數控技術發展狀況及在智能制造中的作用*

王 眇，張振明，李 龍，謝 云

（1.西北工業大學機電學院，西安 710072；2.蘭州蘭石集團有限公司信息化和智能制造部，蘭州 730050）

由于數控技術的特殊地位，從發展之初，國家就對其十分重視和支持。我國數控技術的發展過程可分為兩個階段[1]，第1階段數控技術經歷了從無到有的過程，第2階段數控技術進入穩定發展階段并取得豐碩成果。1958～1965年，我國開始研制數控銑床，處于試制和試用階段。1965～1972年為研制晶體管數控系統階段，在這一階段，雖然數控機床的數量和品種不多，但是在少數復雜零件的加工中，已開始從試驗階段進入生產實用階段。1972～1979年，研制成功了集成電路數控系統，數控技術在銑、鉆、鏜、磨、插齒加工、電加工等領域開始研究和應用。數控加工中心研制成功，尤其是數控線切割機床，由于其結構簡單、使用方便、價格低廉以及模具加工的迫切需要而取得了較大的發展。1980年以后，數控技術進入第2階段穩步發展時期[2]。從“六五”到“十三五”的30多年里，如圖1所示，國家將數控機床列為國家科技重大專項，重點攻克高檔數控系統、功能部件等關鍵共性技術和高檔數控機床的可靠性、精度保持性等關鍵技術，滿足航空航天、汽車領域對高精度、高速度、高可靠性高檔數控機床的急需，提高高檔數控機床自主開發能力，總體技術水平進入國際先進行列，部分產品達到國際領先[3]。

圖1 8個五年計劃中數控技術的發展Fig.1 Development of numerical control technology during eight Five-Year Plan period

機械制造業是我國現代社會發展進程中非常重要的一部分，機械制造業的發展與數控系統之間有著直接的關聯，數控系統的發展水平與產品的質量緊密相連。數控技術作為集信息處理、自動控制、微電子、自動檢測、計算機等于一體的高新技術，具備高效率、高精度、柔性自動化等優勢。數控技術為數字制造技術提供場景和技術支持，而數字制造技術是智能制造的基礎技術[3]。數控技術的應用主要體現在數控機床上，高質量的機械零部件依賴于高精度、高自動化水平的數控機床，要提高機械制造能力與水平就必須加大數控系統的研究。現代數控系統囊括了先進的數控技術，將其應用于機械制造行業中，可以提高機械制造生產效率，確保產品的質量。隨著技術水平的提高，發展現代數控系統已成為機械制造行業發展的必然。工業互聯網背景下，信息化和網絡化是數控技術的必然趨勢，是實現數控機床智能化的基礎，在智能制造影響下，數控技術必然朝著信息化、智能化的方向發展，朝著現代智能化高端裝備發展。當前，德國“工業4.0”、美國“先進制造業國家戰略計劃”、“中國制造2025”、歐盟“IMS2020計劃”以及日本“智能制造系統國際合作”等都昭示著“第四次工業革命”的到來，而智能制造必然是工業變革進程中的核心領域[4]。一個國家的智能制造水平決定了其機械制造水平，也決定了其在第四次工業革命中扮演的角色。而數控機床與數控系統是實現智能化制造的核心部件，因此在新的時代條件下，研究數控技術發展中遇到的瓶頸、探尋行而有效的發展路線，并研究其在智能制造發展中的作用刻不容緩。

數控技術與智能制造發展現狀

1 數控技術發展現狀

隨著我國技術創新的不斷推進，我國對于數控系統、數控主機、伺服驅動、專機及其配套件等基礎技術已經基本掌握，并且已經創立了一批從事數控開發和生產制造的企業，建立了許多從事數控技術研究的機構，而且在許多大中專院校開辦了數控專業。在數控領域我國部分企業已經初具規模，如航天數控、沈陽數控、廣州數控、華中數控等，上述企業所生產的數控系統具備普及型、經濟型、實效性等特點。雖然數控技術在近些年的發展中已有了很大進步，但是與國外發達國家相比還是存在著較大的差距，尤其是在高精尖數控技術方面差距更加明顯。我國的數控技術發展存在的主要問題有技術創新力度不夠，技術消化吸收不良，自動化水平不高，無法實現自動化生產全行業覆蓋，開放性數控系統發展不足，國內外數控系統廠家對于數控系統的“包裹”使得數控系統二次開發與擴展難度高，限制了數控技術的應用[5]。

2 國內數控技術發展過程中遇到的問題

2.1 創新不足

目前國內大多機床廠家只能生產中低端數控設備，高端數控技術仍掌握在國外數控龍頭企業手中。我國高端數控設備國產化覆蓋率僅有6%，且核心部件受制于國外技術，引進國外數控系統技術時，由于系統“包裹”太緊，不能實現國外系統本地化，技術發展也只是一味地模仿國外，這在很大程度上制約了我國數控技術的發展。將引進國外先進數控技術作為發展數控技術的捷徑不能從根本上提高我國數控技術的水平，只有在此基礎上消化吸收技術，才能促進自身的成長[6]。造成這種局面的原因在于我國數控技術的發展缺少自我創新，大部分企業將引進國外先進技術作為一條捷徑，而不愿意花費成本建立自身數控技術研發體系，無法從根本上提升數控技術，技術發展上始終受制于人。

2.2 自動化程度不高

雖然數控技術自動化近幾年得到快速發展，應用范圍也在不斷地擴大，被眾多制造企業看好，但我國數控技術發展與國外相比，自動化應用與自動化設備仍相對落后[7]。數控自動化生產具有高效率、高時效的優勢，自動化操作可以實現高難度、重復性、強度大及環境惡劣的加工任務。但我國數控技術自動化應用仍面臨許多問題，主要有加工工藝不夠精細，沒有規范化加工文件，無法將工藝分解并轉化為數控程序，空有數控設備而無法實現自動化加工。機械使用壽命短，故障率高，自動化生產要求設備穩定性高，否則易導致生產事故，然而國內大部分設備由于使用環境、工作強度等各種因素使用過程中機器故障率高且使用壽命短。自動化生產需要將生產技術與數控自動化結合，實現傳統工藝設備自動化，不同行業和企業都有各自獨特的加工工藝，對于大部分企業，缺乏專業數控人才，無法將自身產品工藝轉化為數控加工程序，阻礙了生產自動化發展[8]。

2.3 開放性數控系統發展不足

數控技術發展了幾十年，但是目前絕大部分的數控技術仍被封閉在系統框架中[9]，各模塊功能固定，不同廠家軟硬件不兼容。用戶無法進行系統擴展和開發，且維護成本高，增加了投資風險和成本。專用數控系統已不能滿足制造業日益激烈的市場競爭和變化，也不能滿足制造業向信息化、網絡化、智能化方向發展的趨勢。因此需要打破以往被封閉的數控系統，開發出開放性強、易于擴展、功能靈活的開放式數控系統[10]（Open numerical control system，ONC），使用戶可以對系統進行復位、修改、擴展和集成模塊化傳感器，甚至可以對過程進行監控和遠程診斷。根據IEEE（美國電氣與電子工程師協會）的定義，開放式數控系統允許各種應用系統在不同制造商提供的平臺上運行，并能與其他系統和用戶進行交互操作。

開放式數控的概念最早出現是在美國的NGC（Next generation controller）計劃。隨后世界各國相繼開展了相關研究。如美國的OMAC計劃，主張構造較完整的體系結構，通過定義各種API接口模塊構建不同類型的控制器，各模塊之間的接口采用微軟IDL接口定義語言規定[11]；歐洲的OSACA計劃提出系統平臺軟件部分由操作系統、通信系統和配置系統組成，開放式數控系統由一系列邏輯上互相獨立的控制模塊構成，各模塊之間、系統平臺之間具有友好的接口協議，如圖2所示[12]。日本的OSEC計劃按照數控系統中各模塊控制目標、處理內容和實時性等要求將控制系統劃分為不同的機能塊，處于同一水平的機能塊組成一個機能群。歐共體提出的STEP–NC充分利用信息技術，實現CAD、CAM、CNC之間的無縫連接，為CNC系統提供完整的產品數據[13–14]。

圖2 ONC系統架構Fig.2 ONC system architecture

目前國內開放式系統主要包括兩種形式，一種是以軟件芯片為基礎的開放式數控系統，將數控系統的主要功能加以抽象并進行封裝，其局限在性能受芯片所決定，僅為簡單程序源的重復性應用，適用范圍很窄。另一種是以現場總線技術作為技術基礎的開放式數控系統，該系統將大量的并行信號轉化為串行信號，可以使用雙絞線或光纜在上百臺設備之間進行信息傳遞與發送，但總線技術成本高，使得這種技術難以普及。此外，國內對于STEP–NC技術也有一定研究，清華大學的葉佩青團隊長期研究開放式數控系統機STEP–NC的應用[15]。總體來看，國內開放式數控技術發展不足，現有開放式數控技術還不能廣泛應用。

3 智能制造發展現狀

隨著競爭日益激烈以及市場的動態需求和先進技術的迅猛發展，制造企業不僅需具備快速整合資源的能力來應對市場，還需有能力提升資源利用效率。智能制造及“工業4.0”是基于互聯網的制造模式面向產品全生命周期實現互通互聯，利用下一代信息、人工智能、制造和管理技術實現產品的智能化設計、制造、管理和服務。

智能制造的研究對象是知識而不是數據智能制造過程，因此，智能制造不僅僅是大量生產過程信息的集合，同時也對數據進行分析和處理，指導生產決策和應用，通過不斷學習，智能制造系統的知識不斷更新，利用現有知識創造新知識。

智能制造包括3種模式：數字化制造、網絡化制造和新一代智能制造[16–19]。智能制造包括智能產品、智能生產和智能系統服務。如圖3所示[20]，該圖基本闡明了智能制造的框架及其構成要素之間的相互關系。通過內部業務的縱橫向整合，形成了一個復雜制造網絡，實現實時管理和產品生命周期優化，智能系統服務對智能設備、智能生產（數控等）的數據進行采集、分析、挖掘并支持智能決策[21]。

圖3 智能制造基本架構Fig.3 Basic architecture of intelligent manufacturing

在科技飛速發展的今天，世界上很多國家對智能制造與數控技術的應用都十分重視。在一些數控技術與智能制造技術發達的國家，已形成了智能制造數控技術的完整體系，而在國內，智能制造和數控機床的發展水平明顯不足，尚未形成完整體系。首先，要對智能制造數控技術的機器設施進行改進和調整，精密高端設備可提高智能制造發展水平及效率，使數控技術更加精確。當下很多國家都對數控系統進行了開放式的研究和設計。在以后的數控技術發展中，有必要建立一個數控技術與智能制造相結合的模型，模擬智能數控的工作程序，讓人們可對其有更加直觀清晰的認知。

數控技術發展趨勢與智能制造發展挑戰

1 數控技術發展趨勢

1.1 自動化程度更高

現代數控系統是為機械制造服務的，但目前數控系統仍然需要人為操作，這就需要一批熟悉數控技術使用的操作人員，因此，數控技術自動化水平的提高是市場的期望。基于自動化技術可使企業降低人力成本、提高生產效率以及實現安全生產，自動化技術廣泛應用于制造業已經成為大趨勢。自動化制造是實現“中國制造2025”目標的重要環節，在生產工藝精細化與完善的背景下，我國的制造業必然朝著精細化、批量化以及專業化發展。在數控技術的支持下，機械制造朝著自動化發展[21]，不斷增長的市場需求得到有效滿足，市場將朝著多樣化發展，產品系列越來越多，設計與生產也將朝著多元化方向發展。隨著數控設備制造能力以及安全穩定性的提升、企業生產工藝精細化、企業數控專業人才的引入，我國數控自動化水平將會快速提升。

1.2 開放化、網絡化、智能化

目前，“柔性”制造技術與數控技術使得制造能力有了很大提升。然而“柔性”制造與數控系統的靈活性仍然有限。為了應對日益頻繁和不可預測的市場變化，制造企業需要具有開放性的制造系統，同時，開放性系統也是實現智能制造的重要基礎。開放式數控系統提供二次開發平臺，可供用戶進行拓展與二次開發，方便用戶將自身特殊應用與加工技巧集成到控制系統中。

數控系統網絡化是數控技術發展的新趨勢，數控設備網絡化將極大促進生產過程、制造執行系統以及數據分析系統對于信息集成的需求，也是實現如敏捷制造、虛擬制造、全球制造等新型制造模式的基礎單元。為了實現制造信息化，企業需要進行系統集成，將數控系統與CAD、CAM、CAPP等計算機輔助系統連接起來，通過集成接口將圖紙、加工工序等傳輸到數控系統中[22]。

智能制造的特點是制造數字化、制造信息化、制造智能化，要實現制造信息化需要不同制造系統之間數據的互聯互通。制造智能化是在信息化的基礎上，利用制造過程數據與智能學習算法賦予機器“智慧”，在自動化制造的基礎上更進一步，實現制造過程自適應控制、智能故障診斷[7，23]與智能生產控制等目標。現代數控系統必將朝著智能化方向發展。數控系統智能化的內容體現在以下方面：收集生產過程中產生的制造數據，通過大數據分析與智能學習算法實現制造過程質量管理；通過提高設備自動化程度、傳感器性能以及應用智能算法實現數控機床加工自適應控制；實現電機參數自適應運算、自動識別負載、自動選定模型等；通過設備運行數據監控，運用圖像識別、智能學習模型等先進技術實現智能監控及智能裝備故障診斷[24]。

2 智能制造發展挑戰

分布式自主制造系統以多Agent制造系統為代表，是CPS （Cyberphysical systems）的主要組成部分，整合了物聯網、大數據、人工智能、網絡技術和虛擬制造技術。物聯網使實體在CPS中有感知、采集和傳輸數據的能力，是智能制造在數控技術的具體落腳點。智能制造、CPS和物聯網（Internet of things, IoT）之間的關系如圖4所示[14，25–26]。

圖4 智能制造、CPS和物聯網之間的關系Fig.4 Relationships of IM, CPS and IoT

智能制造、CPS和基于物聯網的制造之間的關系是交織在一起的。智能制造的關鍵是實現互聯網、網絡技術、傳感技術、信息通信技術、制造技術和管理技術的集成。這樣，制造業就能準確捕捉到多樣化的市場需求，快速響應環境變化，實現產品智能化設計、制造、管理與服務、生產決策與應用。嵌入物聯網、大數據、平臺系統技術、虛擬信息技術和傳感技術是CPS實現的關鍵[27]，CPS促進了虛擬網絡和物理世界的集成，使制造業不僅能夠提供有形產品，同時也提供與產品相關的服務。物聯網技術包括傳感技術、網絡技術、數據處理技術、通信技術、人工智能、大數據分析、增強現實和虛擬現實。

數控技術在智能制造中的應用

智能制造的核心是貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式，是“互聯網+制造”的制高點[28]，其理念是先進制造技術、新一代信息通信技術以及人工智能技術在制造裝備上的集成和深度融合，主要包括高端數控機床、工業機器人、智能測控裝置、3D打印設備、柔性化自動生產線等。智能制造實現的特征是智能工廠的建立，智能工廠依賴于生產計劃層的智能計劃排產、生產過程中的智能生產協同、車間設備的智能互聯互通、企業資源管理的智能管控、制造過程智能質量管理以及智能大數據分析與決策把持等環節。車間制造與管理智能化需要以信息化為基礎，制造數據信息化和管理方式信息化依賴于數字化技術和網絡通信技術、工業信息化系統、現代化數據采集、云計算與大數據挖掘等新興信息技術的集成，建立企業制造與管理信息一體化[29]。高檔數控機床具有工具管理、遠程監控診斷、智能測量、實施補償與加工優化等特征，高檔數控機床通過接口和網絡可為企業信息化系統與數據分析提供生產過程實時數據，這就需要先進數控技術作為支撐，數控技術自動化程度的提高可實現數控機床自動換刀、自動裝夾、自動加工與加工優化等功能；數控技術的開放化與網絡化使得制造過程中生產數據可通過機床接口與網絡傳輸集成到數據管理平臺中，以進行數據分析；數控技術的智能化賦予數控機床智能測量、實時補償與設備智能故障診斷等功能。先進數控技術與智能制造間的邏輯關系如圖5所示[30]。

圖5 先進數控技術與智能制造間的邏輯關系Fig.5 Logic relationship between advanced numerical control technology and intelligent manufacturing

結論

本文對我國數控技術的發展歷程與“中國制造2025”背景下我國智能制造發展現狀進行闡述，分析了在第四次工業革命來臨之際，我國數控技術發展面臨的創新性不足、自動化程度不高以及數控技術開放性不足等問題。在“中國制造2025”以及實現智能制造的目標驅動下，我國數控技術必然朝著自動化程度更高、更開放化、網絡化、智能化方向發展。數控技術逐漸從專用封閉式開環控制模式向通用開放式全閉環控制模式發展，硬軟件系統及控制方式也日趨智能化。在此趨勢下，智能工具管理、遠程監控與智能設備故障診斷、智能測量、自適應加工以及智能質量控制等數控技術的快速發展成為實現智能制造的基石。我國數控技術發展與西方發達國家相比有很大差距，需要清楚地認清發展現狀，明確未來我國制造業的發展趨勢，在我國大力發展制造業水平的政策驅動下實現關鍵數控技術的重點突破，切實提高我國智能制造技術水平，加快我國制造業智能化轉變進程，加快我國從制造大國向制造強國轉變。