數控技術及其在智能制造中的作用探討

洪溥

（山西工程科技職業大學，山西 太原 030619）

由于數字技術的特殊地位，國家從其發展之初就給予了高度重視和支持。我國數字技術的發展過程可以分為2個階段。數字控制技術在第一階段經歷了從無到有的過程，在第二階段，數字管理進入了穩定發展階段，并取得了巨大的成果。從1958年到1965年，我國開始在試驗階段開發數字銑床。從1965年到1972年，在晶體管數字控制系統的建立階段，雖然數控機床的數量和類型都很小，但在許多復雜零件的加工中，從實驗階段到實際生產階段的轉變已經開始。從1972年到1979年，集成電路數控系統研制成功，數控技術開始在銑削、鉆孔、鏜孔、磨削、齒輪切削、電加工等領域得到研究和應用。CPC專門開發了一種數控線切割機，該機結構簡單，使用方便，價格低廉，迫切需要加工模具。

1980年以后，數控技術進入可持續發展的第二階段。從“六五”到“十三五”的30多年時間里，國家把數控機床列為國家重點科技專業，本文重點研究汽車領域高精度、高速、高可靠性的高端數控機床的通用關鍵技術，如高速數字控制系統、功能部件的可靠性和精度、適應航空時代的高數控機床等關鍵技術，完善自主開發的高性能數控機床，整體技術水平躋身國際先進行列，部分產品已達到國際領先水平。

1 國內數控技術發展過程中遇到的問題

1.1 創新不足

目前，國內大多數機床制造商只能生產低端和低端數控設備，高端數控技術仍掌握在海外領先企業手中。中國高端數控設備的國內覆蓋率僅為6%，主要部件均采用國外技術，引進國外數控技術系統，無法實現外部系統的國產化，技術的發展只是模仿國外，這在很大程度上制約了國內數字技術的發展。引進國外先進的數字控制技術作為發展數字技術的捷徑，并不能從根本上提高我國數字控制技術的水平，只有在這個基礎上消化吸收技術，才能帶動自身的發展。究其原因，是我國數字技術發展缺乏自主創新，大多數企業把引進國外先進技術作為最短的途徑，不愿付出昂貴的成本建立自己的數字控制系統和研發團隊，不能從根本上改善數字控制技術，技術的發展總是受制于人。

1.2 自動化程度不高

盡管近年來數字自動化發展迅速，但其應用范圍也在不斷擴大。許多制造企業認為，這是好事，但與國外相比，我國的數字化管理技術應用自動化和設備自動化的發展還相對落后。數控生產自動化具有效率高、時效性強的優點。自動化可以提供高難度、高重復性、高強度和惡劣的工作條件。然而，數字技術的自動化仍然面臨著許多問題，主要是技術不發達，沒有標準化的回收文件，過程無法分解和轉換為數字控制程序，無法實現加工自動化。機器使用壽命短，故障率高。生產自動化要求設備穩定性高，否則可能導致生產事故，但由于操作環境、工作強度等因素，大多數國產設備，該機故障率高、使用壽命短，生產自動化必須將生產技術與數控自動化相結合，實現傳統工藝設備的自動化，不同行業和企業有自己獨特的加工技術。對于大多數企業來說，缺乏數字化管理專業人員，這阻礙了自動處理程序向數字化產品的發展。

1.3 開放性數控系統發展不足

數字控制技術已經發展了幾十年，但目前大多數數字控制技術仍然封閉在系統中，模塊功能固定，與不同的軟件制造商不兼容。用戶無法擴展和開發系統，維護成本高，增加了投資風險和成本。這種特殊的數字系統已經不能滿足日益激烈的市場競爭和制造業的變化，也不能適應制造業信息化、網絡化、智能化的發展趨勢。因此，有必要打破以前封閉的數字控制系統，開發一個開放的、易于推廣的、靈活的開放式數控系統（ONC），允許用戶在系統中輸入模塊化的傳感器進行復位、修改、擴展和集成，對過程進行監控和遠程診斷。根據IEEE的定義，開放式數字控制系統允許各種應用系統在平臺上運行，它由不同的制造商提供，并與其他系統和用戶交互。開放式數字控制的概念首次出現在美國的NGC（下一代控制器）項目中。隨后，世界各國紛紛開展研究。例如，美國的OMAC程序提供了一個更完整的系統結構，通過定義不同的API接口模塊來創建不同類型的控制器，不同模塊之間的接口用定義Microsoft IDL接口的語言定義；歐洲OSACA計劃規定，系統平臺的軟件組件由操作系統、通信系統和配置系統組成，開放式數字控制系統由一系列邏輯獨立的控制模塊組成，這些模塊與平臺具有友好的接口，如圖1所示。在日本，osec計劃根據需求將控制系統劃分為不同的功能塊，這些功能塊由相同的功能塊組成，為數字控制系統中的每個模塊提供目標控制、內容處理和實時功能。歐盟建議STEP-NC充分利用信息技術，實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接，為CNC系統提供完整的產品數據。

圖1 ONC系統架構

目前，開放式內部系統主要包括兩種形式：基于軟件芯片的開放式數字控制系統，它是抽象的，不受數字控制系統主要功能的影響。它僅限于crystal和重復應用程序定義的特性，它們是應用范圍狹窄的簡單軟件源。另一種方案是基于現場總線技術的開放式數字控制系統，它將大量并行信號轉換為串行信號，可用于在數百個雙電纜或光纜設備之間傳輸和傳輸信息，但總線技術的高成本使這項技術超出了每個人的能力范圍。此外，我國也對STEP-NC技術進行了一些研究，研究STEP-NC開放式數控系統的應用總體而言，國內開放式數控技術發展不足，現有的開放式數字控制技術不能廣泛應用。

2 智能制造發展現狀

隨著競爭的加劇，市場動態需求和先進技術的快速發展，制造企業不僅需要快速整合資源的能力，對市場的反應也在于提高資源利用效率的能力。智能制造與基于“工業4.0”網絡的生產模式在整個產品生命周期內相互聯系，利用下一代信息、人工智能和生產管理技術，實現智能設計與生產、產品管理與服務。智能制造是學習知識，而不是智能數據制造過程，因此，智能生產不僅是大規模生產過程信息的收集，也是數據分析和處理，指導解決方案和應用的生產，通過不斷學習不斷更新智能制造系統，利用現有知識創造新知識。智能制造包括數字制造、網絡制造和新一代智能制造包括智能產品、智能制造和智能服務系統。通過內部業務的橫向和縱向整合，形成了一個復雜的生產網絡，提供實時控制和產品生命周期優化，智能設備、智能服務系統、智能制造（數字控制）數據用于收集、分析，挖掘并支持智能決策。在科學技術飛速發展的今天，世界各國都非常重視數字控制技術的智能化生產和應用。在一些擁有先進數字控制和智能制造技術的國家，已經建立了完整的數字控制技術智能制造系統，而在我國機床的智能生產和數字化管理明顯不發達，還沒有建立起完整的系統。首先，必須對智能制造數控技術的機器和設備進行改進和調整，高精度的設備可以提高智能制造的開發水平和效率，使數控技術更加精確。目前，許多國家都在進行數字控制系統的公開研發。在數字控制技術的進一步發展中，必須建立數字控制技術與智能制造相結合的模式，模擬智能數字控制程序使人們對其有了越來越清晰的認識。

3 數控技術發展趨勢

3.1 自動化程度更高

現代數控系統服務于機械制造業，但目前數控系統仍需要人工控制，這就需要一批熟悉數控技術使用的操作人員。因此，提高數字技術的自動化水平是市場的期望。自動化技術在制造業的廣泛應用已成為一種普遍現象，因為它可以使企業降低勞動力成本，提高生產效率，確保安全生產。生產自動化是實現“中國制造2025”目標的重要環節。在精細完善的生產技術背景下，中國制造業將向精細化、批發化、專業化方向發展。在數字控制技術的支持下，機械制造已經向自動化方向發展，有效地滿足了日益增長的市場需求，市場將朝著多元化方向發展，產品種類將繼續增加，設計和生產將朝著多元化方向發展。隨著數字化設備生產能力的提高，企業安全性、穩定性和精細化生產技術的提高，隨著數控專家的引進，國內數控自動化水平將迅速提高。

3.2 開放化、網絡化、智能化

目前，柔性制造技術和數字控制技術極大地提高了生產能力。然而，生產和數字控制系統的“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，制造企業需要開放的生產系統，這也是智能制造的重要基礎。開放式數字控制系統為二次開發提供了平臺，允許用戶擴展和重新開發自己的特殊應用和技術技能，以集成到管理系統中。數字控制系統的發展趨勢是數字控制系統，數字設備的網絡連接將極大地促進生產過程、生產實施系統和數據分析系統在信息集成領域的需求，以及這種新生產模式的實現，如何實現快速生產、虛擬生產、全球生產等為了實現信息化，企業必須通過將數字控制系統與CAD、CAM、CAPP等輔助計算機系統連接起來，傳輸圖紙、工藝、，智能生產的特點是數字化生產、信息生產和智能化生產，不同生產系統之間的數據交互是必要的。在信息化的基礎上打造知識分子，在生產自動化的基礎上，通過生產過程數據和智能學習算法賦予機器“智慧”，實現生產過程自適應控制、智能故障診斷和智能生產管理的目標。現代數控系統必須向智能化方向發展，數控系統的智能化內容體現在以下幾個方面：收集生產過程中獲取的生產數據，通過大數據分析和智能學習算法實現生產過程的質量管理；設備自動化、傳感器性能和智能算法的應用實現了機床的數字化處理和自適應控制；負荷模型的自動選擇和自動識別；借助數據控制設備和圖像識別等先進技術，實現了IT智能學習模式。智能設備的智能控制和故障診斷。

4 智能制造發展挑戰

分布式自主生產系統是一個多要素生產系統，是CPS（網絡物理系統）的主要組成部分之一，它結合了材料網絡、大數據、人工智能、網絡技術和虛擬制造技術。Intranet使企業能夠在處理器中感知、收集和傳輸數據，并在特定的數字技術支點上智能地進行生產。智能制造、CPS和物聯網之間的關系“智能”生產、CPS和基于intranet的生產是密不可分的。智能化生產的關鍵是集成互聯網、網絡技術、傳感器技術、信息通信技術、生產管理技術。因此，制造業可以準確地考慮市場需求的多樣化和對環境變化的快速響應，實現產品的智能化設計、生產、管理和服務、決策和應用，引入入侵網絡、大規模數據、平臺系統技術，虛擬信息技術和傳感器技術是CPS建設的關鍵，推動虛擬網絡與物理世界的融合，使制造業不僅可以提供物質產品，還可以提供與產品相關的服務信息通信技術包括傳感器技術，網絡技術、數據處理技術、通信技術、人工智能、大數據分析增強了真實感和虛擬現實。

5 數控技術在智能制造中的應用

智能制造的核心滲透到設計、制造、管理、服務等生產環節，具有自我感受、自我教育、自主決策、自我實現、適應性等功能。一種新的生產模式是“互聯網+制造”的高水平，其概念是第一個集成并深入融入新一代信息通信技術和人工智能技術的建筑技術、生產設備，尤其包括高端數控機床、工業機器人、智能測試儀器和3D打印設備，靈活的自動化生產線等實施智能化生產的特點是依靠智能化生產計劃建立智能化化工廠，生產過程中的智能化生產交互，車間設備之間的智能交互，企業資源智能化管理、生產過程質量智能化管理、分析決策智能化等車間的智能化生產管理需要計算機化，其基礎是信息化、信息化生產管理，依托數字技術和網絡通信技術、工業信息系統、現代數據采集、云計算和大規模數據挖掘，創建企業、生產和管理綜合信息。高檔數控機床具有資金管理、遠程控制診斷、智能測量等特點，實現補償和優化加工，高檔數控機床可以通過接口和網絡信息化為企業系統提供實時的生產過程數據，數據分析需要先進的數字控制技術作為支撐，提高數字技術的自動化程度，可以實現數控機床的自動轉換、自動夾具、加工自動化和IT加工優化。隨著數字控制技術和網絡連接的開放，生產過程中的數據可以通過平臺框架數據管理中的機床接口和傳輸網絡進行數據分析；數字技術的智能化為數控機床的智能測量、實時補償和智能設備故障診斷提供了功能。

6 結語

綜上所述，在中國智能制造發展的背景下，闡述了我國數字技術的發展和“中國制造2025”，在第四次工業革命前夕，我國數字技術發展不足，創新不足，自動化水平低，以及不夠開放的數字控制技術。在“中國制造2025”的沖擊下，我們的數字控制技術必然朝著自動化、接入擴展、網絡建設和智能化的方向發展。數字控制技術已經從特殊的閉環控制逐步發展到通用的開閉環控制模式，硬件和軟件系統以及控制方法也在變得越來越智能化。在這一趨勢下，數字控制方法如智能化手段管理、智能設備遠程監測與故障診斷、智能測量、自適應處理已成為智能化生產的基石。我國數字技術的發展遠遠落后于西方發達國家。要明確當前發展現狀，確定我國制造業未來發展趨勢，在我國制造業集約化發展政策中，實現數字技術的重大突破，有效提高國家智能化生產水平，加快我國制造業智能化轉型進程，加快我國從制造業大國向制造業強國轉型。