科技創新是發展國產數控系統的根本出路
1 國產數控系統的發展方向
找準適合我國國情的數控發展方向，確立可行的發展道路，是通過科技創新發展國產數控的關鍵。
1.1 數控系統體系結構的主要形式與發展前途
從宏觀上看數控系統可分為專用計算機數控系統和通用計算機數控系統兩大類。目前國內外眾多廠商普遍看好的數控系統發展方向是通用計算機數控系統。在通用機數控中最成功的當屬PC數控系統。
由于PC機(包括工業PC)產量大、價格便宜，技術進步和性能提高很快，且可*性高(工業PC主機的MIBF已達30年［1］)。因此，以其作為數控系統的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數控系統的性能價格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯網通訊等。
目前，PC數控系統的體系結構主要有以下幾種形式：
(1)專用數控加PC前端的復合式結構 這類系統的設計思想是將通用PC和專用NC通過高速信息交換通道連接到一起組成一復合式數控系統。這類系統的優點是可以保持原有數控基礎，發揮廠家在以硬件專用芯片實現特殊控制功能等方面的優勢，且技術上容易保密，因此多為一些老的數控廠商或實力較強的廠家所采用。這類系統的最大缺點是開放性有限、開發和生產成本較高，技術升級換代較慢。可以預計，在我國現有條件下，此類系統不會有大的發展。
(2)通用PC加實時控制單元的遞階式結構 其設計思想是利用PC機作為數控系統軟硬件平臺，在其標準總線上直接連接實時控制單元(將實時控制板卡插入總線插槽中)而組成完整的數控系統。其中，PC機主要完成數控系統中上層一些實時性不是很強的任務并對全系統的運行進行協調和管理，而實時控制單元則完成數控下層的高實時性控制任務。實時控制單元可以是帶軌跡插補計算、位置控制、開關量控制(PLC)等的完整的CNC單元，也可以是僅具有位置控制功能的簡單位控卡或與數字式伺服接口的數字脈沖轉換卡。由于這類系統結構簡單、易于實現開放性、成本相對較低，因此得到了國內外許多廠商，特別是中小廠家的廣泛采用。但這類系統也存在一些缺點。最突出的就是實時控制單元與伺服驅動單元間的信息交換問題。目前，將實時控制信息送往伺服驅動單元的方法主要有兩種：一種是通過模擬量形式進行，主要問題是難以消除零飄、溫飄對精度的影響，容易受外部干擾。另一種是通過脈沖量形式進行，主要缺點是實時控制單元與伺服驅動單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈沖信號，一旦丟失脈沖或引入了干擾脈沖，難以進行查錯糾錯，不易保證信息的高可*性。
(3)數字化分布式結構 其方案是將由DSP等組成的數字式伺服通過以光纜等為介質的網絡與PC數控裝置連接起來，組成一完整的數控系統。由于這種系統采用分布式計算和控制，并通過具有高可*性和高實時性的網絡進行通訊和協調，因而可以最大限度地發揮各子系統的能力，使整個數控系統具有很好的性能。但是，這種系統的開發和生產成本很高，沒有較大的投資很難上馬。
綜上所述，本文認為以上三種結構均不是符合中國國情的最好方案。
1.2 符合中國國情的PC數控的發展道路
幾十年的經驗教訓表明，可靠性好壞是國產數控系統生死存亡的關鍵。我們在開發新型數控系統時，優先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ等)作為系統的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現數控的所有功能。這樣，可大幅度減小系統硬件的規模。此外，還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等采用強抗擾高可*性設計與制造技術，從而全面提高系統的可靠性。
在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數控系統的基本功能(如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等)和開關量控制功能(內裝PLC)，而且還可以完成伺服控制功能。這樣，以前由DSP完成的數字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成，從而實現內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數控部分的硬件規模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規模。
這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數控系統，其硬件規模將達到最小化，整個數控系統除一個PC平臺外，剩下的只有驅動機床運動的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統可*性，又提高了系統性能，同時還可顯著降低系統成本，使系統(包括電動機)售價可降至現有數控系統的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力，有望為開創中國數控的新局面作出貢獻。
此外，集成化PC數控系統還有一大優點，就是容易實現開放式結構。這是因為，這種系統的硬件本身已經是完全開放的，構成開放式數控系統的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放，從而可大大方便用戶的使用。
2 數控驅動技術與產品的發展途徑
伺服驅動裝置是數控系統的重要組成部分，目前我國在數控驅動技術與產品方面還是一個弱項，因而造成許多國產數控裝置配的是國外的伺服系統。因此，今后我們必須通過科技創新大力發展國產數控驅動單元并促進其專業化生產。其主要之點包括以下幾方面：
(1)廉價的高性能伺服系統 目前，一套進給交流伺服系統(驅動器+電動機)的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統的價格高達數萬元，已成為降低國產數控機床成本的一大障礙。因此，應配合新型集成化國產數控系統的發展，大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由于內裝式伺服的硬件部分只有電動機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優勢，通過專業化生產可以把電動機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜。因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。
(2)直線交流伺服系統 直線交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究、開發和推廣應用。考慮到常規機床的防磁問題較難解決，而并聯機床的防磁相對容易，因此可為常規結構機床開發感應異步型直線電動機，為并聯結構機床開發永磁同步型直線電動機，從而揚長避短，構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。
(3)新型永磁主軸電動機和電主軸單元 目前主軸驅動電動機和電主軸產品幾乎都為感應異步型，存在以下突出問題①轉子上存在繞組(鼠籠)，有大電流流過，因此轉子發熱嚴重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求；③效率和功率因素低，不僅電動機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多；④控制系統復雜、成本高。
因此，利用我國稀土永磁材料的優勢，開發永磁同步交流主軸電動機和新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決主軸驅動中存在的問題，形成具有中國特色的新一代主軸驅動產品。
(4)數控轉臺與擺頭的零傳動驅動系統 數控轉臺與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件，傳統的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度。因此必須另辟蹊徑開發數控轉臺和擺頭的新型電磁驅動系統，以實現數控機床旋轉運動坐標的零傳動(無機械傳動鏈)驅動，加速促進我國高速高精度多坐標數控機床的發展。
(5)高速高精度檢測裝置 高速高精度是下世紀數控機床發展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動，同時還需要高品質的檢測環節，因此應在現有技術基礎上，進一步開發0.1μm以上精度的高速(60m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器，此類技術國外對我國是進行封鎖的。
3 加強數控系統產品技術支持的新思路
國產數控系統進入市場后，能否牢固地站穩腳跟，在競爭中立于不敗之地，關鍵的一條還取決于我們能否做好技術支持與服務。考慮到信息技術的發展，可以新的思路來抓好此項工作。
(1)加強用戶技術培訓數控系統應用得好壞，很大程度上與使用者的水平有關。因此，在國產數控系統的推廣應用中必須十分注意對用戶使用人員的技術培訓工作。此項工作除可通過常規途徑進行外，還可利用多媒體技術、虛擬現實技術等新手段與常規方法相結合進行，從而實現大規模、高效率、低成本的培訓。在當前信息技術很發達的環境下，還可充分利用網絡系統，特別是internet，進行遠程培訓。
(2)做好編程服務 用戶使用數控機床中一個比較突出的問題就是零件編程。目前，許多用戶(特別是新用戶)都缺乏有經驗的編程人員，從而影響了數控機床的應用。為解決此問題，可利用網絡系統進行遠程編程服務。其具體做法是，由數控系統和數控機床制造廠設立網上數控編程中心。當用戶遇到自己不能解決的編程問題時，可通過互聯網將問題提交給網上編程中心，由該中心中有經驗的編程人員為用戶編好程序，并經仿真無問題后，再通過網絡將程序傳到用戶的數控系統上，用戶馬上就可以進行加工。從而消除了用戶使用數控機床的后顧之憂。
(3)建立遠程診斷、維修中心 利用網絡還可對用戶數控系統的故障進行遠程診斷。實施辦法是，由數控系統生產廠家建立網上維修服務中心。當用戶的系統出現問題時，可將其與網絡連接起來，網上維修服務中心即可通過向系統發出診斷信息并接收其響應，然后通過中心的診斷軟件對信息進行分析，從而找出問題的原因，并予以自動排除或指導用戶進行排除。
(4)搞好網絡化技術支持 建立于PC平臺上的開放式結構數控系統，特別是集成化PC數控系統，其所有功能均是由軟件實現的，當用戶為了改變和擴充系統功能時，他既可利用系統的開放式結構自己完成，也可以通過網絡將他的要求告訴數控系統制造廠的技術開發部門，由該部門中有經驗的技術人員替用戶修改和增加系統功能，然后將修改后的系統程序通過網絡直接傳到用戶的數控系統中，用戶數控系統的功能馬上就得到了改變。這種方法是一種利用網絡充分發揮開放式結構數控系統的優勢的有效途徑。
總之，從技術層面看，科技創新能力不強，是制約我國數控系統技術與產業發展的主要因素。因此，確立科技創新戰略，依靠科技創新建立我國獨立、先進的技術體系，是我國數控系統技術與產業發展的根本出路。