本身內(nèi)涵發(fā)生根本性變化，使產(chǎn)品的功能極大豐富、性能發(fā)生質(zhì)的飛躍，全面提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量水平和市場(chǎng)競(jìng)爭力。綜觀全球?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)的歷程（圖1）：蒸汽機(jī)技術(shù)使機(jī)械工業(yè)由人力制作時(shí)代進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代，電氣技術(shù)使機(jī)械工業(yè)由機(jī)械化時(shí)代進(jìn)入電氣化時(shí)代，數(shù)控技術(shù)正在使機(jī)械工業(yè)由電氣化時(shí)代躍升為數(shù)字化時(shí)代；在可預(yù)見的將來，機(jī)械工業(yè)將由數(shù)字化時(shí)代進(jìn)入智能化時(shí)代?？梢钥吹剑瑢?duì)于驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新具有鮮明的特征，具有本質(zhì)的規(guī)律，可以普遍運(yùn)用于各種機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新，可以引起機(jī)械產(chǎn)品的升級(jí)換代，引起機(jī)械工業(yè)的深刻變革。這也是“數(shù)控一代”這樣一個(gè)概念的緣由和根據(jù)。

圖1：機(jī)械產(chǎn)品的升級(jí)換代

二.發(fā)展數(shù)控一代的重要意義

    1.機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新是機(jī)械工業(yè)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵

    機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是以科學(xué)發(fā)展為主題，以加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式為主線。加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，必須加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，核心是產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)換代。

    經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，中國機(jī)械工業(yè)實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越式發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)總值成為世界第一，我們國家已經(jīng)成為“制造大國”。但是，我們還不是“制造強(qiáng)國”，機(jī)械工業(yè)還沒有擺脫粗放型、外延式發(fā)展的模式，核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)掌握得不多，自主創(chuàng)新的產(chǎn)品少，附加值不高，核心競(jìng)爭力不強(qiáng)。綜觀世界，中國制造既面臨其他新興發(fā)展中國家的低中端競(jìng)爭，又面臨西方發(fā)達(dá)國家重振先進(jìn)制造業(yè)的壓力，在全球制造產(chǎn)業(yè)新的調(diào)整中既面臨大好發(fā)展機(jī)遇，又面臨極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面臨的挑戰(zhàn)很多，問題主要有兩個(gè)：產(chǎn)品質(zhì)量問題和產(chǎn)品創(chuàng)新問題，因而，產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該成為今后一段時(shí)期機(jī)械工程科技進(jìn)步的主要方向。

    應(yīng)用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新和升級(jí)換代，非常必要，完全可能，對(duì)于我國機(jī)械工業(yè)的科學(xué)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。

    2.數(shù)控化是全面創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的有效途徑

    機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新可以有多種途徑，主要的有兩種方法：一是創(chuàng)新工作原理或者說工作裝置；二是創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖2所示，包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、工作裝置。工作裝置的創(chuàng)新是根本性的，極為重要，千百年來，人們一直在不斷創(chuàng)造出各種新的機(jī)械，形成了適用于完成各種不同任務(wù)的成千上萬的機(jī)械產(chǎn)品。數(shù)控化則是對(duì)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新，數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖2所示。

圖2.傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成

    數(shù)控化是創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的有效途徑，其核心的技術(shù)路線是用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)機(jī)械中的動(dòng)力裝置與傳動(dòng)裝置，更重要的是用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)與工作過程進(jìn)行控制。數(shù)控技術(shù)的核心是數(shù)字化，是先進(jìn)的信息技術(shù)與自動(dòng)控制、機(jī)械制造技術(shù)相結(jié)合的集成技術(shù)，是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的使能技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用引起機(jī)械產(chǎn)品本身的內(nèi)涵發(fā)生根本性變化，使機(jī)械產(chǎn)品的功能極大豐富，性能發(fā)生質(zhì)的變化，可以從根本上提高機(jī)械產(chǎn)品的水平和市場(chǎng)競(jìng)爭力。

圖3數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成

    應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新具有以下顯著特點(diǎn)：

    (1)先進(jìn)有效：產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量均極大提高，同時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，節(jié)省能源和材料；

    (2)由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，為各種先進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用乃至于將來實(shí)現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)；

    (3)可行性強(qiáng)：創(chuàng)新方案與技術(shù)路線具體明確、相關(guān)技術(shù)成熟可靠；

    (4)應(yīng)用面廣：適用于各行各業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新。

3.當(dāng)前是中國機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代的最佳機(jī)遇期

    當(dāng)前，我國機(jī)械工業(yè)正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時(shí)期，全世界的機(jī)械工業(yè)也正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時(shí)期。由“電氣一代”到“數(shù)控一代”是一場(chǎng)深刻的變革，必然要經(jīng)過艱難的攀登過程。數(shù)控一代是中國機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代的最佳機(jī)遇，是中國機(jī)械工業(yè)跨越式發(fā)展的最佳機(jī)遇，是中國智能制造水平提升的標(biāo)注，主要理由是：

    (1)需求強(qiáng)大：需求是最強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力。由于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，由于國際國內(nèi)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭，數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的市場(chǎng)需求越來越旺盛，企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新積極性越來越高漲。我們現(xiàn)在面臨的形勢(shì)是：

    一是要數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于中、低檔機(jī)械產(chǎn)品，以提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力；

    二是要攻克高端數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品，以滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國防等方面日益提高的需求。

    (2)技術(shù)支持：數(shù)控技術(shù)的落后是長期以來制約我國機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新與質(zhì)量的一個(gè)重要因素。經(jīng)過多年來對(duì)數(shù)控技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)，特別是由于電機(jī)技術(shù)、功率器件技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破性進(jìn)展，我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本形成，國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)已主導(dǎo)國內(nèi)市場(chǎng)，中檔數(shù)控系統(tǒng)形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模，高檔數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)掌握關(guān)鍵技術(shù)。我國的數(shù)控技術(shù)已發(fā)展到了技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的階段，全面推廣應(yīng)用的條件已經(jīng)成熟。

    (3)應(yīng)用示范帶動(dòng)：數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新需要掌握數(shù)控技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、產(chǎn)品領(lǐng)域知識(shí)等復(fù)合型知識(shí)結(jié)構(gòu)的人才，這也是長期以來影響我國機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的一個(gè)重要原因。經(jīng)過多年努力，人才隊(duì)伍和應(yīng)用示范方面已具備了良好的基礎(chǔ)。

三.數(shù)控一代的核心技術(shù)

    1.數(shù)控系統(tǒng)

    數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。數(shù)控系統(tǒng)早期是與計(jì)算機(jī)并行發(fā)展演化的，用于控制自動(dòng)化加工設(shè)備的，由電子管和繼電器等硬件構(gòu)成具有計(jì)算能力的專用控制器的稱為硬件數(shù)控。19世紀(jì)70年代以后，分離的硬件電子元件逐步由集成度更高的計(jì)算機(jī)處理器代替，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

    目前世界上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結(jié)構(gòu)上都有各自的特點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來源于系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的基本要求和工程設(shè)計(jì)的思路。例如對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)就有截然不同的要求。對(duì)于T系統(tǒng)和M系統(tǒng)，同樣也有很大的區(qū)別，前者適用于回轉(zhuǎn)體零件加工，后者適合于異形非回轉(zhuǎn)體的零件加工。對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家來說，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復(fù)雜因素的影響，在設(shè)計(jì)思想上也可能各有千秋。例如，美國Dynapath系統(tǒng)采用小板結(jié)構(gòu)，便于板子更換和靈活結(jié)合，而日本FANUC系統(tǒng)則趨向大板結(jié)構(gòu)，使之有利于系統(tǒng)工作的可靠性，促使系統(tǒng)的平均無故障率不斷提高。然而無論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構(gòu)成是十分相似的。數(shù)控系統(tǒng)一般整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將控制指令放大，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)；測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)位置或速度，并反饋到控制系統(tǒng)，來修正控制指令。這三部分有機(jī)結(jié)合，組成完整的閉環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)操作界面

    2.伺服驅(qū)動(dòng)

    伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在20世紀(jì)最后10年間，微處理器(特別是數(shù)字信號(hào)處理器——DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說20世紀(jì)80年代是交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的話，那么，20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的10年。這一點(diǎn)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家尤為明顯。

    無人化、規(guī)?；a(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)、免維護(hù)(無碳刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點(diǎn)，正好適應(yīng)了這一需求。例如，日本FANUC公司、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)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(tǒng)付諸實(shí)用。國內(nèi)的交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)起步較晚，到20世紀(jì)80年代末才有產(chǎn)品問世。如冶金部自動(dòng)化研究院華騰公司的ACS系列、揚(yáng)州5308廠引進(jìn)Siemens公司的610系列，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR)，屬于模擬伺服，但從技術(shù)上填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

圖5伺服驅(qū)動(dòng)器

3.多軸聯(lián)動(dòng)

    所謂多軸聯(lián)動(dòng)是指在一臺(tái)機(jī)床上的多個(gè)坐標(biāo)軸(包括直線坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))上同時(shí)進(jìn)行加工，而且可在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。多軸聯(lián)動(dòng)加工可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率?，F(xiàn)代數(shù)控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自動(dòng)化和高可靠性方向發(fā)展，而多坐標(biāo)軸數(shù)控機(jī)床正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

    隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)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?cè)诔绦蛏系挠?jì)算量，同時(shí)也減輕了機(jī)床操作者的工作量和提高了生產(chǎn)效率，贏得了成本，多軸聯(lián)動(dòng)加工是現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展方向，體現(xiàn)了一個(gè)國家制造業(yè)水平的高低。

圖6多軸聯(lián)動(dòng)

    4.數(shù)控切削裝備

    數(shù)控切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)末也取得了很大的進(jìn)步，進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。它是制造業(yè)中重要工業(yè)部門，如汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、能源工業(yè)、軍事工業(yè)和新興的模具工業(yè)、電子工業(yè)等部門主要的加工技術(shù)，也是這些工業(yè)部門迅速發(fā)展的重要因素。當(dāng)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(jīng)顯示很多的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力，成為制造技術(shù)提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑。

    發(fā)展高速切削等新的切削工藝促進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術(shù)面臨的新任務(wù)。當(dāng)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(shù)全面進(jìn)步和進(jìn)一步創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，包括數(shù)控機(jī)床、刀具材料、涂層、刀具結(jié)構(gòu)等技術(shù)的重大進(jìn)步，才能達(dá)到的切削速度和進(jìn)給速度的成倍提高，才能使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高。把當(dāng)前的高速切削水平實(shí)用化，使我國機(jī)加工整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，是我國從事切削加工與刀具技術(shù)的專業(yè)人員在新世紀(jì)的努力目標(biāo)和面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖7 數(shù)控切削裝備

    5.工業(yè)機(jī)器人

    工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。

    工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。

    在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流機(jī)器人發(fā)展前景及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。

圖8 工業(yè)機(jī)器人

 6.在線監(jiān)測(cè)

    所謂在線檢測(cè)就是直接安裝在生產(chǎn)線上，通過軟測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)時(shí)反饋，以此來更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，減少不必要的浪費(fèi)。

    過程工業(yè)常常伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過程及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移和傳遞，往往是一個(gè)十分復(fù)雜的工業(yè)大系統(tǒng)，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(chǎn)條件或環(huán)境，如高溫、高壓、低溫、真空、高粉塵和高濕度，有時(shí)甚至存在易燃、易爆或有毒物質(zhì)，生產(chǎn)的安全性要求較高；強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、整體性，各生產(chǎn)裝置間存在復(fù)雜的耦合、制約關(guān)系，要求從全局協(xié)調(diào)，以求整個(gè)生產(chǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)、高效。這種種復(fù)雜特性使得在工業(yè)過程中很難建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

    近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭的日益激烈，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，先進(jìn)控制和優(yōu)化控制紛紛被應(yīng)用于工業(yè)過程中。然而，不管是在先進(jìn)控制策略的應(yīng)用過程中還是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的直接控制過程中，一個(gè)最棘手的問題就是難以對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量變量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量。受工藝、技術(shù)或者經(jīng)濟(jì)的限制，一些重要的過程參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)難以甚至無法通過硬件傳感器在線檢測(cè)。目前，生產(chǎn)過程中通常采用定時(shí)離線分析的方法，即每幾小時(shí)采樣一次，送化驗(yàn)室進(jìn)行人工分析，然后根據(jù)分析值來指導(dǎo)生產(chǎn)。由于時(shí)間滯后大，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足在線控制的要求。

    在線檢測(cè)技術(shù)正是為了解決這類變量的實(shí)時(shí)測(cè)量和控制問題而逐漸發(fā)展起來的。在線檢測(cè)技術(shù)，根源于推理控制中的推理估計(jì)器，即采集某些容易測(cè)量的變量（也稱二次變量或輔助變量），并構(gòu)造一個(gè)以這些易測(cè)變量為輸入的數(shù)學(xué)模型來估計(jì)難測(cè)的主要變量（也稱主導(dǎo)變量）。從而為過程控制、質(zhì)量控制、過程管理與決策等提供支持，也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和過程優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在線連續(xù)檢測(cè)技術(shù)已是現(xiàn)代流程工業(yè)和過程控制領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一，它的成功應(yīng)用將極大地推動(dòng)在線質(zhì)量控制和各種先進(jìn)控制策略的實(shí)施，使生產(chǎn)過程控制得更加理想，像濃度、粘度、分子量、轉(zhuǎn)化率、比值、液位等質(zhì)量參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

圖9 在線檢測(cè)技術(shù)

    7.數(shù)控刀具

    數(shù)控刀具是機(jī)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(shí)“數(shù)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(jié)構(gòu)都由裝夾部分和工作部分組成。整體結(jié)構(gòu)刀具的裝夾部分和工作部分都做在刀體上；鑲齒結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、沖擊韌性和化學(xué)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(shí)，需要考慮多種因素的影響，如工件材料、刀具材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)等，必須根據(jù)具體情況合理選擇。通常講的刀具角度，是指制造和測(cè)量用的標(biāo)注角度在實(shí)際工作時(shí)，由于刀具的安裝位置不同和切削運(yùn)動(dòng)方向的改變，實(shí)際工作的角度和標(biāo)注的角度有所不同，但通常相差很小。

圖10 數(shù)控刀具

    8.PLC技術(shù)

    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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

    PLC是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)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(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

圖11PLC

   9.CAM軟件

    CAM(ComputerAidedManufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)的核心是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（簡稱數(shù)控編程），是通過計(jì)算機(jī)編程生成機(jī)床設(shè)備能夠讀取的NC代碼，從而使機(jī)床設(shè)備運(yùn)行，更加精確，更加高效，為企業(yè)節(jié)約大量的成本。CAM軟件是具有CAM功能的軟件的統(tǒng)稱，

    CAM的核心是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（簡稱數(shù)控），是將CAM計(jì)算機(jī)應(yīng)用于制造生產(chǎn)過程的過程或系統(tǒng)。1952年美國麻省理工學(xué)院首先研制成數(shù)控銑床。數(shù)控的特征是由編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機(jī)床。此后發(fā)展了一系列的數(shù)控機(jī)床，包括稱為“加工中心”的多功能機(jī)床，能從刀庫中自動(dòng)換刀和自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作位置，能連續(xù)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(yùn)作的，只要改變程序指令就可改變加工過程，數(shù)控的這種加工靈活性稱之為“柔性”?！　?/span>

    計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)控制和管理制造過程的多方面工作，它的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)集成的信息網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)一個(gè)廣闊的相互關(guān)聯(lián)的制造作業(yè)范圍，并根據(jù)一個(gè)總體的管理策略控制每項(xiàng)作業(yè)。　　

    從自動(dòng)化的角度看，數(shù)控機(jī)床加工是一個(gè)工序自動(dòng)化的加工過程，加工中心是實(shí)現(xiàn)零件部分或全部機(jī)械加工過程自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)直接控制和柔性制造系統(tǒng)是完成一族零件或不同族零件的自動(dòng)化加工過程，而計(jì)算機(jī)輔助制造是計(jì)算機(jī)進(jìn)入制造過程這樣一個(gè)總的概念?！　?/span>

    一個(gè)大規(guī)模的計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，它由兩級(jí)或三級(jí)計(jì)算機(jī)組成，中央計(jì)算機(jī)控制全局，提供經(jīng)過處理的信息，主計(jì)算機(jī)管理某一方面的工作，并對(duì)下屬的計(jì)算機(jī)工作站或微型計(jì)算機(jī)發(fā)布指令和進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算機(jī)工作站或微型計(jì)算機(jī)承擔(dān)單一的工藝控制過程或管理工作?！　?/span>

    計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的組成可以分為硬件和軟件兩方面：硬件方面有數(shù)控機(jī)床、加工中心、輸送裝置、裝卸裝置、存儲(chǔ)裝置、檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)等，軟件方面有數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控程序編制、計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)計(jì)劃編制與調(diào)度、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制等。

圖12 CAM軟件

四.數(shù)控一代的發(fā)展趨勢(shì)

    在機(jī)械制造發(fā)展的如今，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)普遍存在于企業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，作為一門集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，數(shù)控已經(jīng)成為近年來應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)。它是為適應(yīng)高精度、高速度、復(fù)雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代機(jī)床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。未來隨著信息化程度的逐步提高，對(duì)實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的需求不斷增長及通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合發(fā)展，為了產(chǎn)品在市場(chǎng)上增強(qiáng)競(jìng)爭力，提高綜合效益，機(jī)械制造企業(yè)將會(huì)更多的考慮如何把傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)放在企業(yè)信息化大背景下，思考如何用信息化技術(shù)去促進(jìn)數(shù)控適應(yīng)本企業(yè)的需求快速向高端發(fā)展。在全球市場(chǎng)環(huán)境影響和推動(dòng)下，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低產(chǎn)品成本的需求不斷增長，生產(chǎn)的實(shí)時(shí)優(yōu)化受到過程工業(yè)的普遍重視并廣泛加以采用。為了適應(yīng)變化的經(jīng)濟(jì)環(huán)境，減少消耗，降低成本，提高生產(chǎn)效率，提高運(yùn)行安全性，必須對(duì)控制、優(yōu)化、計(jì)劃與調(diào)度以及生產(chǎn)過程管理實(shí)現(xiàn)無縫集成。要降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗，產(chǎn)品只能通過全流程數(shù)字控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

    因此，未來我國在發(fā)展數(shù)控技術(shù)的時(shí)候，必須以數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用推廣為牽引，提高機(jī)械設(shè)備行業(yè)企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，改變生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率，增加機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品附加值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)和機(jī)械裝備的更新?lián)Q代，大力促進(jìn)我國機(jī)械工程領(lǐng)域的科技進(jìn)步。數(shù)控一代既是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用工程，更是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程；既有機(jī)械工業(yè)發(fā)展強(qiáng)大需求的推動(dòng)，又有成熟數(shù)控技術(shù)的支撐；要充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，采取協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)路線，在整個(gè)機(jī)械行業(yè)推進(jìn)有組織的創(chuàng)新。

    數(shù)控一代的戰(zhàn)略目標(biāo)是：在機(jī)械行業(yè)全面推廣應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，在5--8年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)各類各種機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新，使中國的機(jī)械產(chǎn)品整體升級(jí)為“數(shù)控一代”，為我國機(jī)械工業(yè)從“大”到“強(qiáng)”的跨越式發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

五.小結(jié)

    當(dāng)今數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展，學(xué)科間相互交叉與融合，使得數(shù)控一代技術(shù)的發(fā)展不是個(gè)人或者企業(yè)的行為，且不僅需要科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的緊密結(jié)合，還需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)模式緊密結(jié)合。因此，在這次針對(duì)數(shù)控化的機(jī)械發(fā)展革命中，為了更好的發(fā)展數(shù)控一代，必須以整個(gè)機(jī)械行業(yè)為先導(dǎo)，拓展創(chuàng)新包括數(shù)控核心技術(shù)、數(shù)控裝備、配套技術(shù)，建立相應(yīng)的傳播平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)與培訓(xùn)體系在內(nèi)的服務(wù)支撐體系，為未來加快“數(shù)控一代”的發(fā)展和推廣應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。