導讀：數控機床是以數字化製造技術為核心的機電一體化機床
，通常由控製係統、伺服係統、檢測係統、機械傳動係統及其它輔助係統組成.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。

   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麵影響
，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。在市場需求方麵，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、高精度自動化製造設備的需求，機床工具行業進入高速增長的階段。在進口方麵
，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製造技術為核心的機電一體化機床，通常由控製係統
、伺服係統
、檢測係統、機械傳動係統及其它輔助係統組成

，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製造業的信息化、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複合增長率約為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
、日本機床企業恢複迅速，並且紛紛以低價格、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
，來自台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％
，由於進口激增，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、數控係統應用技術等方麵開展研究工作。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，這標誌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gong率lv等deng的de控kong製zhi能neng力li指zhi標biao是shi機ji床chuang產chan品pin的de主zhu要yao追zhui求qiu目mu標biao。針zhen對dui中zhong國guo機ji床chuang工gong具ju行xing業ye的de數shu控kong技ji術shu與yu國guo際ji先xian進jin水shui平ping相xiang比bi仍reng相xiang對dui落luo後hou的de局ju麵mian
，究jiu其qi根gen由you，可ke以yi說shuo

，高gao品pin質zhi的de功gong能neng配pei套tao部bu件jian發fa展zhan緩huan慢man是shi其qi中zhong的de主zhu要yao原yuan因yin之zhi一yi，這zhe些xie功gong能neng部bu件jian的de性xing能neng直zhi接jie影ying響xiang到dao主zhu機ji的de整zheng體ti技ji術shu水shui平ping，與yu數shu控kong機ji床chuang產chan業ye的de發fa展zhan息xi息xi相xiang關guan
，當dang中zhong，也ye包bao括kuo運yun動dong控kong製zhi的de核he心xin部bu件jian——伺服係統。目前，在數控機床行業的實際應用中，交流伺服係統已明顯占據了一定的優勢；而按照機床傳動機械的不同，又將應用的伺服係統分為進給伺服與主軸伺服兩類。

　　在主軸伺服驅動單元方麵
，由於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
、主軸速度控製、Cs軸(zhou)控(kong)製(zhi)實(shi)時(shi)切(qie)換(huan)等(deng)高(gao)性(xing)能(neng)。而(er)進(jin)給(gei)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)單(dan)元(yuan)以(yi)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)的(de)各(ge)坐(zuo)標(biao)為(wei)控(kong)製(zhi)對(dui)象(xiang)，以(yi)產(chan)生(sheng)機(ji)床(chuang)的(de)切(qie)削(xue)進(jin)給(gei)運(yun)動(dong)，因(yin)此(ci)，特(te)別(bie)強(qiang)調(tiao)其(qi)對(dui)位(wei)置(zhi)與(yu)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)快(kuai)速(su)性(xing)，且(qie)可(ke)靠(kao)性(xing)要(yao)高(gao)。

　　為wei了le進jin一yi步bu提ti高gao機ji床chuang行xing業ye伺si服fu驅qu動dong單dan元yuan的de控kong製zhi性xing能neng，目mu前qian大da量liang的de數shu字zi處chu理li技ji術shu被bei引yin入ru到dao該gai領ling域yu，一yi批pi廠chang商shang紛fen紛fen開kai發fa出chu全quan數shu字zi式shi交jiao流liu伺si服fu驅qu動dong單dan元yuan。這zhe類lei伺si服fu驅qu動dong產chan品pin采cai用yong數shu字zi信xin號hao處chu理li器qi（DSP）
、CPLD超大規模集成電路芯片，以及優化的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製，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
，由於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
，“智能化製造”已(yi)不(bu)再(zai)隻(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)夢(meng)想(xiang)而(er)已(yi)。麵(mian)對(dui)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)行(xing)業(ye)最(zui)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)，使(shi)得(de)伺(si)服(fu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)也(ye)亟(ji)待(dai)在(zai)各(ge)方(fang)麵(mian)提(ti)升(sheng)其(qi)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)
，其(qi)中(zhong)
，分(fen)布(bu)式(shi)串(chuan)行(xing)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)、高控製精度和穩定性
，以及降低電機的能耗
，是目前整體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值，其在生產決策、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。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
，這些將成為未來伺服係統發展的主要方向之一。

　　傳統的伺服控製係統大多經過一個閉環回路（Close Loop），控製係統內各裝置的定位、速度與力矩；但隨著一些大型分布式生產係統所須控製的裝置（軸數、I/O點）日益增多、配線也更為複雜，在這種情況下
，往往會使其分辨率和同步性
、實(shi)時(shi)性(xing)捉(zhuo)襟(jin)見(jian)肘(zhou)
，且(qie)易(yi)受(shou)到(dao)電(dian)源(yuan)等(deng)噪(zao)聲(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)。因(yin)此(ci)，近(jin)年(nian)來(lai)，一(yi)些(xie)領(ling)導(dao)型(xing)廠(chang)商(shang)采(cai)用(yong)多(duo)樣(yang)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)絡(luo)協(xie)議(yi)
，通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)傳(chuan)遞(di)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)和(he)控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)，以(yi)滿(man)足(zu)對(dui)實(shi)時(shi)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)——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，設計較為彈性，可任意擴充多軸運動（Motion）與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空間，因而成為了未來製造業主流趨勢。

　　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，一個上位控製器可最多實現255個站點的多軸運動控製，可廣泛用於高精度機床、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係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，位置脈衝指令最高頻率為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。

　　提高控製精度、穩定性

　　隨著以數控機床為技術平台的數字化製造的興起，智能化製造、技ji術shu集ji成cheng和he技ji術shu複fu合he已yi成cheng為wei了le數shu控kong機ji床chuang技ji術shu最zui為wei活huo躍yue的de發fa展zhan趨qu勢shi之zhi一yi。智zhi能neng化hua機ji床chuang能neng夠gou借jie助zhu各ge種zhong傳chuan感gan器qi對dui自zi己ji的de狀zhuang態tai進jin行xing監jian控kong，自zi行xing分fen析xi機ji床chuang狀zhuang態tai、加jia工gong過guo程cheng以yi及ji周zhou邊bian環huan境jing有you關guan的de信xin息xi，然ran後hou自zi行xing采cai取qu應ying對dui措cuo施shi來lai保bao證zheng最zui優you化hua的de加jia工gong。另ling外wai，新xin型xing的de數shu控kong機ji床chuang同tong時shi也ye需xu要yao具ju有you減jian小xiao振zhen動dong的de主zhu動dong振zhen動dong抑yi製zhi功gong能neng
，控kong製zhi熱re位wei移yi的de智zhi能neng熱re屏ping障zhang功gong能neng，防fang止zhi部bu件jian碰peng撞zhuang的de智zhi能neng安an全quan屏ping障zhang功gong能neng，提ti供gong語yu音yin提ti示shi和he短duan信xin通tong知zhi，以yi及ji按an照zhao加jia工gong要yao求qiu幫bang助zhu選xuan擇ze切qie削xue參can數shu等deng等deng
，總zong之zhi，智zhi能neng化hua可ke以yi提ti高gao機ji床chuang工gong作zuo的de控kong製zhi精jing度du
，以yi及ji整zheng機ji的de穩wen定ding
、可靠性。

　　而er在zai伺si服fu係xi統tong方fang麵mian，基ji於yu永yong磁ci電dian機ji動dong態tai解jie耦ou數shu學xue模mo型xing的de矢shi量liang控kong製zhi技ji術shu是shi目mu前qian伺si服fu係xi統tong的de核he心xin控kong製zhi方fang法fa

，為wei了le進jin一yi步bu提ti高gao控kong製zhi精jing度du和he穩wen定ding性xing，部bu分fen廠chang商shang在zai矢shi量liang控kong製zhi的de基ji礎chu上shang，控kong製zhi回hui路lu采cai用yong高gao速su數shu字zi信xin號hao處chu理li器qi（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係列交流伺服係統為例

，為了實現高精度定位
，與MR-J3係列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈衝/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/dazhuanjutexing，haikejiangdichicaozhuanju
，jianxiaosifudianjidezhuanjubodong，shixianjiqizaiyunsuxiagengjiapinghuashunchangdeyunxing。tongshi
，gaichanpinketongguoxianjindezizhengdinggongnenghegaojizhendongyizhikongzhigongneng，shixianbaokuoweizhizengyihesuduzengyizaineisuoyouzengyidezidongtiaozheng，youxiaoyizhidangqudongbujiantingzhishisuofashengde100Hz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
，可用於機械工具和一般工業機械等需要高精度位置控製和平穩速度控製的應用場合。

　　中達電通近期推出的ASDA-M係列屬於三軸合一智能型伺服
，其將三台伺服融合在同一機座內
，三軸同動控製，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製；新的龍門控製架構，精準同步，可以用於純剛性連接的機構；軟件具備簡易的循圓分析，可強化係統問題的診斷能力。此外

，ASDA-M係列伺服還具備優異的高速響應性能、高低頻抑振能力
、精準的全閉環控製、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

　　zuoweishukongjichuangdezhongyaogongnengbujian
，diandongjidexingnengzhijieguanxidaozhengtixitongdexingnengfahui。youyubujindianjizaichengbenkongzhifangmiandeyoushi，yinershiqichengweiledaduoshujingjixingshukongjichuangdeshouxuanchanpin

，dantongshitadequedianyehenmingxian，jiguanliangda

、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ji術shu門men坎kan相xiang對dui較jiao高gao的de優you勢shi
，因yin而er在zai高gao端duan數shu控kong機ji床chuang等deng精jing密mi機ji械xie行xing業ye中zhong得de以yi廣guang泛fan應ying用yong。其qi中zhong

，交jiao流liu伺si服fu電dian機ji的de特te點dian是shi正zheng弦xian波bo控kong製zhi，轉zhuan矩ju脈mai動dong小xiao；定子繞組散熱比較方便
；慣量小
，易於提高係統的快速性；適應於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，目前一些日係、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係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於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年底開始執行相當於IE3等級的NEMA Premium（美國全國電器製造商協會高效率）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
，對於齒輪磨床、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(gao)精(jing)度(du)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)的(de)理(li)想(xiang)驅(qu)動(dong)模(mo)式(shi)，目(mu)前(qian)受(shou)到(dao)了(le)機(ji)床(chuang)廠(chang)家(jia)的(de)普(pu)遍(bian)重(zhong)視(shi)，技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su)。全(quan)球(qiu)領(ling)先(xian)的(de)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)配(pei)件(jian)廠(chang)商(shang)科(ke)爾(er)摩(mo)根(gen)在(zai)直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)發(fa)領(ling)域(yu)有(you)著(zhe)豐(feng)富(fu)的(de)專(zhuan)業(ye)經(jing)驗(yan)，其(qi)推(tui)出(chu)的(de)直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)直(zhi)線(xian)（DDL）係列電機屬於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
，可適用於各種直線應用

，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“再製造”，yeshiyigeqianliwuqiongdeshichang，bijinglaijiang，yaogouzhiquanxindeshukongjichuangxuyaojuedetouru。muqianguoneiyixielingxianchangshangzhengjijikaituozheyishichang，lizhengshixianyugouzhixinjichuangtongyangdexiaoguo

，zaijianshaozijintourudetongshi，tigaolingjianjiagongzhiliangheshengchanlv

，suoduanchanpinzhizaozhouqi，gaishangongzuohuanjing
，juyouguanchangshangjisuan，yitaojingjixingshukonghua“再製造”機床的價格僅為相同功能新數控機床的1/5-1/3。

　　shukongjichuangdefazhanzhijieguanxidaoguojiajichuzhizaoyedezhuanxingyushengji
，shixianjieduanzhongyaodezhanlvefazhanguocezhiyi。zuoweiqizhongzhuyaodezhichengchanye
，sifukongzhixitongjixukuaisudishiyingdangqianzhizaoyedefazhantedian，congjishuhefuwuzhelianggehuanjieshang
，tishengzhengtijiejuefangandejishushuiping。zhenduidangqianzhonggaoduanshukongjichuangdejutixuqiu，sifukongzhiqiyeyingbuduanweikehutigongchuangxindeyundongjiejuefanganhegaopinzhidechanpin，bangzhukehutishengshukongjichuangchanpindexingneng
，shiqigengjushichangjingzhengli
，bingqiejinkenengdisuoduanchanpinshangshishijian，jieyueyusuan
，tigaozhengtixitongdekekaoxingheshenglvxiaolv，zuizhongdadaotishengshukongjichuangsudu、準度和位置控製精確度的目標。