中國數控技術必須盡快突破技術遏制 １
數控系統是數字控制系統簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是由硬件電路構成的稱為硬件數控（Hard NC），1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數控系統。數控系統之于機床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，中國數控技術必須盡快突破技術遏制
數控系統之于機床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，是大腦，是心臟。數控技術是改造傳統機械加工裝備產業、構建數字化企業的重要基礎，它的發展一直備受人們關注。數控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創了機械產品向機電一體化發展的先河，因此數控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。另一方面，通過持續的開發研究以及對信息技術的深化應用促進了數控機床性能和質量的進一步提升，使數控機床成為國民經濟和國防建設發展的重要制造裝備。另外，數控技術以高精度隨動控制和多運動協同控制為主要特征，與自動火炮控制、雷達控制以及陀螺導航控制技術具有共性的技術基礎，具有典型的軍民兩用的應用特征。
正是因為數控技術軍民兩用的特征，國際競爭環境對中國數控技術崛起的遏制意圖明顯。從“巴統”到考克斯報告的技術封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產，低端產品傾銷，渙散中國國內的自主研發力量均可體現遏制意圖。相當多的事實證明我們試圖通過引進技術，“以市場換技術”的美好愿望只是一廂情愿，結果往往是市場也丟了，技術卻沒換回來。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產品壟斷市場80%以上，高端產品不僅壟斷，而且限制中國進口。中國通過近20年持續不斷的技術攻關和市場培育，誕生了一批數控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定市場規模；但在技術密集的中高端控制器市場，國產控制器規模始終處于被壓縮的狀態，利潤空間被壓縮，研發體系不能支持可持續技術進步。
行業專家坦言“中國數控機床技術水平與世界發達國家相差起碼15年”。日本國際經濟學家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號上發表了一篇題為《中國的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業，生產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5年性能不變。“沒有日本的機床，中國的汽車產業將寸步難行”。 長谷川慶太郎預測：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”。客觀分析這篇文章，拋棄日本少數學者狂躁的心態，僅就裝備制造業中以數控系統為代表的制造裝備關鍵部件技術和產品上的差距上看，文章的觀點是應當喚起我們的憂患意識。
打破國外對我們數控技術遏制的主要手段就是降低對國外技術的依存度，選擇有技術支持條件的關鍵技術作為突破口，主動突破，才能爭取競爭上的主動。數控技術在近十年計算機軟硬件技術和通信技術進步的支持下，具備關鍵技術突破口的條件。從產業的角度看數控控制器產品的基本特征，可以概括為專用的工業計算機；伺服驅動系統產品的特征是驅動電機專用的工業電源；伺服電機產品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機。針對這些產品特征，從產業角度看，中國完全具備高端數控系統產業條件的，有些具有類似產業特征的產品的產能是世界領先的。因此，跳出狹義的運動控制器制造領域，從中國產業全局看，數控系統產業突破是具有產業支持條件的。數控系統產業的另一個特征是技術的軟件化。運行在數字控制器和伺服驅動器上的軟件承載了系統的主要功能和性能的實現。因此在這一產業領域的競爭將更多轉化為基于軟件技術、控制技術和制造技術的智力層面的比拼和以技術融合為特征的工程層面的比拼。
反遏制的關鍵是構建適合核心技術體系生長的自主創新平臺，從被動的技術追趕變為主動的技術對抗。高端數控技術不僅僅是控制器的問題，而是關聯電機、驅動、測量、通訊、計算機軟硬件技術以及機床測試、仿真等技術的技術學科群。這些技術環節都將對最終的設備控制效果產生影響。
以高速高精度高響應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品的精度提高一倍，表面質量提高一倍。但這一結果需要控制器全面的技術提升。對于高速度運動控制技術的實現而言，基于超前讀機制的運動軌跡分析和預測是必需的。這一機制將對系統的體系結構提出更高的要求。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個數量級。軟件平臺要支持相應字長的計算。另一方面控制節拍也需要相應提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當然對系統的計算負荷有更高的需求，系統硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內實現這個分辨率是不夠的，還要將這個控制量送給伺服驅動裝置。由于有效字長的擴充，控制節拍的提高，相應通訊代寬的需求也要提高。對伺服通訊問題一定要采用數字方式，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提升到200萬線～400萬線了，這樣才能夠與現有的機械裝置配合實現納米級控制。我們國內的控制器產品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術的差距直接導致我們的驅動裝置的調速比上不去，速度平穩性有差距。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字通訊協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HRV（高響應矢量控制），三菱強調OMR（優化機械響應控制）都將問題直指高精度伺服控制的核心問題——高精度、快速響應的電流環設計。只有良好的電流環特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術都可以有所作為，包括各種狀態識別、滑膜控制和變參數控制等等。
實現高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅動裝置是不夠的。電機設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動器實現低速的平穩控制。許多高精度驅動裝置的廠商本身也是電機制造商。在很多國內的研究機構中，電機技術與伺服驅動技術是部門割裂的，有的甚至沒有電機技術支持單搞伺服驅動。在研究高精度運動控制中，仿真技術將極大的縮短我們在控制算法的相關研究中的時間和實施成本。在仿真技術支持的同時，還需要研制有關的試驗平臺，用來評價運動控制的效果，評價伺服驅動和電機的性能。例如，如何評價低速平穩性和剛度等。
數控系統之于機床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，是大腦，是心臟。數控技術是改造傳統機械加工裝備產業、構建數字化企業的重要基礎，它的發展一直備受人們關注。數控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創了機械產品向機電一體化發展的先河，因此數控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。另一方面，通過持續的開發研究以及對信息技術的深化應用促進了數控機床性能和質量的進一步提升，使數控機床成為國民經濟和國防建設發展的重要制造裝備。另外，數控技術以高精度隨動控制和多運動協同控制為主要特征，與自動火炮控制、雷達控制以及陀螺導航控制技術具有共性的技術基礎，具有典型的軍民兩用的應用特征。
正是因為數控技術軍民兩用的特征，國際競爭環境對中國數控技術崛起的遏制意圖明顯。從“巴統”到考克斯報告的技術封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產，低端產品傾銷，渙散中國國內的自主研發力量均可體現遏制意圖。相當多的事實證明我們試圖通過引進技術，“以市場換技術”的美好愿望只是一廂情愿，結果往往是市場也丟了，技術卻沒換回來。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產品壟斷市場80%以上，高端產品不僅壟斷，而且限制中國進口。中國通過近20年持續不斷的技術攻關和市場培育，誕生了一批數控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定市場規模；但在技術密集的中高端控制器市場，國產控制器規模始終處于被壓縮的狀態，利潤空間被壓縮，研發體系不能支持可持續技術進步。
行業專家坦言“中國數控機床技術水平與世界發達國家相差起碼15年”。日本國際經濟學家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號上發表了一篇題為《中國的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業，生產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5年性能不變。“沒有日本的機床，中國的汽車產業將寸步難行”。 長谷川慶太郎預測：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”。客觀分析這篇文章，拋棄日本少數學者狂躁的心態，僅就裝備制造業中以數控系統為代表的制造裝備關鍵部件技術和產品上的差距上看，文章的觀點是應當喚起我們的憂患意識。
打破國外對我們數控技術遏制的主要手段就是降低對國外技術的依存度，選擇有技術支持條件的關鍵技術作為突破口，主動突破，才能爭取競爭上的主動。數控技術在近十年計算機軟硬件技術和通信技術進步的支持下，具備關鍵技術突破口的條件。從產業的角度看數控控制器產品的基本特征，可以概括為專用的工業計算機；伺服驅動系統產品的特征是驅動電機專用的工業電源；伺服電機產品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機。針對這些產品特征，從產業角度看，中國完全具備高端數控系統產業條件的，有些具有類似產業特征的產品的產能是世界領先的。因此，跳出狹義的運動控制器制造領域，從中國產業全局看，數控系統產業突破是具有產業支持條件的。數控系統產業的另一個特征是技術的軟件化。運行在數字控制器和伺服驅動器上的軟件承載了系統的主要功能和性能的實現。因此在這一產業領域的競爭將更多轉化為基于軟件技術、控制技術和制造技術的智力層面的比拼和以技術融合為特征的工程層面的比拼。
反遏制的關鍵是構建適合核心技術體系生長的自主創新平臺，從被動的技術追趕變為主動的技術對抗。高端數控技術不僅僅是控制器的問題，而是關聯電機、驅動、測量、通訊、計算機軟硬件技術以及機床測試、仿真等技術的技術學科群。這些技術環節都將對最終的設備控制效果產生影響。
以高速高精度高響應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品的精度提高一倍，表面質量提高一倍。但這一結果需要控制器全面的技術提升。對于高速度運動控制技術的實現而言，基于超前讀機制的運動軌跡分析和預測是必需的。這一機制將對系統的體系結構提出更高的要求。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個數量級。軟件平臺要支持相應字長的計算。另一方面控制節拍也需要相應提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當然對系統的計算負荷有更高的需求，系統硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內實現這個分辨率是不夠的，還要將這個控制量送給伺服驅動裝置。由于有效字長的擴充，控制節拍的提高，相應通訊代寬的需求也要提高。對伺服通訊問題一定要采用數字方式，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提升到200萬線～400萬線了，這樣才能夠與現有的機械裝置配合實現納米級控制。我們國內的控制器產品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術的差距直接導致我們的驅動裝置的調速比上不去，速度平穩性有差距。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字通訊協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HRV（高響應矢量控制），三菱強調OMR（優化機械響應控制）都將問題直指高精度伺服控制的核心問題——高精度、快速響應的電流環設計。只有良好的電流環特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術都可以有所作為，包括各種狀態識別、滑膜控制和變參數控制等等。
實現高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅動裝置是不夠的。電機設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動器實現低速的平穩控制。許多高精度驅動裝置的廠商本身也是電機制造商。在很多國內的研究機構中，電機技術與伺服驅動技術是部門割裂的，有的甚至沒有電機技術支持單搞伺服驅動。在研究高精度運動控制中，仿真技術將極大的縮短我們在控制算法的相關研究中的時間和實施成本。在仿真技術支持的同時，還需要研制有關的試驗平臺，用來評價運動控制的效果，評價伺服驅動和電機的性能。例如，如何評價低速平穩性和剛度等。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢