數(shù)控機床是以數(shù)字化制造技術為核心

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(yè)為基礎的高增長行業(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、高效高速的中高檔數(shù)控機床需求明顯增加，表現(xiàn)出我國機床需求結構已經發(fā)生了較大的改變。 

數(shù)控機床是以數(shù)字化制造技術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，預計未來五年內中國機床行業(yè)的復合增長率約為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，自產數(shù)控機床仍遠遠無法滿足國內市場的需求，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)控機床產業(yè)技術創(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)應用技術等方面開展研究工作。據(jù)科技部重大專項辦有關負責人介紹，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 

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(yè)的數(shù)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(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水平，與數(shù)控機床產業(yè)的發(fā)展息息相關，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(tài)響應快等特性，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。而進給伺服驅動單元以數(shù)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(yè)伺服驅動單元的控制性能，目前大量的數(shù)字處理技術被引入到該領域，一批廠商紛紛開發(fā)出全數(shù)字式交流伺服驅動單元。這類伺服驅動產品采用數(shù)字信號處理器(DSP)、CPLD超大規(guī)模集成電路芯片，以及 

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(wěn)定可靠、振動小、噪聲低。 

伴隨著國內數(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來臨，例如，在iPone、iPad、LEDTV等消費性電子、信息和光電產業(yè)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(shù)字化、網絡化技術正引領數(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的發(fā)展中，分布式系統(tǒng)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(jié)能環(huán)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(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。 

傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)大多經過一個閉環(huán)回路(CloseLoop)，控制系統(tǒng)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(tǒng)所須控制的裝置(軸數(shù)、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