黃筱調，夏長久，孫守利

(1. 南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816； 2. 重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

0 引言

新世紀個性化小批量精密制造需求推動制造業(yè)朝著高端化、細分化、自動化、智能化方向發(fā)展。目前，德國“工業(yè)4.0”、美國“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”、“中國制造2025”、歐盟“IMS 2020計劃”以及日本“智能制造系統(tǒng)國際合作”等[1]全球性的制造業(yè)振興戰(zhàn)略計劃正積極推動著第四次工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，智能制造作為技術核心，引起了世界各國的廣泛關注。而數(shù)控技術是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的動力源泉[2]，集機械制造、自動化控制、微電子、信息處理等技術于一身，在實現(xiàn)制造自動化、集成化、網(wǎng)絡化的過程中占據(jù)著舉足輕重的地位。在全球性智能制造的大環(huán)境影響下，數(shù)控技術也逐漸從專用封閉式開環(huán)控制模式向通用開放式全閉環(huán)控制模式發(fā)展，硬軟件系統(tǒng)及控制方式也日趨智能化。因此，智能制造影響下的先進數(shù)控技術發(fā)展已成為現(xiàn)代智能化高端裝備領域的一大研究熱點。

1 面向智能制造的關鍵先進數(shù)控技術

1.1 智能制造的主要內容

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式，是“中國制造2025”的主攻方向，也是“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的制高點[3-4]。中國智能制造工程[5]為實現(xiàn)數(shù)字化制造普及、智能化制造示范，需要重點聚焦攻克五類關鍵技術裝備，夯實智能制造三大基礎，培育推廣五種智能制造新模式，推進十大重點領域智能制造成套裝備集成應用，其主要內容的領域細分見圖1。

圖1 智能制造主要內容的領域細分

智能制造的本質是信息技術與制造技術的深度融合，中國智能制造的戰(zhàn)略目標則是躋身于世界制造強國行列，故而其發(fā)展偏重于生產要素與互聯(lián)網(wǎng)化，以實現(xiàn)制造業(yè)的智能轉型，推進制造產業(yè)邁向中高端。智能制造實現(xiàn)的前提是高端制造裝備及控制的智能化。而高端智能制造裝備[6]實質上是一種人機一體化智能系統(tǒng)，主要由智能機器和人類專家系統(tǒng)組成，在制造全生命周期過程中可進行分析、推理、判斷、構思和決策等智能化行為。它是先進制造技術、新一代信息通訊技術以及人工智能技術在制造裝備上的集成和深度融合，主要包括高端數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能測控裝置、3D打印設備、柔性自動化生產線等。其中，高檔數(shù)控機床作為國家戰(zhàn)略級高端裝備以及智能制造工程五類關鍵技術裝備與十大重點集成應用領域之一，其核心數(shù)控技術的創(chuàng)新與突破已然成為完成智能制造工程的重要保障。

1.2 智能制造環(huán)境下的關鍵先進數(shù)控技術

在智能制造環(huán)境的影響下，先進數(shù)控技術朝著開放智能化方向邁進，而高檔數(shù)控機床作為數(shù)控技術的物質載體，其典型功能一般包括智能測量、實時補償、加工優(yōu)化、工具管理、遠程監(jiān)控與診斷等。高檔數(shù)控機床作為集成制造系統(tǒng)的獨立制造單元，在通用標準接口與網(wǎng)絡互聯(lián)、人工智能技術以及先進制造技術等驅動下，也推動著集成化智能制造系統(tǒng)(integrated intelligent manufacturing system, IIMS)的發(fā)展；而具有零部件、產品集成特點的集成化智能制造系統(tǒng)，如智能車間與智能工廠的迅猛發(fā)展，自然標志著智能制造示范工程的順利完成。智能制造與先進數(shù)控技術的基本邏輯關系如圖2所示。

圖2 智能制造與先進數(shù)控技術的基本邏輯關系

先進數(shù)控技術表征著高檔數(shù)控機床的核心競爭力，主要具備兩大典型特征——開放化與智能化[7-8]，此外還包括功能復合化、綠色化、集成化、數(shù)字化等重要特征。開放化主要指數(shù)控系統(tǒng)配備標準化基礎平臺，提供標準接口和互聯(lián)網(wǎng)絡，允許開發(fā)商不同軟硬件模塊介入，具有模塊化、可移植性、可擴展性以及可互換性等功能；智能化主要指數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)具備智能加工、智能監(jiān)測、智能維護、智能管理、智能決策等智能功能。高檔數(shù)控機床是數(shù)控技術的重要集成應用裝備，相關先進數(shù)控技術主要涉及智能編程、多軸聯(lián)動、高速高精控制、機床誤差補償、工藝參數(shù)自優(yōu)化、自適應控制、在線診斷和遠程維護、智能生產管理、機床聯(lián)網(wǎng)群控管理等。基于高檔數(shù)控機床開放智能化的特征，本文概述了部分關鍵先進數(shù)控技術的研究進展(圖3)，包括高速高精聯(lián)動控制技術、機床多源誤差補償技術以及智能化控制技術三大方面。

圖3 面向智能制造的關鍵先進數(shù)控技術

2 高速高精聯(lián)動控制技術

數(shù)控機床與普通機床的本質區(qū)別在于能否進行多軸聯(lián)動控制加工，而在高速高加速的多軸聯(lián)動工況下，由于各伺服軸處于頻繁加減速狀態(tài)，并且各軸運動性能和運動狀態(tài)也存在固有差異。因此多軸聯(lián)動實時精確控制往往顯得困難，導致加工實際輪廓軌跡與理想輪廓軌跡存在較大偏差。高速高精聯(lián)動控制[9]作為高檔數(shù)控機床必須攻克的重難點技術，其子技術主要包括信息實時交互式現(xiàn)場總線技術與多軸聯(lián)動同步控制技術。

2.1 信息實時交互式現(xiàn)場總線技術

為實現(xiàn)高速高精運動控制，數(shù)控設備和數(shù)控系統(tǒng)間實現(xiàn)實時同步、高效可靠的通訊必不可少。然而，傳統(tǒng)的“脈沖式”或“模擬式”接口早已不能滿足高速高精的控制需求，因此國內外的數(shù)控公司紛紛采用數(shù)字通訊的方式以求實現(xiàn)信息的實時交互，即現(xiàn)場總線技術[10]。信息實時交互式現(xiàn)場總線技術自問世以來，已形成多種總線并存的局面。國外現(xiàn)場總線技術起步較早，目前處于行業(yè)標準前沿，主要有國際標準組織-基金會的Foundation Fieldbus[11]，德國Siemens的PROFIBUS[12]，RoberBosch的CANBUS[13]，日本FANC的FSSB總線[14]等；而國內總線技術尚處于起步階段，目前已較為成熟的主要有華中數(shù)控的NCUC-Bus[15]以及大連光洋的Glink總線[16]等。隨著高速高精加工過程中信息傳輸量的不斷增加，現(xiàn)場總線必將會與傳輸速率更高、帶寬更大、通信協(xié)議更開放的以太網(wǎng)或因特網(wǎng)結合，此外尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準也是總線技術發(fā)展的必然趨勢[17]。

2.2 多軸聯(lián)動同步控制技術

在實現(xiàn)數(shù)控設備與數(shù)控系統(tǒng)信息實時交互的前提下，多軸聯(lián)動同步誤差直接影響最終運動輪廓誤差，因此保證伺服控制的精確同步至關重要。針對單伺服軸的精確運動較易實現(xiàn)，多伺服軸的高速高精同步控制仍存在較大偏差等問題，國內外研究聚焦在控制策略和控制算法兩方面。

在控制策略方面，研究主要趨向基于網(wǎng)絡的同步控制方案設計，以提高聯(lián)動的實時同步性能與穩(wěn)定控制精度。王寶仁等[18]提出了一種級聯(lián)式運動控制方案，實現(xiàn)了驅動器網(wǎng)絡化控制，并提出了相應的多軸同步補償策略，有效克服了傳輸延時的不良影響；朱曉楓等[19]將Ethernet Powerlink技術引入到多軸伺服控制系統(tǒng)中，解決了高速網(wǎng)絡同步協(xié)調以及網(wǎng)絡控制過程中產生的數(shù)據(jù)傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失、時序錯亂等問題；X. Xu[20]等針對多軸同步控制過程中的信息調度和實時網(wǎng)絡延遲，提出了一種分散式多軸同步控制方法，構建了實時以太網(wǎng)通信專家平臺，通過智能網(wǎng)絡控制關鍵節(jié)點運動，實現(xiàn)了良好的位置同步性能。

在控制算法方面，目前廣泛采用基于智能算法的PID反饋控制，實現(xiàn)多軸高速高精同步控制，具有強魯棒性和強抗干擾能力等優(yōu)點。曹春平等[21]針對四電機同步驅動系統(tǒng)，利用神經網(wǎng)絡算法優(yōu)化PID控制器，與偏差耦合控制器結合，能夠有效克服外部擾動和參數(shù)變化引起的同步誤差；程文雅等[22]針對多軸系統(tǒng)控制復雜非線性問題，提出了反演模糊滑模控制算法，將復雜系統(tǒng)分解為簡單子系統(tǒng)，并將耦合誤差定義為各軸位置誤差平均值與同步誤差的線性化差值，最終在三軸系統(tǒng)上進行仿真驗證。智能算法使得同步控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力顯著增強，但由于智能算法計算量大，運行時間長，實際工程應用仍需深入研究。

總之，高速高加速工況下的多軸聯(lián)動同步控制技術至今已有較大發(fā)展，但由于伺服電機結構復雜、伺服軸運動性能存在差異以及負載擾動等因素耦合作用，同步控制技術的工程應用仍需進一步研究。未來的研究將更加關注多伺服電機協(xié)同控制結構優(yōu)化、多軸之間動態(tài)性能匹配、同步控制算法的優(yōu)化、多軸負載及不確定干擾影響下的系統(tǒng)控制策略等方面，以減小多軸聯(lián)動實際廓形誤差，達到同步誤差低、信號抖動少的理想效果。

3 機床多源誤差補償技術

數(shù)控機床多軸聯(lián)動加工精度受多方面因素耦合影響，誤差來源主要包括機床各零部件原始制造、安裝或磨損引起的幾何誤差、相對運動部件間的運動誤差、各運動軸的伺服控制誤差、機床部件或旋轉主軸熱誤差、切削力致變形誤差、運動部件或整機振動誤差等。而具有經濟高效、操作可控等優(yōu)點的機床多源誤差補償技術則是目前機床企業(yè)廣泛采用的一種加工精度提升方法。機床多源誤差補償技術[23]是指通過測量、分析、統(tǒng)計等方法分析機床多源誤差的特點和規(guī)律，通過建立誤差數(shù)學模型，預設新誤差量抵消或減小加工過程誤差的技術，包括幾何誤差補償技術、熱誤差補償技術、力誤差補償技術、振動主動抑制技術等。

3.1 幾何誤差補償技術

機床幾何誤差是由機床零部件原始制造、安裝或磨損引起的系統(tǒng)性誤差，是數(shù)控機床誤差中最重要的誤差源。機床幾何誤差補償方法主要包括誤差模型解耦分離補償法以及輪廓精度反饋控制補償法。

解耦分離補償法根據(jù)機床幾何誤差模型將空間誤差解耦分離到各運動軸，求得相應的補償量，然后采用實際運動后再疊加補償或在實際運動前直接修改數(shù)控代碼實現(xiàn)精確運動的方式進行誤差補償。任永強等[24]采用微分法求解幾何誤差運動的逆運動，解耦得到五軸機床各運動軸誤差補償運動量；張宏韜等[25]根據(jù)理想刀尖位姿和實際刀尖位姿模型，解耦分離得到五軸理想位移量和實際位移量，按先姿態(tài)后位置的次序分步進行補償；B.C. Zhou等[26]計算了各運動軸的微分運動矩陣并且構造了雅可比矩陣來補償砂輪的綜合誤差分量；S. Ding等[27-28]基于實際逆向運動學算法獲得了五軸修正NC代碼與幾何誤差間的映射關系，顯著提高了補償實時效率。輪廓精度反饋控制補償法則通過計算實際輪廓誤差，對加工輪廓軌跡進行反饋控制以達到理想精度。黃東兆等[29]進行了輪廓精度的宏觀和微觀同步控制，首先將已加工的部分與指令輪廓相匹配進行宏觀控制，解決累積誤差，然后進行誤差預報與補償實現(xiàn)微觀控制，減小局部誤差；趙國勇等[30]計算了直線軸與旋轉軸聯(lián)動的輪廓誤差，然后結合單軸跟隨誤差，與輪廓誤差耦合進行PID反饋控制。解耦分離補償法具有高精但低效的特征，而輪廓精度反饋控制補償法具有補償實時的優(yōu)點，但控制參數(shù)難整定，系統(tǒng)抗擾動能力較弱。此外，當前的幾何誤差補償技術研究大多還停留在完全離線或在加工間隙補償?shù)膶用?，如何實現(xiàn)動態(tài)實時的幾何誤差在線補償仍是一大技術難題，也將是幾何誤差補償技術未來的重點攻克方向。

3.2 熱誤差補償技術

在機床幾何誤差補償后，表征機床溫度變化引起的零部件相對位置和形狀變化的熱變形誤差成為了制約精密數(shù)控機床加工精度的關鍵因素，一般認為可達總誤差源的40%～70%。熱誤差具有時滯時變、多向耦合以及復雜非線性等特征，有效補償?shù)那疤崾墙蚀_的熱誤差模型。常用的熱誤差建模方法包括原理性建模方法，項四通等[31]基于熱變形機理，結合熱特性基本單元試驗，建立了主軸熱誤差的高精預測模型，N.S. Mian等[32]提出一種環(huán)境溫度影響下機床熱誤差離線有限元模擬方法以及實證建模方法，減少了熱誤差測定時間；王時龍等[33]針對大型磨齒機，采用模糊聚類與多元線性回歸算法建立了滾刀與工件主軸中心距熱誤差模型，Y.F. Zhao等[34]利用思維進化算法優(yōu)化BP神經網(wǎng)絡，建立了五軸機床溫度變化與熱誤差的精確關系模型。熱誤差原理性建模技術受到數(shù)值分析邊界條件難以確定、熱傳導精確仿真困難等限制，發(fā)展相對緩慢，而以人工智能技術為代表的熱誤差實證建模方法發(fā)展則較為迅猛，提高了機床功能部件及整體熱誤差的預測精度。

基于可靠的熱誤差模型，熱誤差補償技術的實施一般采用反饋攔截積分法和原點平移法。反饋攔截積分法是通過攔截位置傳感元件反饋信號，由外部補償裝置疊加熱誤差的補償量后再返回給數(shù)控系統(tǒng)，將其視為當前機床的實際位置與指令位置的偏差進行校正，實現(xiàn)對熱誤差的補償。K. D. Kim等[35]采用反饋攔截方式的外掛集成方法，實現(xiàn)了熱誤差在數(shù)控系統(tǒng)的補償。原點平移法則是將熱誤差模型修正后的數(shù)控指令值通過I/O口送至CNC控制器，平移控制系統(tǒng)的參考原點實現(xiàn)熱誤差補償?shù)?。J.G.Yang等[36]將實時測得的機床位置數(shù)據(jù)和關鍵測點溫度代入熱誤差模型求得補償值，通過將補償信號傳入位置環(huán)，平移參考坐標系原點以實現(xiàn)熱誤差實時補償。反饋攔截積分法不改變CNC控制軟件，但需要添加特定的外部電子位置疊加裝置，補償信號易與原信號發(fā)生干涉；原點平移法補償過程對NC程序執(zhí)行無影響，但需要修改PLC單元以便接入熱誤差補償值。兩種熱誤差補償方法都能實現(xiàn)熱誤差的實時補償，但均需要增添外部補償器，既影響機床整機性能，也容易干擾或遲滯數(shù)控加工任務。因此，無需硬件修改的熱誤差補償模塊系統(tǒng)的嵌入仍需深入研究。同時新型熱誤差補償技術，如基于傳函的熱誤差補償技術、熱親和補償技術、基于大數(shù)據(jù)思維的誤差補償技術等[37]，也成為熱誤差補償技術的發(fā)展方向。

3.3 其他誤差補償技術

除幾何誤差和熱誤差補償技術外，力誤差補償技術也是一大研究熱點。力誤差屬于加工時變誤差，來源包括加工切削力、機床部件夾緊力、慣性力等，其中切削力引起的零件變形是影響力誤差的關鍵要素。國內外現(xiàn)有研究也大多集中于切削力致變形誤差補償。此外，機床振動的主動抑制技術也廣受關注，如利用神經網(wǎng)絡、模糊邏輯等智能方法監(jiān)測主軸、絲杠、軸承等關鍵部件的振動信號，然后進行高速主軸、切削顫振抑制等[38]。

機床多源誤差補償技術最終都需要統(tǒng)一集成到數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)中，才能真正地實現(xiàn)數(shù)控機床加工精度的提升。因此機床多源誤差的耦合映射機理、加工多源誤差與加工精度的實時動態(tài)監(jiān)測、時變非線性耦合誤差的一體式補償方法、多源誤差補償模塊的嵌入式集成等，勢必成為智能制造驅動下機床誤差實時補償?shù)难芯恐攸c。

4 智能化控制技術

在智能制造大環(huán)境的影響下，智能化控制技術已成為高端數(shù)控機床最為突出的典型特征之一。智能化控制技術主要指一種以大數(shù)據(jù)采集為基礎，通過建立數(shù)控機床的加工信息“數(shù)字雙胞胎”模型，利用數(shù)據(jù)挖掘相關智能算法，對數(shù)控機床進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)控加工流程與工藝參數(shù)在線優(yōu)化、狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷控制等功能的技術。在智能化控制技術的支持下，數(shù)控機床能夠感知自身加工狀態(tài)和加工過程，根據(jù)機床狀態(tài)進行自學習、自控制、自維護等行為。對于數(shù)控機床的智能化控制而言，制造大數(shù)據(jù)實時采集是底層基礎，數(shù)據(jù)有效挖掘是中間手段，而根據(jù)挖掘的有效信息進行實時的工藝流程及工藝參數(shù)優(yōu)化、機床狀態(tài)監(jiān)測及診斷控制則是最終目標。

4.1 制造工藝大數(shù)據(jù)實時采集

制造工藝數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能化制造的重要基礎，也是高精數(shù)控加工的必要保證。在具有相同加工條件的情況下，零件加工的工藝流程和工藝參數(shù)直接決定了零件加工的質量和效率，制造工藝數(shù)據(jù)的重要性不言而喻。然而，制造工藝數(shù)據(jù)具有復雜異構、多維海量等典型特征，為實時采集制造工藝數(shù)據(jù)，葉佩青等[39]提出基于先進互聯(lián)網(wǎng)技術，建立制造工藝數(shù)據(jù)收集激勵機制和甄別平臺，通過研發(fā)工藝數(shù)據(jù)收集APP并激勵一線工人上傳工藝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的收集、管理、控制等功能，為工藝優(yōu)化奠定基礎；王軍等[40]設計了一種大數(shù)據(jù)管理模型，實施各個工序的數(shù)據(jù)采集與遷移，并對數(shù)據(jù)進行了分析及可視化處理；W. Wang等[41]提出了一種針對五軸基于對象鏈接和嵌入過程協(xié)議的新數(shù)據(jù)采集方法，并基于西門子840D系統(tǒng)開發(fā)了客戶端。

4.2 加工流程及工藝參數(shù)優(yōu)化

在對數(shù)據(jù)進行實時采集后，通常采用智能算法對數(shù)據(jù)進行分析和標注以挖掘、提煉有效信息，應用于新工件的加工過程中，而新產生的加工數(shù)據(jù)又會實時上傳到數(shù)據(jù)收集平臺，通過對數(shù)據(jù)類型、加工效果的多維度比較分析，以機器學習方式總結經驗，對加工流程及工藝參數(shù)進行優(yōu)化并指導下一次加工。包洋等[42]根據(jù)已有工藝數(shù)據(jù)利用決策樹分類器和神經網(wǎng)絡模型，預測了相應的加工工藝參數(shù)并通過磨削實驗進行了驗證；Y. Xiong等[43]提出一種針對重型機床可持續(xù)制造的多目標規(guī)劃網(wǎng)格優(yōu)化算法以優(yōu)化工藝參數(shù)；劉恒麗等[44]提出了一種以切削效率和刀具耐用度為優(yōu)化目標，基于Pareto遺傳算法與TRIZ理論相結合的數(shù)控裝備加工參數(shù)優(yōu)化算法。此外，單就加工流程規(guī)劃而言，目前最典型的方法是基于STEP-NC數(shù)據(jù)模型進行規(guī)劃，它側重于描述加工目標特征和零件技術要求。例如劉日良等[45]基于STEP-NC將加工流程規(guī)劃分為離線規(guī)劃、在線規(guī)劃、實時規(guī)劃三類，并給出了工步級銑削用量的優(yōu)化、特征級工藝路線的篩選和基于啟發(fā)式算法的工步排序的在線規(guī)劃流程。總之，基于大數(shù)據(jù)采集的信息流挖掘與學習，會對數(shù)控機床加工流程及工藝參數(shù)優(yōu)化起到先驗指導作用，也是數(shù)控機床智能化的技術前提。

4.3 機床狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷控制

狀態(tài)實時監(jiān)控與診斷控制對于提高機床運行可靠性具有極其重要的意義[46]。它是一種在制造大數(shù)據(jù)實時采集的基礎上，借助數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等分析技術對機床狀態(tài)信息進行評估與診斷，并在必要時發(fā)出指令控制機床行為的技術。國內外對狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷控制的研究主要集中在實時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)架構、智能診斷方法、故障自修復等領域。

在監(jiān)測與診斷系統(tǒng)架構研究方面，研究者大多著力于構建CPS基本結構框架以實現(xiàn)實時監(jiān)控與診斷。如黎小華等[47]提出了一種基于服務的涵蓋感控層、網(wǎng)絡通信層、資源服務層與決策應用層的四層數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS體系框架；畢筱雪等[48]則構建了一個基于“感知-分析-決策-控制-反饋”的閉環(huán)監(jiān)控CPS架構，并運用于藍天數(shù)控網(wǎng)絡化平臺，有效提高了數(shù)控機床的實時監(jiān)控水平。在智能診斷方法研究方面，大多將智能算法與故障診斷結合，以增強故障診斷的可靠性和高效性。如楊東民等[49]針對數(shù)控機床故障多源、多變量、強耦合等特點，提出了一種融合KPCA與PSO-RBF的數(shù)控機床故障診斷方法，并針對伺服系統(tǒng)7種常見故障進行仿真驗證；王春暖等[50]針對數(shù)控機床隱蔽性和復雜性特征，提出了基于改進PSO優(yōu)化模糊神經網(wǎng)絡的故障診斷技術，實現(xiàn)了主軸伺服系統(tǒng)故障的準確辨識。此外，機床故障自修復則是在故障精確診斷的基礎上，判斷故障原因并準確定位故障產生位置，采用相應手段進行自修復的技術。例如，通過對加工時的噪聲和實際位置偏移判斷出刀具的磨損情況，若磨損嚴重則自動換刀，否則可根據(jù)刀具誤差模型，進行誤差插補運動以達到理想加工精度；如判斷機床振動超過一定標準，可通過減小進給量或調整主軸轉速抑制振動。

目前機床狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷控制技術的研究及應用仍然存在許多的不足，如數(shù)控機床冗雜異構信息的知識表達和有效獲取仍然困難，監(jiān)測系統(tǒng)界面可視化存在短板，診斷系統(tǒng)的診斷規(guī)則和控制策略不夠靈活，故障信號處理方法和故障學習機制不夠完善，故障排除與自修復能力依然薄弱等[51]。因此，機床狀態(tài)監(jiān)測與控制技術仍將是機床企業(yè)及相關研究機構未來長期關注的熱點領域。

5 國內智能化高檔數(shù)控裝備的發(fā)展

在智能制造驅動下，先進數(shù)控技術發(fā)展迅速，除上面提及的高速高精聯(lián)動控制技術、機床誤差補償技術以及智能化控制技術等典型技術外，智能編程技術、智能數(shù)控管理技術、智能化人機界面等也被廣泛關注。數(shù)控機床是數(shù)控技術的物質載體，先進數(shù)控技術的進步自然也推動著智能化高檔數(shù)控機床的研發(fā)進程，并且儼然成為智能制造下高檔數(shù)控裝備領域的研究重點。在國內，按以高檔數(shù)控機床為核心的智能制造裝備產業(yè)集群劃分，裝備研發(fā)和生產企業(yè)主要分布在環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)、珠江三角洲及西北地區(qū)；而單就智能化高檔數(shù)控裝備的制造企業(yè)而言，最典型的數(shù)控企業(yè)則包括華中數(shù)控、廣州數(shù)控、沈陽機床、普什寧江、秦川機床、大連機床、齊重數(shù)控等。

目前，國內智能化高檔數(shù)控系統(tǒng)及機床的發(fā)展已有較大的進步，高速高精、多軸聯(lián)動控制、機床多源誤差補償?shù)认冗M數(shù)控技術與國際先進水平差距進一步縮小。高檔數(shù)控系統(tǒng)研究方面，在國家04科技專項的支持下，華中數(shù)控、廣州數(shù)控、大連光洋、沈陽高精和航天數(shù)控等數(shù)控企業(yè)均攻克一批高檔數(shù)控系統(tǒng)關鍵技術，研制出了全數(shù)字總線式高檔數(shù)控系統(tǒng)產品[52]。例如華中數(shù)控的華中8型智能數(shù)控系統(tǒng)(iNC)，攻克了高速高精控制、多軸多通道聯(lián)動等關鍵技術，已在航空、船舶、發(fā)電、汽車、特種裝備等領域獲得批量應用，并與大連機床集團、武重集團、漢川機床集團、普什寧江等數(shù)十家國內主要主機廠實現(xiàn)了批量配套及改造，典型案例如圖4所示。

圖4 華中8型智能數(shù)控系統(tǒng)與國內主機廠的批量配套及改造

在高檔數(shù)控機床研制方面，國內機床企業(yè)正著力于將智能化先進數(shù)控技術有效集成應用到高檔數(shù)控機床上，已研制的產品包括云南CY集團的CY-HTC系列高速高精數(shù)控臥式車床、齊重數(shù)控的Q1-190數(shù)控立式專用車鏜床、沈機集團昆明機床的TGK46100高精度坐標鏜床、科德數(shù)控的五軸銑車復合立式加工中心等。智能化先進數(shù)控技術在高檔數(shù)控機床上的具體應用，以高檔數(shù)控制齒裝備為例，普什寧江的YK3603數(shù)控臥式滾齒機，采用了寧江核心技術制造的滑動導軌和人機電一體化布局，并配置了FANUC 0i MF數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)八軸四聯(lián)動高速高精滾齒加工；秦川機床的YKZ7230數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機，采用全新雙工件主軸結構和高精度雙主軸直接驅動技術，提供智能磨削軟件，可實現(xiàn)自動裝卡、自動對刀、自動磨削及修正砂輪自動控制，并配置壓力、振動、位置、溫度傳感器實時監(jiān)控機床狀態(tài)，使得制齒效率和精度顯著提升。

雖然國內數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床的智能化進程加快，部分先進數(shù)控技術已初步在數(shù)控裝備上推廣應用，但在開放式硬軟件系統(tǒng)及平臺架構、智能化加工技術、機床狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷控制、可視智能化人機界面開發(fā)、機床精度保持和可靠性等方面仍與國外存在一定差距。國內僅在中低檔數(shù)控機床需求方面可以基本做到自給自足，但軍工、航天、醫(yī)療等專業(yè)領域所需的高端數(shù)控機床缺口依然巨大，高檔數(shù)控系統(tǒng)的市場占有率僅約3%。國內先進數(shù)控技術發(fā)展所面臨的壓力和挑戰(zhàn)仍十分嚴峻。幸而，國內不少數(shù)控企業(yè)與科研院所已正視這一問題，正憑借不斷創(chuàng)新的智能化先進數(shù)控技術和豐富的實際生產經驗，積極對接智能制造，助推中國工業(yè)轉型升級，以期扭轉不利局面，實現(xiàn)“中國智造”。

6 結語

在全球化智能制造浪潮的推動下，先進數(shù)控技術作為制造業(yè)發(fā)展進步的重要標志，已成為國內外數(shù)控企業(yè)及相關科研機構的重點關注對象。高速高精聯(lián)動控制技術、機床多源誤差補償技術以及智能化控制技術等一批關鍵數(shù)控技術得到了廣泛研究與發(fā)展。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡互聯(lián)技術、人工智能技術、大數(shù)據(jù)挖掘等先進技術的推動，先進數(shù)控技術未來也必將朝著開放網(wǎng)絡化、高速高精高效化、工藝集成復合化、模塊柔性化、實時智能化等方向飛速發(fā)展。在目前國內先進數(shù)控技術基礎相對薄弱的情況下，了解關鍵先進數(shù)控技術的研究現(xiàn)狀，掌握未來數(shù)控技術開放智能化的發(fā)展趨勢，有助于我國在智能化高檔數(shù)控裝備的研制過程中實現(xiàn)關鍵先進數(shù)控技術的重點突破，切實提升我國完全自主高檔數(shù)控裝備的國內市場占有率以及國際市場競爭力，真正實現(xiàn)“中國制造2025”的宏偉目標，助力我國邁入世界制造強國行列。

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