開發重點：中高檔數控機床

       拜中國經濟騰飛所賜，近幾年來國內(nei) 機床行業(ye) 取得了突飛猛進的發展。據有關(guan) 數據顯示，從(cong) 2009年起，中國機床產(chan) 值已連續兩(liang) 年位居全球第一，占有率達30%以上。2011年，盡管受到國內(nei) 外經濟下行的負麵影響，中國機床工具行業(ye) 的同比增速出現了下滑態勢，但數據顯示，2011年中國機床工具行業(ye) 完成工業(ye) 總產(chan) 值7437.61億(yi) 元，同比增長32.50%(如圖1所示)，整體(ti) 上仍呈現出較快的發展速度。另一個(ge) 值得關(guan) 注的是，2011年沈陽機床集團的經營規模也躍居全球同行業(ye) 的前列，成為(wei) 了中國企業(ye) 的又一個(ge) 驕傲。

       與(yu) 此同時，中國也是當今世界第一大機床消費國和進口國。在市場需求方麵，隨著國內(nei) 汽車、鋼鐵、機械、模具、電子、化工等一批以重工業(ye) 為(wei) 基礎的高增長行業(ye) 發展勢頭強勁，帶動了對高效、高精度自動化製造設備的需求，機床工具行業(ye) 進入高速增長的階段。在進口方麵，以2011年上半年為(wei) 例，中國從(cong) 日本、德國進口機床的數額合計已超過60%，而從(cong) 進口的機種來看，精密生產(chan) 、高效高速的中高檔數控機床需求明顯增加，表現出我國機床需求結構已經發生了較大的改變。

       數控機床是以數字化製造技術為(wei) 核心的機電一體(ti) 化機床，通常由控製係統、伺服係統、檢測係統、機械傳(chuan) 動係統及其它輔助係統組成，大致上可分為(wei) 數控車床、數控銑床、加工中心等16大種類。在新頒布的國家“十二五”規劃中，明確提出將重點發展高端裝備製造業(ye) 的信息化、自動化、智能化水平，而這顯然離不開精密機床行業(ye) 的有力支持。據專(zhuan) 業(ye) 人士分析，預計未來五年內(nei) 中國機床行業(ye) 的複合增長率約為(wei) 25-30%，其中，中高端數控機床將成為(wei) 增長的主力。

       從(cong) 我國目前機床行業(ye) 的發展情況來看，自產(chan) 數控機床仍遠遠無法滿足國內(nei) 市場的需求，特別是中高端數控機床的比例嚴(yan) 重偏低。從(cong) 2011年的統計來看，1-8月，我國機床行業(ye) 平均產(chan) 量數控化率為(wei) 30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個(ge) 百分點(如圖2所示)，與(yu) 一些發達國家機床數控率達到70%的水平相比，差距較為(wei) 明顯。尤其是最近幾年受國際金融危機的影響，德國、日本機床企業(ye) 恢複迅速，並且紛紛以低價(jia) 格、中端機的策略進入中國，市場反響良好，這樣也為(wei) 中國中高檔數控機床產(chan) 業(ye) 的發展帶來了巨大的競爭(zheng) 壓力；同時，來自台灣地區和韓國的中檔機床也是一股不容忽視的力量。從(cong) 中國機床工具工業(ye) 協會(hui) 的統計數據顯示，2011年前三季度，金屬加工機床進口99.1億(yi) 美元，同比增長51.4％，由於(yu) 進口激增，國產(chan) 金屬加工機床、數控機床的市場占有率呈顯出下降的趨勢。

       為(wei) 了盡快改變這些現狀，2008年12月，在國家科技部等部委的支持下，由沈陽機床集團牽頭，聯合8家企業(ye) 、6家院所正式組建起“數控機床產(chan) 業(ye) 技術創新聯盟”，該聯盟將重點圍繞高速精密數控機床關(guan) 鍵功能部件開發、高速精密機床運動特性、高速精密機床切削工藝、數控係統應用技術等方麵開展研究工作。據科技部重大專(zhuan) 項辦有關(guan) 負責人介紹，2009年正式啟動的數控機床專(zhuan) 項將延續到2020年，預計中央財政、地方財政及企業(ye) 總投入將達到數百億(yi) 元，這標誌著數控機床已成為(wei) 了中國機床工業(ye) 的重點發展方向。

伺服在數控機床的應用

       對精度、速度、功率等的控製能力指標是機床產(chan) 品的主要追求目標。針對中國機床工具行業(ye) 的數控技術與(yu) 國際先進水平相比仍相對落後的局麵，究其根由，可以說，高品質的功能配套部件發展緩慢是其中的主要原因之一，這些功能部件的性能直接影響到主機的整體(ti) 技術水平，與(yu) 數控機床產(chan) 業(ye) 的發展息息相關(guan) ，當中，也包括運動控製的核心部件——伺服係統。目前，在數控機床行業(ye) 的實際應用中，交流伺服係統已明顯占據了一定的優(you) 勢；而按照機床傳(chuan) 動機械的不同，又將應用的伺服係統分為(wei) 進給伺服與(yu) 主軸伺服兩(liang) 類。

       在主軸伺服驅動單元方麵，由於(yu) 需要提供加工各類工件所需的切削功率，因而要求其能夠滿足機床主軸調速範圍寬、低速大轉矩、動態響應快等特性，同時還可配合CNC係統實現剛性攻絲(si) 、主軸速度控製、Cs軸控製實時切換等高性能。而進給伺服驅動單元以數控機床的各坐標為(wei) 控製對象，以產(chan) 生機床的切削進給運動，因此，特別強調其對位置與(yu) 速度控製的準確性和快速性，且可靠性要高。

       為(wei) 了進一步提高機床行業(ye) 伺服驅動單元的控製性能，目前大量的數字處理技術被引入到該領域，一批廠商紛紛開發出全數字式交流伺服驅動單元。這類伺服驅動產(chan) 品采用數字信號處理器(DSP)、CPLD超大規模集成電路芯片，以及優(you) 化的PID控製算法，實現了數字式控製，大幅提高了控製精度和響應速度；此外，還運用智能功率模塊(IPM)，從(cong) 而保障了整機的可靠性。

       在機床行業(ye) 所使用的電機上，目前主要包括步進電機、伺服電機和混合式步進電機等，高精密數控機床要求電機采用全封閉式結構，搭配高速、高精度光電編碼器，與(yu) 高性能驅動器配合作高精度速度和位置控製，穩定可靠、振動小、噪聲低。

       伴隨著國內(nei) 數控機床行業(ye) 的快速發展，高速度、亞(ya) 微米精加工時代已經來臨(lin) ，例如，在iPone、ipads、LEDTV等消費性電子、信息和光電產(chan) 業(ye) 中，由於(yu) 3C產(chan) 品多樣化而快速生產(chan) 的特點，使得精密小型快速加工需求攀升，高速切削機床的市場容量急劇增加。此外，數字化、網絡化技術正引領數控機床進入一個(ge) 嶄新的階段，“智能化製造”已不再隻是一個(ge) 夢想而已。麵對數控機床行業(ye) 最新的技術發展，使得伺服控製係統也亟待在各方麵提升其性能指標，其中，分布式串行伺服係統、高控製精度和穩定性，以及降低電機的能耗，是目前整體(ti) 伺服係統在技術研發上的主要趨勢。

滿足多軸、多點控製需求

       在當今運動控製技術的發展中，分布式係統架構(Distributed)凸顯出越來越重要的作用和價(jia) 值，其在生產(chan) 決(jue) 策、整合製造、人機界麵的良好化、節能環保等方麵具有積極的意義(yi) 。因應這一趨勢，在要求軟硬件更具有實時性、擴充性的同時，也需要采用串行式(Serial)伺服控製，以滿足多軸、多點(I/O)控製，這些將成為(wei) 未來伺服係統發展的主要方向之一。

       傳(chuan) 統的伺服控製係統大多經過一個(ge) 閉環回路(CloseLoop)，控製係統內(nei) 各裝置的定位、速度與(yu) 力矩；但隨著一些大型分布式生產(chan) 係統所須控製的裝置(軸數、I/O點)日益增多、配線也更為(wei) 複雜，在這種情況下，往往會(hui) 使其分辨率和同步性、實時性捉襟見肘，且易受到電源等噪聲的幹擾。因此，近年來，一些領導型廠商采用多樣工業(ye) 以太網絡協議，通過網絡傳(chuan) 遞數字信號和控製參數，以滿足對實時性的要求——分布式運動控製係統也隨之發展起來。分布式串行伺服係統可模塊化，設計較為(wei) 彈性，可任意擴充多軸運動(Motion)與(yu) I/O控製點數，隻須單線連結、單機(計算機)管控，大幅節省了配線成本與(yu) 空間，因而成為(wei) 了未來製造業(ye) 主流趨勢

       南京埃斯頓自動控製技術有限公司在這一技術研發領域取得了突出的成績。為(wei) 了使用戶更加靈活地使用伺服係統，其開發的Pronet係列伺服驅動器率先增加了可擴展性以及柔性化、開放性的設計。通過選件模塊，可擴展各種通信接口以及各種反饋接口。除了RS485通信接口和CAN通信接口之外，還可以支持MODBUS通信協議、CANopen通信協議和Profibus通信協議。例如，對應PROFIBUS-DP通信網絡，該係統的伺服信息(位置、速度、轉矩、輸入輸出、報警等)可實時控製和調整，使伺服係統的調整時間縮短，操作更加簡單，一個(ge) 上位控製器可最多實現255個(ge) 站點的多軸運動控製，可廣泛用於(yu) 高精度機床、高速包裝和印刷機械等高端應用領域。#p#分頁標題#e#

       另外，以廣州數控推出的DAT係列交流伺服驅動單元為(wei) 例，其在成熟交流伺服技術的基礎上，結合串行總線及絕對式編碼器接口技術，支持自主研發的GSKLink總線技術，CNC通過串行總線可實現對伺服的調試和實時監控，顯著提高了速度精度和位置精度，位置脈衝(chong) 指令最高頻率為(wei) 1MHz適配0.1μm指令精度的CNC，可實現0.1μm級控製精度，是數控機床、自動化設備高速高精運動控製的較佳選擇。