開發重點：中高檔數控機床
拜中國經濟騰飛所賜，近幾年來國內機床行業取得了突飛猛進的發展。據有關數據顯示，從2009年起，中國機床產值已連續兩年位居全球第一，占有率達30%以上。2011年，盡管受到國內外經濟下行的負面影響，中國機床工具行業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完成工業總產值7437.61億元，同比增長32.50%（如圖1所示），整體上仍呈現出較快的發展速度。另一個值得關注的是，2011年沈陽機床集團的經營規模也躍居全球同行業的前列，成為了中國企業的又一個驕傲。
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，隨著國內汽車、鋼鐵、機械、模具、電子、化工等一批以重工業為基礎的高增長行業發展勢頭強勁，帶動了對高效、高精度自動化制造設備的需求，機床工具行業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、德國進口機床的數額合計已超過60%，而從進口的機種來看，精密生產、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制造技術為核心的機電一體化機床，通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動系統及其它輔助系統組成，大致上可分為數控車床、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制造業的信息化、自動化、智能化水平，而這顯然離不開精密機床行業的有力支持。據專業人士分析，預計未來五年內中國機床行業的復合增長率約為25-30%，其中，中高端數控機床將成為增長的主力。
從我國目前機床行業的發展情況來看，自產數控機床仍遠遠無法滿足國內市場的需求，特別是中高端數控機床的比例嚴重偏低。從2011年的統計來看，1-8月，我國機床行業平均產量數控化率為30.94%，比2010年同期的28.04%高2.9個百分點（如圖2所示），與一些發達國家機床數控率達到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、日本機床企業恢復迅速，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控機床產業的發展帶來了巨大的競爭壓力；同時，來自臺灣地區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協會的統計數據顯示，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、6家院所正式組建起“數控機床產業技術創新聯盟”，該聯盟將重點圍繞高速精密數控機床關鍵功能部件開發、高速精密機床運動特性、高速精密機床切削工藝、數控系統應用技術等方面開展研究工作。據科技部重大專項辦有關負責人介紹，2009年正式啟動的數控機床專項將延續到2020年，預計中央財政、地方財政及企業總投入將達到數百億元，這標志著數控機床已成為了中國機床工業的重點發展方向。
伺服在數控機床的應用
對精度、速度、功率等的控制能力指標是機床產品的主要追求目標。針對中國機床工具行業的數控技術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技術水平，與數控機床產業的發展息息相關，當中，也包括運動控制的核心部件——伺服系統。目前，在數控機床行業的實際應用中，交流伺服系統已明顯占據了一定的優勢；而按照機床傳動機械的不同，又將應用的伺服系統分為進給伺服與主軸伺服兩類。
在主軸伺服驅動單元方面，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速范圍寬、低速大轉矩、動態響應快等特性，同時還可配合CNC系統實現剛性攻絲、主軸速度控制、Cs軸控制實時切換等高性能。而進給伺服驅動單元以數控機床的各坐標為控制對象，以產生機床的切削進給運動，因此，特別強調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伺服驅動單元的控制性能，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，以及優化的PID控制算法，實現了數字式控制，大幅提高了控制精度和響應速度；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，與高性能驅動器配合作高精度速度和位置控制，穩定可靠、振動小、噪聲低。
伴隨著國內數控機床行業的快速發展，高速度、亞微米精加工時代已經來臨， 例如，在iPone、iPad、LED TV等消費性電子、信息和光電產業中，由于3C產品多樣化而快速生產的特點，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嶄新的階段，“智能化制造”已不再只是一個夢想而已。面對數控機床行業最新的技術發展，使得伺服控制系統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、高控制精度和穩定性，以及降低電機的能耗，是目前整體伺服系統在技術研發上的主要趨勢。
滿足多軸、多點控制需求
在當今運動控制技術的發展中，分布式系統架構（Distributed）凸顯出越來越重要的作用和價值，其在生產決策、整合制造、人機界面的良好化、節能環保等方面具有積極的意義。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）伺服控制，以滿足多軸、多點（I/O）控制，這些將成為未來伺服系統發展的主要方向之一。
傳統的伺服控制系統大多經過一個閉環回路（Close Loop），控制系統內各裝置的定位、速度與力矩；但隨著一些大型分布式生產系統所須控制的裝置（軸數、I/O點）日益增多、配線也更為復雜，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，一些領導型廠商采用多樣工業以太網絡協議，通過網絡傳遞數字信號和控制參數，以滿足對實時性的要求——分布式運動控制系統也隨之發展起來。分布式串行伺服系統可模塊化，設計較為彈性，可任意擴充多軸運動（Motion）與I/O控制點數，只須單線連結、單機（計算機）管控，大幅節省了配線成本與空間，因而成為了未來制造業主流趨勢。
南京埃斯頓自動控制技術有限公司在這一技術研發領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，其開發的Pronet系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，該系統的伺服信息（位置、速度、轉矩、輸入輸出、報警等）可實時控制和調整，使伺服系統的調整時間縮短，操作更加簡單，一個上位控制器可最多實現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用領域。
另外，以廣州數控推出的DAT系列交流伺服驅動單元為例，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，位置脈沖指令最高頻率為1MHz適配0.1μm指令精度的CNC，可實現0.1μm級控制精度，是數控機床、自動化設備高速高精運動控制的較佳選擇。
提高控制精度、穩定性
隨著以數控機床為技術平臺的數字化制造的興起，智能化制造、技術集成和技術復合已成為了數控機床技術最為活躍的發展趨勢之一。智能化機床能夠借助各種傳感器對自己的狀態進行監控，自行分析機床狀態、加工過程以及周邊環境有關的信息，然后自行采取應對措施來保證最優化的加工。另外，新型的數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，以及整機的穩定、可靠性。
而在伺服系統方面，基于永磁電機動態解耦數學模型的矢量控制技術是目前伺服系統的核心控制方法，為了進一步提高控制精度和穩定性，部分廠商在矢量控制的基礎上，控制回路采用高速數字信號處理器（DSP），配合增益自動調整、指令平滑功能 以三菱電機開發的MR-J3系列交流伺服系統為例，為了實現高精度定位，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/轉的絕對位置編碼器，速度環路頻率響應提高到900Hz，具有高速/大轉矩特性，還可降低齒槽轉矩，減小伺服電機的轉矩波動，實現機器在勻速下更加平滑順暢的運行。同時，該產品可通過先進的自整定功能和高級振動抑制控制功能，實現包括位置增益和速度增益在內所有增益的自動調整，有效抑制當驅動部件停止時所發生的100Hz頻率以下的振動，且伺服設置軟件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機械等需要高精度位置控制和平穩速度控制的應用場合。
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，三軸同動控制，軸間交換數據沒有時間延遲問題；可以直接在驅動器內進行直線、圓弧與螺旋的插補控制；新的龍門控制架構，精準同步，可以用于純剛性連接的機構；軟件具備簡易的循圓分析，可強化系統問題的診斷能力。此外，ASDA-M系列伺服還具備優異的高速響應性能、高低頻抑振能力、精準的全閉環控制、靈活的內部位置編程模式、實時性的位置記錄與位置比較功能等優勢，大大提高了機械終端的定位精度。
降低電機能耗
作為數控機床的重要功能部件，電動機的性能直接關系到整體系統的性能發揮。由于步進電機在成本控制方面的優勢，因而使其成為了大多數經濟型數控機床的首選產品，但同時它的缺點也很明顯，即慣量大、每單位功率的轉矩輸出比值小（N-m/kW）、效率差、發熱量大。而伺服電機因具有響應速度快、定位精準、技術門坎相對較高的優勢，因而在高端數控機床等精密機械行業中得以廣泛應用。其中，交流伺服電機的特點是正弦波控制，轉矩脈動小；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統的快速性；適應于高速大力矩工作狀態；同功率下有較小的體積和重量；可靠性高，對維護和保養要求低。
根據國際能源署的最新統計，工業用電占全球電力總消耗的約42%，其中2/3被工業電機所消耗。因此，現階段數控機床高速主軸所需的伺服電機、內藏式轉∕定子領域都以強調提高節能效益來創造新的市場商機。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鍵材料，因而在永磁交流伺服電機產品的質量、性能上相對具有一定的優勢。而據估計，采用這些稀土永磁無鐵芯電機拖動通用設備的系統運行效率平均可提高20-40%，節電潛力可達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開始生效，該新法規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實施了類似的能效法規，美國則是從2010年底開始執行相當于IE3等級的NEMA Premium（美國全國電器制造商協會高效率）標準。這些法規的陸續推出將進一步促進電機行業節能技術的提升。
此外，對于齒輪磨床、精密機床以其它一些機床來說，直接驅動技術是另一個值得關注的發展方向，直接驅動直線電機也是未來高速、高精度數控機床的理想驅動模式，目前受到了機床廠家的普遍重視，技術發展迅速。全球領先的運動控制系統和配件廠商科爾摩根在直接驅動技術的研發領域有著豐富的專業經驗，其推出的直接驅動直線（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，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用，簡化了高推力永磁設計方案，從而大大提高了機器的整體可靠性。
結語
值得一提的是，在中國機床行業大舉邁入高檔數控化的同時，對普通機床和老化數控機床進行“再制造”，也是一個潛力無窮的市場，畢竟來講，要購置全新的數控機床需要巨額的投入。目前國內一些領先廠商正積極開拓這一市場，力爭實現與購置新機床同樣的效果，在減少資金投入的同時，提高零件加工質量和生產率，縮短產品制造周期，改善工作環境，據有關廠商計算，一套經濟型數控化“再制造”機床的價格僅為相同功能新數控機床的1/5-1/3。
數控機床的發展直接關系到國家基礎制造業的轉型與升級，是現階段重要的戰略發展國策之一。作為其中主要的支撐產業，伺服控制系統急需快速地適應當前制造業的發展特點，從技術和服務這兩個環節上，提升整體解決方案的技術水平。針對當前中高端數控機床的具體需求，伺服控制企業應不斷為客戶提供創新的運動解決方案和高品質的產品，幫助客戶提升數控機床產品的性能，使其更具市場競爭力，并且盡可能地縮短產品上市時間，節約預算，提高整體系統的可靠性和生率效率，最終達到提升數控機床速度、準度和位置控制精確度的目標。