與此同時，中國也是當今世界第一大機床消費國和進口國。在市場需求方面，隨著國內(nèi)汽車、鋼鐵、機械、模具、電子、化工等一批以重工業(yè)為基礎(chǔ)的高增長行業(yè)發(fā)展勢頭強勁，帶動了對高效、高精度自動化制造設(shè)備的需求，機床工具行業(yè)進入高速增長的階段。在進口方面，以2011年上半年為例，中國從日本、德國進口機床的數(shù)額合計已超過60%，而從進口的機種來看，精密生產(chǎn)、高效高速的中高檔數(shù)控機床需求明顯增加，表現(xiàn)出我國機床需求結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了較大的改變。
數(shù)控機床是以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化機床，通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成，大致上可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等16大種類。在新頒布的國家“十二五”規(guī)劃中，明確提出將重點發(fā)展高端裝備制造業(yè)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(yè)的有力支持。據(jù)專業(yè)人士分析，預(yù)計未來五年內(nèi)中國機床行業(yè)的復(fù)合增長率約為25-30%，其中，中高端數(shù)控機床將成為增長的主力。
從我國目前機床行業(yè)的發(fā)展情況來看，自產(chǎn)數(shù)控機床仍遠遠無法滿足國內(nèi)市場的需求，特別是中高端數(shù)控機床的比例嚴重偏低。從2011年的統(tǒng)計來看，1-8月，我國機床行業(yè)平均產(chǎn)量數(shù)控化率為30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個百分點，與一些發(fā)達國家機床數(shù)控率達到70%的水平相比，差距較為明顯。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(yè)恢復(fù)迅速，并且紛紛以低價格、中端機的策略進入中國，市場反響良好，這樣也為中國中高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭壓力；同時，來自臺灣地區(qū)和韓國的中檔機床也是一股不容忽視的力量。從中國機床工具工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年前三季度，金屬加工機床進口99.1億美元，同比增長51.4%，由于進口激增，國產(chǎn)金屬加工機床、數(shù)控機床的市場占有率呈顯出下降的趨勢。
為了盡快改變這些現(xiàn)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(lián)合8家企業(yè)、6家院所正式組建起“數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，該聯(lián)盟將重點圍繞高速精密數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件開發(fā)、高速精密機床運動特性、高速精密機床切削工藝、數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等方面開展研究工作。據(jù)科技部重大專項辦有關(guān)負責人介紹，2009年正式啟動的數(shù)控機床專項將延續(xù)到2020年，預(yù)計中央財政、地方財政及企業(yè)總投入將達到數(shù)百億元，這標志著數(shù)控機床已成為了中國機床工業(yè)的重點發(fā)展方向。
伺服在數(shù)控機床的應(yīng)
對精度、速度、功率等的控制能力指標是機床產(chǎn)品的主要追求目標。針對中國機床工具行業(yè)的數(shù)控技術(shù)與國際先進水平相比仍相對落后的局面，究其根由，可以說，高品質(zhì)的功能配套部件發(fā)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技術(shù)水平，與數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，當中，也包括運動控制的核心部件伺服系統(tǒng)。目前，在數(shù)控機床行業(yè)的實際應(yīng)用中，交流伺服系統(tǒng)已明顯占據(jù)了一定的優(yōu)勢；而按照機床傳動機械的不同，又將應(yīng)用的伺服系統(tǒng)分為進給伺服與主軸伺服兩類。
在主軸伺服驅(qū)動單元方面，由于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(diào)速范圍寬、低速大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)快等特性，同時還可配合CNC系統(tǒng)實現(xiàn)剛性攻絲、主軸速度控制、Cs軸控制實時切換等高性能。而進給伺服驅(qū)動單元以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，以產(chǎn)生機床的切削進給運動，因此，特別強調(diào)其對位置與速度控制的準確性和快速性，且可靠性要高。
為了進一步提高機床行業(yè)伺服驅(qū)動單元的控制性能，目前大量的數(shù)字處理技術(shù)被引入到該領(lǐng)域，一批廠商紛紛開發(fā)出全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動單元。這類伺服驅(qū)動產(chǎn)品采用數(shù)字信號處理器(DSP)、CPLD超大規(guī)模集成電路芯片，以及優(yōu)化的PID控制算法，實現(xiàn)了數(shù)字式控制，大幅提高了控制精度和響應(yīng)速度；此外，還運用智能功率模塊(IPM)，從而保障了整機的可靠性。
在機床行業(yè)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(shù)控機床要求電機采用全封閉式結(jié)構(gòu)，搭配高速、高精度光電編碼器，與高性能驅(qū)動器配合作高精度速度和位置控制，穩(wěn)定可靠、振動小、噪聲低。
伴隨著國內(nèi)數(shù)控機床行業(yè)的快速發(fā)展，高速度、亞微米精加工時代已經(jīng)來臨，例如，在iPone、iPad、LEDTV等消費性電子、信息和光電產(chǎn)業(yè)中，由于3C產(chǎn)品多樣化而快速生產(chǎn)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(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)正引領(lǐng)數(shù)控機床進入一個嶄新的階段，“智能化制造”已不再只是一個夢想而已。面對數(shù)控機床行業(yè)最新的技術(shù)發(fā)展，使得伺服控制系統(tǒng)也亟待在各方面提升其性能指標，其中，分布式串行伺服系統(tǒng)、高控制精度和穩(wěn)定性，以及降低電機的能耗，是目前整體伺服系統(tǒng)在技術(shù)研發(fā)上的主要趨勢。
滿足多軸、多點控制需
在當今運動控制技術(shù)的發(fā)展中，分布式系統(tǒng)架構(gòu)(Distributed)凸顯出越來越重要的作用和價值，其在生產(chǎn)決策、整合制造、人機界面的良好化、節(jié)能環(huán)保等方面具有積極的意義。因應(yīng)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)伺服控制，以滿足多軸、多點(I/O)控制，這些將成為未來伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。
傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)大多經(jīng)過一個閉環(huán)回路(CloseLoop)，控制系統(tǒng)內(nèi)各裝置的定位、速度與力矩；但隨著一些大型分布式生產(chǎn)系統(tǒng)所須控制的裝置(軸數(shù)、I/O點)日益增多、配線也更為復(fù)雜，在這種情況下，往往會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干擾。因此，近年來，一些領(lǐng)導(dǎo)型廠商采用多樣工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)字信號和控制參數(shù)，以滿足對實時性的要求分布式運動控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來。分布式串行伺服系統(tǒng)可模塊化，設(shè)計較為彈性，可任意擴充多軸運動(Motion)與I/O控制點數(shù)，只須單線連結(jié)、單機(計算機)管控，大幅節(jié)省了配線成本與空間，因而成為了未來制造業(yè)主流趨勢。
南京埃斯頓自動控制技術(shù)有限公司在這一技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了突出的成績。為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，其開發(fā)的Pronet系列伺服驅(qū)動器率先增加了可擴展性以及柔性化、開放性的設(shè)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(xié)議、CANopen通信協(xié)議和PROFIBUS通信協(xié)議。例如，對應(yīng)PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)的伺服信息(位置、速度、轉(zhuǎn)矩、輸入輸出、報警等)可實時控制和調(diào)整，使伺服系統(tǒng)的調(diào)整時間縮短，操作更加簡單，一個上位控制器可最多實現(xiàn)255個站點的多軸運動控制，可廣泛用于高精度機床、高速包裝和印刷機械等高端應(yīng)用領(lǐng)域。
另外，以廣州數(shù)控推出的DAT系列交流伺服驅(qū)動單元為例，其在成熟交流伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合串行總線及絕對式編碼器接口技術(shù)，支持自主研發(fā)的GSKLink總線技術(shù)，CNC通過串行總線可實現(xiàn)對伺服的調(diào)試和實時監(jiān)控，顯著提高了速度精度和位置精度，位置脈沖指令最高頻率為1MHz適配0.1m指令精度的CNC，可實現(xiàn)0.1m級控制精度，是數(shù)控機床、自動化設(shè)備高速高精運動控制的較佳選擇。
提高控制精度、穩(wěn)定性
隨著以數(shù)控機床為技術(shù)平臺的數(shù)字化制造的興起，智能化制造、技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合已成為了數(shù)控機床技術(shù)最為活躍的發(fā)展趨勢之一。智能化機床能夠借助各種傳感器對自己的狀態(tài)進行監(jiān)控，自行分析機床狀態(tài)、加工過程以及周邊環(huán)境有關(guān)的信息，然后自行采取應(yīng)對措施來保證最優(yōu)化的加工。另外，新型的數(shù)控機床同時也需要具有減小振動的主動振動抑制功能，控制熱位移的智能熱屏障功能，防止部件碰撞的智能安全屏障功能，提供語音提示和短信通知，以及按照加工要求幫助選擇切削參數(shù)等等，總之，智能化可以提高機床工作的控制精度，以及整機的穩(wěn)定、可靠性。
而在伺服系統(tǒng)方面，基于永磁電機動態(tài)解耦數(shù)學模型的矢量控制技術(shù)是目前伺服系統(tǒng)的核心控制方法，為了進一步提高控制精度和穩(wěn)定性，部分廠商在矢量控制的基礎(chǔ)上，控制回路采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，配合增益自動調(diào)整、指令平滑功能以三菱電機開發(fā)的MR-J3系列交流伺服系統(tǒng)為例，為了實現(xiàn)高精度定位，與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，速度環(huán)路頻率響應(yīng)提高到900Hz，具有高速/大轉(zhuǎn)矩特性，還可降低齒槽轉(zhuǎn)矩，減小伺服電機的轉(zhuǎn)矩波動，實現(xiàn)機器在勻速下更加平滑順暢的運行。同時，該產(chǎn)品可通過先進的自整定功能和高級振動抑制控制功能，實現(xiàn)包括位置增益和速度增益在內(nèi)所有增益的自動調(diào)整，有效抑制當驅(qū)動部件停止時所發(fā)生的100Hz頻率以下的振動，且伺服設(shè)置軟件MR-configurator具有精確的機械分析功能，可用于機械工具和一般工業(yè)機械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制的應(yīng)用場合。
中達電通近期推出的ASDA-M系列屬于三軸合一智能型伺服，其將三臺伺服融合在同一機座內(nèi)，三軸同動控制，軸間交換數(shù)據(jù)沒有時間延遲問題；可以直接在驅(qū)動器內(nèi)進行直線、圓弧與螺旋的插補控制；新的龍門控制架構(gòu)，精準同步，可以用于純剛性連接的機構(gòu)；軟件具備簡易的循圓分析，可強化系統(tǒng)問題的診斷能力。此外，ASDA-M系列伺服還具備優(yōu)異的高速響應(yīng)性能、高低頻抑振能力、精準的全閉環(huán)控制、靈活的內(nèi)部位置編程模式、實時性的位置記錄與位置比較功能等優(yōu)勢，大大提高了機械終端的定位精度。
降低電機能耗
作為數(shù)控機床的重要功能部件，電動機的性能直接關(guān)系到整體系統(tǒng)的性能發(fā)揮。由于步進電機在成本控制方面的優(yōu)勢，因而使其成為了大多數(shù)經(jīng)濟型數(shù)控機床的首選產(chǎn)品，但同時它的缺點也很明顯，即慣量大、每單位功率的轉(zhuǎn)矩輸出比值小(N-m/kW)、效率差、發(fā)熱量大。而伺服電機因具有響應(yīng)速度快、定位精準、技術(shù)門坎相對較高的優(yōu)勢，因而在高端數(shù)控機床等精密機械行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。其中，交流伺服電機的特點是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量；可靠性高，對維護和保養(yǎng)要求低。
根據(jù)國際能源署的最新統(tǒng)計，工業(yè)用電占全球電力總消耗的約42%，其中2/3被工業(yè)電機所消耗。因此，現(xiàn)階段數(shù)控機床高速主軸所需的伺服電機、內(nèi)藏式轉(zhuǎn)定子領(lǐng)域都以強調(diào)提高節(jié)能效益來創(chuàng)造新的市場商機。例如，目前一些日系、歐美伺服電機廠商均掌握了釹鐵硼永磁等關(guān)鍵材料，因而在永磁交流伺服電機產(chǎn)品的質(zhì)量、性能上相對具有一定的優(yōu)勢。而據(jù)估計，采用這些稀土永磁無鐵芯電機拖動通用設(shè)備的系統(tǒng)運行效率平均可提高20-40%，節(jié)電潛力可達1000-2000億千瓦時。
去年6月，針對低壓電機的歐盟最低能效標準法規(guī)開始生效，該新法規(guī)涉及大部分功率介于0.75千瓦~375千瓦、50和60赫茲的兩級、四級、六級交流電機，計劃分三個階段，提高所涉及的這些電機產(chǎn)品的國際能效等級。與此同時，中國、澳大利亞、巴西、加拿大等國家也已經(jīng)實施了類似的能效法規(guī)，美國則是從2010年底開始執(zhí)行相當于IE3等級的NEMAPremium(美國全國電器制造商協(xié)會高效率)標準。這些法規(guī)的陸續(xù)推出將進一步促進電機行業(yè)節(jié)能技術(shù)的提升。
此外，對于齒輪磨床、精密機床以其它一些機床來說，直接驅(qū)動技術(shù)是另一個值得關(guān)注的發(fā)展方向，直接驅(qū)動直線電機也是未來高速、高精度數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，目前受到了機床廠家的普遍重視，技術(shù)發(fā)展迅速。全球領(lǐng)先的運動控制系統(tǒng)和配件廠商科爾摩根在直接驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域有著豐富的專業(yè)經(jīng)驗，其推出的直接驅(qū)動直線(DDL)系列電機屬于無框永磁三相無刷伺服電機，不需要維護，精度更高，帶寬更高，運動速度更平穩(wěn)，減少了噪音；同時，還提供多種尺寸和推力，可適用于各種直線應(yīng)用，簡化了高推力永磁設(shè)計方案，從而大大提高了機器的整體可靠性。
結(jié)語
值得一提的是，在中國機床行業(yè)大舉邁入高檔數(shù)控化的同時，對普通機床和老化數(shù)控機床進行“再制造”，也是一個潛力無窮的市場，畢竟來講，要購置全新的數(shù)控機床需要巨額的投入。目前國內(nèi)一些領(lǐng)先廠商正積極開拓這一市場，力爭實現(xiàn)與購置新機床同樣的效果，在減少資金投入的同時，提高零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，縮短產(chǎn)品制造周期，改善工作環(huán)境，據(jù)有關(guān)廠商計算，一套經(jīng)濟型數(shù)控化“再制造”機床的價格僅為相同功能新數(shù)控機床的1/5-1/3。
數(shù)控機床的發(fā)展直接關(guān)系到國家基礎(chǔ)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級，是現(xiàn)階段重要的戰(zhàn)略發(fā)展國策之一。作為其中主要的支撐產(chǎn)業(yè)，伺服控制系統(tǒng)急需快速地適應(yīng)當前制造業(yè)的發(fā)展特點，從技術(shù)和服務(wù)這兩個環(huán)節(jié)上，提升整體解決方案的技術(shù)水平。針對當前中高端數(shù)控機床的具體需求，伺服控制企業(yè)應(yīng)不斷為客戶提供創(chuàng)新的運動解決方案和高品質(zhì)的產(chǎn)品，幫助客戶提升數(shù)控機床產(chǎn)品的性能，使其更具市場競爭力，并且盡可能地縮短產(chǎn)品上市時間，節(jié)約預(yù)算，提高整體系統(tǒng)的可靠性和生率效率，最終達到提升數(shù)控機床速度、準度和位置控制精確度的目標。