數(shù)控系統(tǒng)之于機(jī)床，就像CPU之于電腦，是大腦，是心臟。數(shù)控機(jī)床技術(shù)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化機(jī)床企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受機(jī)床技術(shù)人員及人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控機(jī)床技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對(duì)信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。另外，數(shù)控機(jī)床技術(shù)以高精度隨動(dòng)控制和多運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制為主要特征，與自動(dòng)火炮控制、雷達(dá)控制以及陀螺導(dǎo)航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎(chǔ)，具有典型的軍民兩用的機(jī)床產(chǎn)品應(yīng)用特征。

正是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床技術(shù)軍民兩用的機(jī)床特征，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境對(duì)中國(guó)數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報(bào)告的技術(shù)封鎖階段，到通過機(jī)床合資辦廠，本地化數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)，低端機(jī)床產(chǎn)品傾銷，渙散中國(guó)國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當(dāng)多的事實(shí)證明我們?cè)噲D通過引進(jìn)技術(shù)，“以市場(chǎng)換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場(chǎng)也丟了，技術(shù)卻沒換回來。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產(chǎn)品壟斷市場(chǎng)80%以上，高端產(chǎn)品不僅壟斷，而且限制中國(guó)進(jìn)口。中國(guó)通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場(chǎng)打開局面，形成了一定市場(chǎng)規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)控制器規(guī)模始終處于被壓縮的狀態(tài)，利潤(rùn)空間被壓縮，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)技術(shù)進(jìn)步。

機(jī)床行業(yè)專家坦言“中國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相差起碼15年”。日本國(guó)際經(jīng)濟(jì)學(xué)家長(zhǎng)谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號(hào)上發(fā)表了一篇題為《中國(guó)的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業(yè)，生產(chǎn)汽車部件的機(jī)床年均工作時(shí)間高達(dá)3500小時(shí)，也只有日本制造的機(jī)床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機(jī)床，中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長(zhǎng)谷川慶太郎預(yù)測(cè)：中國(guó)對(duì)日本的依賴只會(huì)越來越加強(qiáng)而不會(huì)越來越削弱。這就意味著“日本越來越有能力控制中國(guó)”�？陀^分析這篇文章，拋棄日本少數(shù)學(xué)者狂躁的心態(tài)，僅就裝備制造業(yè)中以數(shù)控系統(tǒng)為代表的制造裝備關(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看，文章的觀點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)喚起我們的憂患意識(shí)。

打破國(guó)外機(jī)床技術(shù)對(duì)我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對(duì)國(guó)外技術(shù)的依存度，選擇有技術(shù)支持條件的關(guān)鍵技術(shù)作為突破口，主動(dòng)突破，才能爭(zhēng)取競(jìng)爭(zhēng)上的主動(dòng)。數(shù)控機(jī)床技術(shù)在近十年計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)步的支持下，具備關(guān)鍵技術(shù)突破口的條件。從產(chǎn)業(yè)的角度看數(shù)控控制器產(chǎn)品的基本特征，其數(shù)控技術(shù)可以概括為專用的工業(yè)計(jì)算機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動(dòng)電機(jī)專用的工業(yè)電源；伺服電機(jī)產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機(jī)。針對(duì)這些產(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國(guó)完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類似產(chǎn)業(yè)特征的產(chǎn)品的產(chǎn)能是世界領(lǐng)先的。因此，跳出狹義的運(yùn)動(dòng)控制器制造領(lǐng)域，從中國(guó)產(chǎn)業(yè)全局看，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)特征是技術(shù)的軟件化。運(yùn)行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實(shí)現(xiàn)。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將更多轉(zhuǎn)化為基于軟件技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)的智力層面的比拼和以技術(shù)融合為特征的工程層面的比拼。

反遏制機(jī)床的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心機(jī)床技術(shù)體系生長(zhǎng)的自主創(chuàng)新平臺(tái)，從被動(dòng)的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃?dòng)的技術(shù)對(duì)抗。高端數(shù)控技術(shù)不僅僅是控制器的問題，而是關(guān)聯(lián)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、通訊、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及機(jī)床測(cè)試、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節(jié)都將對(duì)最終的設(shè)備控制效果產(chǎn)生影響。

以高速高精度高響應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制為例來說明這個(gè)問題。從FANUC公開的材料上看，控制分辨率提升到納米可以將被加工產(chǎn)品的精度提高一倍，表面質(zhì)量提高一倍。但這一結(jié)果需要控制器全面的技術(shù)提升。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，基于超前讀機(jī)制的運(yùn)動(dòng)軌跡分析和預(yù)測(cè)是必需的。這一機(jī)制將對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運(yùn)動(dòng)控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補(bǔ)器的計(jì)算精度要從1個(gè)um提升到1個(gè)nm，計(jì)算字長(zhǎng)要增加三位，有效計(jì)算精度要提升3個(gè)數(shù)量級(jí)。軟件平臺(tái)要支持相應(yīng)字長(zhǎng)的計(jì)算。另一方面控制節(jié)拍也需要相應(yīng)提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當(dāng)然對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺(tái)要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)分辨率是不夠的，還要將這個(gè)控制量送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由于有效字長(zhǎng)的擴(kuò)充，控制節(jié)拍的提高，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高。對(duì)伺服通訊問題一定要采用數(shù)字方式，脈沖方式和模擬加位置脈沖反饋的都不能符合要求。在伺服側(cè)很顯然要追求更高精度的控制問題。首先就是需要更高精度的位置反饋原件。目前國(guó)際上高精度伺服裝置傳感器已經(jīng)提升到200萬線～400萬線了，這樣才能夠與現(xiàn)有的機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。我們國(guó)內(nèi)的控制器產(chǎn)品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術(shù)的差距直接導(dǎo)致我們的驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速比上不去，速度平穩(wěn)性有差距。高分辨率的傳感器還面臨另一個(gè)問題就是傳感器接口問題。顯然這種分辨率下不能用AB脈沖形式接口。

能夠保證控制器同步采樣的高速數(shù)字通訊協(xié)議是必須要解決的問題。伺服本身高精度控制的問題也是必須要解決的問題。FANUC強(qiáng)調(diào)HRV，三菱強(qiáng)調(diào)OMR都將問題直指高精度伺服控制的核心問題——高精度、快速響應(yīng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎(chǔ)。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術(shù)都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識(shí)別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。

實(shí)現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動(dòng)裝置是不夠的。電機(jī)設(shè)計(jì)本身就是直接影響運(yùn)動(dòng)控制效果的重要因素。對(duì)于永磁同步伺服電機(jī)而言，良好的反電勢(shì)正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動(dòng)裝置的廠商本身也是電機(jī)制造商。在很多國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，電機(jī)技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是部門割裂的，有的甚至沒有電機(jī)技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動(dòng)。在研究高精度運(yùn)動(dòng)控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們?cè)诳刂扑惴ǖ南嚓P(guān)研究中的時(shí)間和實(shí)施成本。在仿真技術(shù)支持的同時(shí)，還需要研制有關(guān)的試驗(yàn)平臺(tái)，用來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制的效果，評(píng)價(jià)伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的性能。例如，如何評(píng)價(jià)低速平穩(wěn)性和剛度等。

上面僅以高速高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為例說明高檔控制器技術(shù)是一個(gè)耦合緊密的技術(shù)學(xué)科群。作為高端數(shù)控技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新體系應(yīng)當(dāng)具有技術(shù)鏈的完整性，因此我們稱這樣的技術(shù)創(chuàng)新體系為“技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)”。這樣的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)投入是巨大的。以日本FANUC公司為例，在技術(shù)上保持領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一，該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50％，研發(fā)投入為銷售額的10%，每年投入研發(fā)費(fèi)用上億美元。很顯然，支持上述平臺(tái)在中國(guó)現(xiàn)有的科研條件下，依靠一家企業(yè)或單位是非常困難的。我們只有通過包括高等院校和其他研究機(jī)構(gòu)在內(nèi)，以產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)聯(lián)為內(nèi)在聯(lián)系的企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，整合技術(shù)資源，形成新型的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新組織，在國(guó)家有關(guān)政策支持和指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)相關(guān)多技術(shù)緊密耦合的創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)，才可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越。

充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，把握數(shù)控核心技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，有所為有所不為。處于后進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的中國(guó)裝備控制器產(chǎn)業(yè)必須充分利用新的技術(shù)手段，把握數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，根據(jù)自己的實(shí)際情況，有所為有所不為，形成后發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快技術(shù)進(jìn)步的步伐，才能實(shí)現(xiàn)追趕和跨越。

首先需要明確中國(guó)數(shù)控技術(shù)需要的發(fā)展方向。我們可以從SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)對(duì)華出口限制的方向中受到啟發(fā)。這些功能絕大多數(shù)十被認(rèn)為直接影響歐洲裝備核心競(jìng)爭(zhēng)力的功能。

分析上述功能，可以概括高端控制器幾個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向：

1）復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制技術(shù)。上表中的“螺旋線插補(bǔ)2D+6”、“5軸加工程序包”、“多軸插補(bǔ)”都屬于這一技術(shù)方向。復(fù)雜型面和曲線的運(yùn)動(dòng)控制屬于數(shù)控基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)技術(shù)，也是負(fù)責(zé)工藝裝備的現(xiàn)實(shí)需求。特別是五軸加工控制技術(shù)，是復(fù)雜曲面加工的基礎(chǔ)支持技術(shù)。該技術(shù)是關(guān)系到航空航天制造業(yè)、武器裝備制造業(yè)、動(dòng)力裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。

2）多軸耦合關(guān)系運(yùn)動(dòng)控制。“搬運(yùn)變換包”，“位控循環(huán)中的1D/3D間隙控制”，“懸垂度補(bǔ)償，多維”，“主動(dòng)數(shù)值耦合和曲線列表插補(bǔ)”，“電子齒輪單元”，“連續(xù)修正”，“測(cè)量2級(jí)”都體現(xiàn)了上述特征。上述功能的共性特征是某坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)不再是受計(jì)劃性軌跡執(zhí)行，而是與其他軸的運(yùn)動(dòng)或邏輯量具有某種耦合關(guān)系或者協(xié)同關(guān)系，即實(shí)時(shí)插補(bǔ)過程還引入了其他控制因素。上述功能顯然對(duì)于復(fù)雜裝備是非常必要的，屬于經(jīng)典插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的重要補(bǔ)充。

3）開放式結(jié)構(gòu)。“開放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”和“同步操作”都屬于這一技術(shù)方向。“開放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”引擎支持用戶將自己編寫的控制功能加入系統(tǒng)中，并可按照指定的執(zhí)行頻度周期性執(zhí)行。而“同步操作”是用戶以高級(jí)語言的形式約定執(zhí)行條件和執(zhí)行動(dòng)作。這兩項(xiàng)功能分別體現(xiàn)了控制系統(tǒng)不同層次的開放，一種是執(zhí)行引擎的開放，另一種是用戶語言層面的開放。這類的技術(shù)顯然有利于主機(jī)廠的快速響應(yīng)工藝需求，將自己專有的技術(shù)融入到控制器中，二次開發(fā)具有自己特色的控制器，極大地拓展了控制器的控制能力。

4）與伺服控制技術(shù)的融合。“內(nèi)部驅(qū)動(dòng)變量評(píng)價(jià)”就屬于這一技術(shù)方向。伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能直接影響整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的控制表現(xiàn)和整個(gè)裝備的性能表現(xiàn)。因此，伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)技術(shù)也成為高端控制器技術(shù)群的重要基礎(chǔ)。由于伺服驅(qū)動(dòng)裝置嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)算資源、存儲(chǔ)資源和人機(jī)交互能力的局限性，伺服系統(tǒng)參數(shù)的可視化和優(yōu)化需要通過上位的數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)。因此，控制器技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的技術(shù)融合就成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向。這一技術(shù)特點(diǎn)可以從許多控制器產(chǎn)品中得到映證。

結(jié)論