中國數(shù)控機床系統(tǒng)面臨技術(shù)的突破性問題數(shù)控系統(tǒng)之于機床，就像CPU之于電腦，是大腦，是心臟。數(shù)控機床技術(shù)是改造傳統(tǒng)機械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化機床企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受機床技術(shù)人員及人們關(guān)注。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、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)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控機床技術(shù)成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進了數(shù)控機床性能和質(zhì)量的進一步提升，使數(shù)控機床成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。另外，數(shù)控機床技術(shù)以高精度隨動控制和多運動協(xié)同控制為主要特征，與自動火炮控制、雷達控制以及陀螺導(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床產(chǎn)品應(yīng)用特征。
正是因為數(shù)控機床技術(shù)軍民兩用的機床特征，國際競爭環(huán)境對中國數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報告的技術(shù)封鎖階段，到通過機床合資辦廠，本地化數(shù)控機床生產(chǎn)，低端機床產(chǎn)品傾銷，渙散中國國內(nèi)的數(shù)控機床系統(tǒng)自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當多的事實證明我們試圖通過引進技術(shù)，“以市場換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場也丟了，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80%以上，高端產(chǎn)品不僅壟斷，而且限制中國進口。中國通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定市場規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場，國產(chǎn)控制器規(guī)模始終處于被壓縮的狀態(tài)，利潤空間被壓縮，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)技術(shù)進步。
機床行業(yè)專家坦言“中國數(shù)控機床技術(shù)水平與世界發(fā)達國家相差起碼15年”。日本國際經(jīng)濟學(xué)家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號上發(fā)表了一篇題為《中國的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業(yè)，生產(chǎn)汽車部件的機床年均工作時間高達3500小時，也只有日本制造的機床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機床，中國的汽車產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長谷川慶太郎預(yù)測：中國對日本的依賴只會越來越加強而不會越來越削弱。這就意味著“日本越來越有能力控制中國”�？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，文章的觀點是應(yīng)當喚起我們的憂患意識。
打破國外機床技術(shù)對我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對國外技術(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，主動突破，才能爭取競爭上的主動。數(shù)控機床技術(shù)在近十年計算機軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)進步的支持下，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)計算機；伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動電機專用的工業(yè)電源；伺服電機產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機。針對這些產(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國完全具備高端數(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，跳出狹義的運動控制器制造領(lǐng)域，從中國產(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)的另一個特征是技術(shù)的軟件化。運行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實現(xiàn)。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭將更多轉(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。
反遏制機床的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心機床技術(shù)體系生長的自主創(chuàng)新平臺，從被動的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃拥募夹g(shù)對抗。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、驅(qū)動、測量、通訊、計算機軟硬件技術(shù)以及機床測試、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)運動控制為例來說明這個問題。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。對于高速度運動控制技術(shù)的實現(xiàn)而言，基于超前讀機制的運動軌跡分析和預(yù)測是必需的。這一機制將對系統(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動控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補器的計算精度要從1個um提升到1個nm，計算字長要增加三位，有效計算精度要提升3個數(shù)量級。軟件平臺要支持相應(yīng)字長的計算。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。這當然對系統(tǒng)的計算負荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實現(xiàn)這個分辨率是不夠的，還要將這個控制量送給伺服驅(qū)動裝置。由于有效字長的擴充，控制節(jié)拍的提高，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高。對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)有的機械裝置配合實現(xiàn)納米級控制。我們國內(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強調(diào)HRV，三菱強調(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。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)識別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。
實現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動裝置是不夠的。電機設(shè)計本身就是直接影響運動控制效果的重要因素。對于永磁同步伺服電機而言，良好的反電勢正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動器實現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動裝置的廠商本身也是電機制造商。在很多國內(nèi)的研究機構(gòu)中，電機技術(shù)與伺服驅(qū)動技術(shù)是部門割裂的，有的甚至沒有電機技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動。在研究高精度運動控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們在控制算法的相關(guān)研究中的時間和實施成本。在仿真技術(shù)支持的同時，還需要研制有關(guān)的試驗平臺，用來評價運動控制的效果，評價伺服驅(qū)動和電機的性能。例如，如何評價低速平穩(wěn)性和剛度等。
上面僅以高速高精度運動控制技術(shù)為例說明高檔控制器技術(shù)是一個耦合緊密的技術(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”。這樣的技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(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，銷售額在世界市場上占50％，研發(fā)投入為銷售額的10%，每年投入研發(fā)費用上億美元。很顯然，支持上述平臺在中國現(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，在國家有關(guān)政策支持和指導(dǎo)下實現(xiàn)相關(guān)多技術(shù)緊密耦合的創(chuàng)新技術(shù)平臺，才可能實現(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)展動向，有所為有所不為。處于后進競爭狀態(tài)的中國裝備控制器產(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)自己的實際情況，有所為有所不為，形成后發(fā)優(yōu)勢，加快技術(shù)進步的步伐，才能實現(xiàn)追趕和跨越。
首先需要明確中國數(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)十被認為直接影響歐洲裝備核心競爭力的功能。
分析上述功能，可以概括高端控制器幾個重要的技術(shù)發(fā)展方向：
1）復(fù)雜運動規(guī)律的控制技術(shù)。上表中的“螺旋線插補2D+
2）多軸耦合關(guān)系運動控制。“搬運變換包”，“位控循環(huán)中的1D/3D間隙控制”，“懸垂度補償，多維”，“主動數(shù)值耦合和曲線列表插補”，“電子齒輪單元”，“連續(xù)修正”，“測量2級”都體現(xiàn)了上述特征。上述功能的共性特征是某坐標軸運動不再是受計劃性軌跡執(zhí)行，而是與其他軸的運動或邏輯量具有某種耦合關(guān)系或者協(xié)同關(guān)系，即實時插補過程還引入了其他控制因素。上述功能顯然對于復(fù)雜裝備是非常必要的，屬于經(jīng)典插補運動控制的重要補充。
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”是用戶以高級語言的形式約定執(zhí)行條件和執(zhí)行動作。這兩項功能分別體現(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)動變量評價”就屬于這一技術(shù)方向。伺服驅(qū)動裝置的性能直接影響整個數(shù)控系統(tǒng)的控制表現(xiàn)和整個裝備的性能表現(xiàn)。因此，伺服驅(qū)動相關(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)動裝置嵌入式系統(tǒng)的特點，運算資源、存儲資源和人機交互能力的局限性，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)字控制器來實現(xiàn)。因此，控制器技術(shù)與伺服驅(qū)動技術(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)特點可以從許多控制器產(chǎn)品中得到映證。
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