论文部分内容阅读
【摘 要】本文从高端数控技术的现状开始介绍，重点分析了加工制造业的未来发展趋势，并根据加工制造业的发展趋势进一步探讨了高端数控技术的发展需求，进而深入分析了核心的两个关键技术——高端数控系统技术和交互协同加工技术，并给出了一些实用的发展建议。
【关键词】高端数控技术；协同加工；发展趋势
文章编号：ISSN1006—656X（2014）02-0132-03
引言
装备制造业在整个制造工业领域中占据着举足轻重的地位，而装备制造业的“母机”就是数控机床，由此可见数控机床的相关技术在制造业中的关键地位。一个国家所掌握的高端数控技术水平直接代表着这个国家制造的水平，而一个国家制造业发展的好坏在很大程度上决定了这个国家在世界经济中的地位。
一、我国高端数控技术的现状
高端数控技术不仅包含高端数控机床的实现技术，更应该涵盖高端数控加工技术相关领域。
我国目前正在进入工业化中期时代，作为工业重要基础的装备制造业必须要满足我国工业高速化发展的需求，而作为装备制造业“母机”的数控机床更是具有举足轻重的影响。虽然国产数控机床已占有国内市场份额的60%左右，但在数控机床的“大脑”——数控系统方面差距很大，尤其是在高端数控系统方面，95%以上的份额都被国外垄断，但是前有“巴统组织”，后由“瓦森纳协议”，国外在高端数控系统和功能部件方面一直对中国进行技术封锁和产品禁运，因此国内在航空航天、船舶重工、发电设备、汽车制造、医疗装备、精密仪器、高精模具、科学研究等眾多行业领域急需大批量配套我国自主研制生产、具有自主知识产权的高端数控系统和数控机床来满足发展需要。
高端数控加工技术是与高端数控机床配套的专业技术，包括CAD、CAPP、CAM、CNC、检验等相关核心技术。
（一）计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、二维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NC）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容。随着网络和并行工程、高性能计算机及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计与制造及实时仿真业日益得到广泛应用。对制造业来讲，CAD/CAM是提高产品设计品质、缩短产品开发周期、降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。目前在我国机械制造业，CAD/CAM技术应用现状主要呈现以下几个特点：起步晚，市场份额小；应用范围窄、层次浅；功能单一，经济效益并不明显。
（二）计算机辅助工艺过程规划（CAPP）
计算机辅助工艺过程规划通常指机械产品零件制造工艺过程的计算机辅助设计及文档编制。
CAPP被认为是连接CAD与CAM的桥梁和纽带，CAPP利用CAD传递的零件信息，生成有关工艺文件，系统利用这些工艺文件经过适当处理生成NC程序，实现CAM，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成，而这正是计算机集成制造系统的一个重要方面。从更高的意义上讲，实现CAPP与MIS（信息管理系统）、MAS（制造自动化系统）以及CAQ（计算机辅助质量控制系统）等的集成，将使先进制造体系进一步得到完善。
通过对国内部分设计院、企业所做的调研，大部分企业对CAPP系统的应用情况并不令人乐观。企业应用CAPP系统的情况最具代表性的有如下几种：
（1）大部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的方式，CAPP的应用仍是空白。较偏远地区的企业，特别是那些中小企业，不光CAPP的应用时一片空白，计算机的应用状况也令人担忧。
（2）部分企业在计算机技术和CAD的应用较为普及以后，工艺设计成为企业的薄弱环节。有些企业自己在Word、Excel或AutoCAD上绘制出工艺卡片的空白表格，在此基础上进行工艺规程的设计。此种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计，因此，也可称作CAPP，但此类CAPP所生产的工艺规程是以文件的形式存在的，企业无法对工艺数据进行有效的管理和利用。
（3）部分企业已充分认识到工艺设计的重要性，并购买了部分商品化的CAPP系统，但由于企业对CAPP的认识还存在一些误区，所选系统具有很大的局限性，CAPP的应用还不尽如人意。
（三）柔性制造管理
柔性制造系统（FMS）是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。
我国这两年重点发展机器人和桁架式机器手，目的就是大力发展自动化和无人车间，这些都是FMS发展的重要基础。但由于国内高端数控机床的功能和性能有限，加上自动化储运设备的技术水平不高，以及柔性管理系统的发展刚刚起步，因此在FMS方面与国外相比仍然有巨大差距。
（四）加工精度检测技术
加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与图纸规定的理想几何参数符合的程度。这种相符合的程度越高，加工精度也越高。
目前存在于大部分企业中的测量现状是：测量方式还是人工用游标卡尺或电子检测仪逐个对工件进行测量。前一种用游标卡尺测量时由于人工读数所带来的误差比较大、效率非常低，而且只能进行抽样检测无法实现产品质量全部合格；采用电子检测仪虽然读数精确而且方便，可以减少人为误差，但是不便于大量数据的统计处理，不能及时的误差分析。
采用三坐标测量机进行工件精度检测也成为许多企业采用的检测方式，三坐标测量机精度高，自动化程度也比较高，配合检测分析软件可以快速实现工件精度检测功能，是目前的主流方向。
但对于具有复杂曲面的加工工件，比如五轴联动数控加工的工件，采用三坐标测量机在很多情况下就完成不了检测需求。现在国外的高精度三维激光扫描仪配合数模比对分析软件，可以对具有复杂曲面表面形状的工件进行高精度检测，但这种手段在国内很少见。 同时利用高档数控机床并配合高精度测头在线检测技术也是保证加工精度的有效手段之一，但目前由于国内高档数控系统和机床方面的技术问题，在线检测技术在国内仍未得到广泛开展。
以上综合介绍了高端数控机床实现技术和高端数控加工技术的当前现状，高端数控技术是以服务加工制造业为最终目的，因此只有有效组合以上两类技术大类才能实现完整意义上的高端数控技术。从以上介绍也可以看出，我国在高端数控技术领域与国外相比仍有巨大差距，发展高端数控技术仍然任重而道远。
二、 加工制造业的发展趋势
综合分析我国加工制造业的具体需求，可以简单地划分为三档，具体要求如下：
第一档：重大型、配套加工、多轴联动、复合加工、高速、高精度
第一档的加工制造业主要集中在航天航空、国防军工、发电、船舶等加工制造领域，在这些领域里加工制造的主要特点是：
重大型生产为多，批量不大，因为体积和重量比较大，因此一般需要大型机床、多轴联动数控加工和复合工艺加工，通过一次装夹尽量完成绝大多数的工序；
工件形状复杂且加工精度高，因此要求完成高速、高精度、高效加工，对加工设备、加工工艺、配套工装夹具等的要求很高；
大型部件的组装要求很高，因为大型部件在加工过程中产生的热变形和应力变形等相对很大，因此对于装配的要求很高，形成目前国内在这些加工领域急需解决的配合加工、变形和误差补偿、精度装配等技术难题，如在大飞机制造过程中出现了很多這类问题等待解决，即便部件加工精度足够高，但缺乏有效的匹配加工和合理装配策略，仍然不能保证最终的整体装配质量；
对于CAD/CAPP/CAM/CNC/在线检测的整体流程要求很高；
由于加工工件材料贵、体积大、重量大，毛坯的价值很高，对加工的质量要求很高，废品率要求极低，所以对于整个加工过程中的质量控制要求非常严格。
因此对于第一档的加工制造领域，属于要求最高的层次，未来这个层次的加工制造的发展趋势肯定会是以快速有效的组装与装配控制、变形和误差补偿控制、高速加工为首要目标，并同步提升加工工艺水平、加工速度、精度、质量和效率等方面。
第二档：中小型、柔性加工、高速、高效、批量加工
第二档的加工制造主要针对冶金、轨道交通、汽车、能源、化工、工程机械、农业机械、IT、生物、通用模具、液压、机械制造等行业，在这些领域加工制造的特点如下：
相比第一档，第二档的加工工件体积和重量相对要小，虽然在冶金、轨道交通、能源和化工等领域也有大的工件，但平均起来中小型加工工件最多，因此主要采用中小型加工设备来进行加工；
平均而言，第二档的加工精度要求也比较高，虽然目前以多轴联动数控设备和复合加工设备在国内这些行业里应用还未普及，但未来的趋势必然是采用这些高端设备来实现高速、高精度加工；
由于第二档的加工工件一般都是需要批量化加工的，因此无人车间和自动化工厂的需求越来越大，柔性制造（FMS）的需求也已经逐渐显现出来，这将会成为未来第二档加工制造领域的主流；
随着加工过程自动化程度的提高，对于 CAD/CAPP/CAM/CNC/在线检测的需求也会迅速扩大。
第二档加工制造领域的未来发展趋势，必然以无人车间、自动化工厂和柔性制造体系为核心，同时对于高端多轴联动数控设备和复合加工设备的使用需求也会逐步提升。
第三档：小批量、多品种、高效、易于操作、特殊定制
第三档主要针对医疗、家电、日用品、工艺品等制造领域，这些领域的加工制造特点如下：
加工工件相对较小，所以加工设备以中、小和微型设备为主，加工精度相对较低，但表面光洁度要求较高，一般需要采用高速电主轴实现快速加工；
加工工件以小批量、多品种加工为主，单件定制的情况非常多，因此对CAD/CAM的集成要求很高，很多领域都需要专门特殊定制的CADCAM/CNC一体化集成数控加工设备来完成类似“傻瓜化操作”的加工模式；
加工工件的外形复杂程度很高，因此五轴联动数控雕铣设备会在这些领域有很好的应用前景；
第三档加工制造领域的未来发展趋势，突出特点将是以CAD/CAM/CNC一体化集成的数控加工设备为代表，完成极易操作的快速加工模式。
以上根据具体行业简要分析了加工制造业的未来发展趋势，通过以上分析可以发现这三档加工领域的未来发展，通过以上分析可以发现这三档加工领域的未来发展重点差别很大，因此对于高端数控技术而言，未来的发展趋势也必须分别满足这些不同发展重点的具体要求，做到“有的放矢”，才能真正符合加工制造业的发展要求。
三、高端数控技术的发展需求
根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航空航天、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级、亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。同时，在高端数控加工技术方面也是提出了更高的要求。这些调查结果与上述对各行业加工制造领域的需求基本上是完全一致的，因此高端数控技术的发展也必须符合加工制造业的发展趋势。
综合加工制造业中三档的各自发展需求，可以看出有四个方面是高端数控技术的核心发展要求，即：基于组装和装配目标的数控技术、各种变形补偿控制技术、高速加工技术、柔性制造管理及控制技术、CAD/CAM/CNC一体化集成技术。
四、关键技术分析 高端数控系统不仅要完成对数控加工设备内部的精确控制，而且还得与CAD/CAPP/CAM进行无缝连接，同时还得与柔性制造管理进行准确交互，还需要在线参与交互式协同加工，这样的数控系统才能满足未来加工制造业的发展趋势，因此高端数控系统技术就成为了真正的关键技术。
能够完成上述功能的数控系统可以定义为智能型数控系统，而具有这样的数控系统并完整配套的数控机床也可以称之为“智能机床”，这些都是为“智能制造”的发展而奠定基础的关键核心技术。
综合以上分析中指出的针对数控系统的需求，满足制造底层加工设备智能控制的高端数控系统需要满足以下功能需求：
（一）针对单台数控加工设备的需求：
開放式、软件化体系结构
多轴联动数控功能；
复杂加工过程中的各种高级组合控制功能（各种不同被加工材料的温度、振动、张力、应力、形变等控制和补偿功能）；
刀具切削过程中磨损的在线自动补偿功能；
机床加工过程中的在线温度补偿；
被加工工件的各种性能参数在线检测功能；
复合加工组合控制功能；
数控机床在线监测和故障处理功能；
复杂加工在线仿真及验证功能；
数控系统在线升级和技术支持功能等。
（二）针对CAD/CAM技术集成的需求：
以通用软件操作平台为基础，便于CAD/CAM软件与数控系统的一体化集成；
具有独立的后处理模块，便于数控加工设备与CAM软件配合工作；
与主流的CAM软件兼容，并可快速生产有效数据接口；
具有通用的网络通讯接口及配套软件功能，便于实现数控加工程序和其他相关数据交互。
（三）针对加工工艺智能规划技术集成的需求
作为数控加工设备的“大脑”，数控系统首先需要实时获取数控加工设备内部的状态信息（包括机床各部件参数、刀具参数、当前加工工件参数等），并反馈给加工工艺智能规划系统；
数控系统需要根据加工程序对工件的加工工时进行准确估算，并反馈给加工工艺智能规划系统；
数控系统需要通过网络通讯在线接收加工工艺智能规划系统的调整信息，并及时调整加工任务。
（四）针对柔性制造技术实现的需求
作为柔性制造系统的基础层——设备级的核心控制系统，数控系统首先必须具备优质的设备控制能力；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要具有良好的网络通讯能力，在线接收柔性制造系统的各种指令，并将机床加工状态信息实时反馈；
数控系统需要具有与机器人、桁架式机器手、运行小车、自动料库等交互协调控制的能力，对于独立柔性加工单元需要进一步具备对机器人上下料的控制能力；
数控系统需要具有与测量机等设备的接口和通讯能力。
（五）针对协同制造技术实现的需求
作为柔性制造系统的基础层——设备级的核心控制系统，数控系统首先必须具备优质的设备控制能力；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要具有良好的网络通讯能力，在线接收柔性制造系统的各种指令，并将机床加工状态信息实时反馈；
数控系统需要具有与机器人、桁架式机器手、运送小车、自动料库等交互协调控制的能力，对于独立柔性加工单元需要进一步具备对机器人上下料的控制能力；
数控系统需要具有与测量机等设备的接口和通讯能力。
（六）针对协同制造技术实现的需求
作为协同制造体系基础层的核心单元控制系统，数控系统首先需要具备良好的网络通讯能力，进而实现协同调度、协同配合控制、协同状态信息交互等基础功能；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要在线检测被加工工件的状态信息，并提交协同制造中相关单元，从而保证协同加工的有效实现；
数控系统需要具有根据协同制造实时需求同步调整加工控制的能力。
“云数控系统”针对的就是智能制造领域中底层加工设备的高端数控系统技术需求，尤其是对于变形和误差综合补偿控制、以及交互协同加工控制、柔性制造管理接口、CAD/CAPP/CAM有效连接等问题给出了解决方案。
随着“云制造”模式的进一步发展，数控系统的功能又需要提升到一个新的高度，“虚拟动态联盟企业之间协同制造”的需求成为重点，单个企业内部加工设备之间、协作企业加工设备之间的协同制造效率和质量保证成为了关键目标。为了满足这种需求，首先必须对数控加工设备进行有效分解，对数控加工设备内部的数控系统、电机驱动系统、机械传动机构、工作台、甚至底座等大部件进行并行状态监测和微调控制，实现整体运行状态监测和微调控制，并在线反馈到数控系统中实现动态、在线加工精度和加工误差的分析与处理，将工件加工的在线综合误差作为关键参数通过远程通讯传递到配套加工的其它数据加工设备的数控系统中，实现同步加工，进一步保证各配套工件在不同加工设备上加工时的“交互式协同加工”，避免“背对背加工”最终造成的组装和装配精度差、修配周期长、返修或二次加工等问题，真正实现“云数控”模式。
“云数控系统”的最初思路也来源于对多足昆虫稳定行走的思考，多足昆虫即使其中一只足趾受伤，其它的足趾也会立刻重新调整步态，继续保持行进的速度和稳定性。如果一个数控加工设备加工的工件存在一定的误差，如果与之配套加工的设备可以及时调整，同样可以实现配套工件的生产，这样大大保证了装配质量，提高了加工效率。“云数控系统”的原则想法就是这样诞生的。
“云数控系统”的实现，为“交互式协同加工”提供了一个崭新的实现思路，也为以组装和装配为重要目标的第一档和第二档加工制造领域提供了一套可行的实现方法。
针对高端数控系统、交互式协同加工模式这两个核心关键技术而提出的“云数控系统”体系，涉及了很多专业技术领域，突破了传统数控系统的局限，以开放式、软件化结构多通用工业PC并行处理的PC+I/O型多轴联动数控系统为核心，以分布式远程状态监测为基础，以数控加工设备综合误差补偿复合控制技术为重点，以“云计算”结构为主体，可以进一步涵盖开放式CAD/CAPP/CAM/CNC软硬件集成体系，并具备与柔性制造管理的有效连接功能，深入到了智能制造体系最为基础与根本之处，具有极为广阔的应用前景。
五、 发展建议
高端数控技术的发展是一个持续创新、协同创新的过程，对于未来的发展有三点发展建议：首先是针对技术创新，必须形成多层面、多专业研究人员开放式协同开发的平台；其次是针对前述由CAD/CAPP/CAM/CNC/检验等形成的高端数控加工生产流程，形成由专注于不同领域的单位共同组成的创新联盟，在产业链基础上形成新的市场应用平台；最后是必须形成技术竞赛和交流平台，以促进整体技术的快速提升。
六、 结论
高端数控技术涉及的专业领域非常广泛，但其发展目标一定是为加工制造业服务。本文从高端数控技术的现状开始介绍，重点分析了加工制造业的未来发展趋势，并根据加工制造业的发展趋势进一步探讨了高端数控技术的发展需求，进而深入分析了核心的两个关键技术——高端数控系统技术和交互协同加工技术，并给出了一些实用的发展建议。
参考文献：
[1]石毅，【中国装备制造业发展探讨】，【装备制造】，2014，第十四卷，第一期
【关键词】高端数控技术；协同加工；发展趋势
文章编号：ISSN1006—656X（2014）02-0132-03
引言
装备制造业在整个制造工业领域中占据着举足轻重的地位，而装备制造业的“母机”就是数控机床，由此可见数控机床的相关技术在制造业中的关键地位。一个国家所掌握的高端数控技术水平直接代表着这个国家制造的水平，而一个国家制造业发展的好坏在很大程度上决定了这个国家在世界经济中的地位。
一、我国高端数控技术的现状
高端数控技术不仅包含高端数控机床的实现技术，更应该涵盖高端数控加工技术相关领域。
我国目前正在进入工业化中期时代，作为工业重要基础的装备制造业必须要满足我国工业高速化发展的需求，而作为装备制造业“母机”的数控机床更是具有举足轻重的影响。虽然国产数控机床已占有国内市场份额的60%左右，但在数控机床的“大脑”——数控系统方面差距很大，尤其是在高端数控系统方面，95%以上的份额都被国外垄断，但是前有“巴统组织”，后由“瓦森纳协议”，国外在高端数控系统和功能部件方面一直对中国进行技术封锁和产品禁运，因此国内在航空航天、船舶重工、发电设备、汽车制造、医疗装备、精密仪器、高精模具、科学研究等眾多行业领域急需大批量配套我国自主研制生产、具有自主知识产权的高端数控系统和数控机床来满足发展需要。
高端数控加工技术是与高端数控机床配套的专业技术，包括CAD、CAPP、CAM、CNC、检验等相关核心技术。
（一）计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、二维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NC）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容。随着网络和并行工程、高性能计算机及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计与制造及实时仿真业日益得到广泛应用。对制造业来讲，CAD/CAM是提高产品设计品质、缩短产品开发周期、降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。目前在我国机械制造业，CAD/CAM技术应用现状主要呈现以下几个特点：起步晚，市场份额小；应用范围窄、层次浅；功能单一，经济效益并不明显。
（二）计算机辅助工艺过程规划（CAPP）
计算机辅助工艺过程规划通常指机械产品零件制造工艺过程的计算机辅助设计及文档编制。
CAPP被认为是连接CAD与CAM的桥梁和纽带，CAPP利用CAD传递的零件信息，生成有关工艺文件，系统利用这些工艺文件经过适当处理生成NC程序，实现CAM，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成，而这正是计算机集成制造系统的一个重要方面。从更高的意义上讲，实现CAPP与MIS（信息管理系统）、MAS（制造自动化系统）以及CAQ（计算机辅助质量控制系统）等的集成，将使先进制造体系进一步得到完善。
通过对国内部分设计院、企业所做的调研，大部分企业对CAPP系统的应用情况并不令人乐观。企业应用CAPP系统的情况最具代表性的有如下几种：
（1）大部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的方式，CAPP的应用仍是空白。较偏远地区的企业，特别是那些中小企业，不光CAPP的应用时一片空白，计算机的应用状况也令人担忧。
（2）部分企业在计算机技术和CAD的应用较为普及以后，工艺设计成为企业的薄弱环节。有些企业自己在Word、Excel或AutoCAD上绘制出工艺卡片的空白表格，在此基础上进行工艺规程的设计。此种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计，因此，也可称作CAPP，但此类CAPP所生产的工艺规程是以文件的形式存在的，企业无法对工艺数据进行有效的管理和利用。
（3）部分企业已充分认识到工艺设计的重要性，并购买了部分商品化的CAPP系统，但由于企业对CAPP的认识还存在一些误区，所选系统具有很大的局限性，CAPP的应用还不尽如人意。
（三）柔性制造管理
柔性制造系统（FMS）是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。
我国这两年重点发展机器人和桁架式机器手，目的就是大力发展自动化和无人车间，这些都是FMS发展的重要基础。但由于国内高端数控机床的功能和性能有限，加上自动化储运设备的技术水平不高，以及柔性管理系统的发展刚刚起步，因此在FMS方面与国外相比仍然有巨大差距。
（四）加工精度检测技术
加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与图纸规定的理想几何参数符合的程度。这种相符合的程度越高，加工精度也越高。
目前存在于大部分企业中的测量现状是：测量方式还是人工用游标卡尺或电子检测仪逐个对工件进行测量。前一种用游标卡尺测量时由于人工读数所带来的误差比较大、效率非常低，而且只能进行抽样检测无法实现产品质量全部合格；采用电子检测仪虽然读数精确而且方便，可以减少人为误差，但是不便于大量数据的统计处理，不能及时的误差分析。
采用三坐标测量机进行工件精度检测也成为许多企业采用的检测方式，三坐标测量机精度高，自动化程度也比较高，配合检测分析软件可以快速实现工件精度检测功能，是目前的主流方向。
但对于具有复杂曲面的加工工件，比如五轴联动数控加工的工件，采用三坐标测量机在很多情况下就完成不了检测需求。现在国外的高精度三维激光扫描仪配合数模比对分析软件，可以对具有复杂曲面表面形状的工件进行高精度检测，但这种手段在国内很少见。 同时利用高档数控机床并配合高精度测头在线检测技术也是保证加工精度的有效手段之一，但目前由于国内高档数控系统和机床方面的技术问题，在线检测技术在国内仍未得到广泛开展。
以上综合介绍了高端数控机床实现技术和高端数控加工技术的当前现状，高端数控技术是以服务加工制造业为最终目的，因此只有有效组合以上两类技术大类才能实现完整意义上的高端数控技术。从以上介绍也可以看出，我国在高端数控技术领域与国外相比仍有巨大差距，发展高端数控技术仍然任重而道远。
二、 加工制造业的发展趋势
综合分析我国加工制造业的具体需求，可以简单地划分为三档，具体要求如下：
第一档：重大型、配套加工、多轴联动、复合加工、高速、高精度
第一档的加工制造业主要集中在航天航空、国防军工、发电、船舶等加工制造领域，在这些领域里加工制造的主要特点是：
重大型生产为多，批量不大，因为体积和重量比较大，因此一般需要大型机床、多轴联动数控加工和复合工艺加工，通过一次装夹尽量完成绝大多数的工序；
工件形状复杂且加工精度高，因此要求完成高速、高精度、高效加工，对加工设备、加工工艺、配套工装夹具等的要求很高；
大型部件的组装要求很高，因为大型部件在加工过程中产生的热变形和应力变形等相对很大，因此对于装配的要求很高，形成目前国内在这些加工领域急需解决的配合加工、变形和误差补偿、精度装配等技术难题，如在大飞机制造过程中出现了很多這类问题等待解决，即便部件加工精度足够高，但缺乏有效的匹配加工和合理装配策略，仍然不能保证最终的整体装配质量；
对于CAD/CAPP/CAM/CNC/在线检测的整体流程要求很高；
由于加工工件材料贵、体积大、重量大，毛坯的价值很高，对加工的质量要求很高，废品率要求极低，所以对于整个加工过程中的质量控制要求非常严格。
因此对于第一档的加工制造领域，属于要求最高的层次，未来这个层次的加工制造的发展趋势肯定会是以快速有效的组装与装配控制、变形和误差补偿控制、高速加工为首要目标，并同步提升加工工艺水平、加工速度、精度、质量和效率等方面。
第二档：中小型、柔性加工、高速、高效、批量加工
第二档的加工制造主要针对冶金、轨道交通、汽车、能源、化工、工程机械、农业机械、IT、生物、通用模具、液压、机械制造等行业，在这些领域加工制造的特点如下：
相比第一档，第二档的加工工件体积和重量相对要小，虽然在冶金、轨道交通、能源和化工等领域也有大的工件，但平均起来中小型加工工件最多，因此主要采用中小型加工设备来进行加工；
平均而言，第二档的加工精度要求也比较高，虽然目前以多轴联动数控设备和复合加工设备在国内这些行业里应用还未普及，但未来的趋势必然是采用这些高端设备来实现高速、高精度加工；
由于第二档的加工工件一般都是需要批量化加工的，因此无人车间和自动化工厂的需求越来越大，柔性制造（FMS）的需求也已经逐渐显现出来，这将会成为未来第二档加工制造领域的主流；
随着加工过程自动化程度的提高，对于 CAD/CAPP/CAM/CNC/在线检测的需求也会迅速扩大。
第二档加工制造领域的未来发展趋势，必然以无人车间、自动化工厂和柔性制造体系为核心，同时对于高端多轴联动数控设备和复合加工设备的使用需求也会逐步提升。
第三档：小批量、多品种、高效、易于操作、特殊定制
第三档主要针对医疗、家电、日用品、工艺品等制造领域，这些领域的加工制造特点如下：
加工工件相对较小，所以加工设备以中、小和微型设备为主，加工精度相对较低，但表面光洁度要求较高，一般需要采用高速电主轴实现快速加工；
加工工件以小批量、多品种加工为主，单件定制的情况非常多，因此对CAD/CAM的集成要求很高，很多领域都需要专门特殊定制的CADCAM/CNC一体化集成数控加工设备来完成类似“傻瓜化操作”的加工模式；
加工工件的外形复杂程度很高，因此五轴联动数控雕铣设备会在这些领域有很好的应用前景；
第三档加工制造领域的未来发展趋势，突出特点将是以CAD/CAM/CNC一体化集成的数控加工设备为代表，完成极易操作的快速加工模式。
以上根据具体行业简要分析了加工制造业的未来发展趋势，通过以上分析可以发现这三档加工领域的未来发展，通过以上分析可以发现这三档加工领域的未来发展重点差别很大，因此对于高端数控技术而言，未来的发展趋势也必须分别满足这些不同发展重点的具体要求，做到“有的放矢”，才能真正符合加工制造业的发展要求。
三、高端数控技术的发展需求
根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航空航天、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级、亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。同时，在高端数控加工技术方面也是提出了更高的要求。这些调查结果与上述对各行业加工制造领域的需求基本上是完全一致的，因此高端数控技术的发展也必须符合加工制造业的发展趋势。
综合加工制造业中三档的各自发展需求，可以看出有四个方面是高端数控技术的核心发展要求，即：基于组装和装配目标的数控技术、各种变形补偿控制技术、高速加工技术、柔性制造管理及控制技术、CAD/CAM/CNC一体化集成技术。
四、关键技术分析 高端数控系统不仅要完成对数控加工设备内部的精确控制，而且还得与CAD/CAPP/CAM进行无缝连接，同时还得与柔性制造管理进行准确交互，还需要在线参与交互式协同加工，这样的数控系统才能满足未来加工制造业的发展趋势，因此高端数控系统技术就成为了真正的关键技术。
能够完成上述功能的数控系统可以定义为智能型数控系统，而具有这样的数控系统并完整配套的数控机床也可以称之为“智能机床”，这些都是为“智能制造”的发展而奠定基础的关键核心技术。
综合以上分析中指出的针对数控系统的需求，满足制造底层加工设备智能控制的高端数控系统需要满足以下功能需求：
（一）针对单台数控加工设备的需求：
開放式、软件化体系结构
多轴联动数控功能；
复杂加工过程中的各种高级组合控制功能（各种不同被加工材料的温度、振动、张力、应力、形变等控制和补偿功能）；
刀具切削过程中磨损的在线自动补偿功能；
机床加工过程中的在线温度补偿；
被加工工件的各种性能参数在线检测功能；
复合加工组合控制功能；
数控机床在线监测和故障处理功能；
复杂加工在线仿真及验证功能；
数控系统在线升级和技术支持功能等。
（二）针对CAD/CAM技术集成的需求：
以通用软件操作平台为基础，便于CAD/CAM软件与数控系统的一体化集成；
具有独立的后处理模块，便于数控加工设备与CAM软件配合工作；
与主流的CAM软件兼容，并可快速生产有效数据接口；
具有通用的网络通讯接口及配套软件功能，便于实现数控加工程序和其他相关数据交互。
（三）针对加工工艺智能规划技术集成的需求
作为数控加工设备的“大脑”，数控系统首先需要实时获取数控加工设备内部的状态信息（包括机床各部件参数、刀具参数、当前加工工件参数等），并反馈给加工工艺智能规划系统；
数控系统需要根据加工程序对工件的加工工时进行准确估算，并反馈给加工工艺智能规划系统；
数控系统需要通过网络通讯在线接收加工工艺智能规划系统的调整信息，并及时调整加工任务。
（四）针对柔性制造技术实现的需求
作为柔性制造系统的基础层——设备级的核心控制系统，数控系统首先必须具备优质的设备控制能力；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要具有良好的网络通讯能力，在线接收柔性制造系统的各种指令，并将机床加工状态信息实时反馈；
数控系统需要具有与机器人、桁架式机器手、运行小车、自动料库等交互协调控制的能力，对于独立柔性加工单元需要进一步具备对机器人上下料的控制能力；
数控系统需要具有与测量机等设备的接口和通讯能力。
（五）针对协同制造技术实现的需求
作为柔性制造系统的基础层——设备级的核心控制系统，数控系统首先必须具备优质的设备控制能力；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要具有良好的网络通讯能力，在线接收柔性制造系统的各种指令，并将机床加工状态信息实时反馈；
数控系统需要具有与机器人、桁架式机器手、运送小车、自动料库等交互协调控制的能力，对于独立柔性加工单元需要进一步具备对机器人上下料的控制能力；
数控系统需要具有与测量机等设备的接口和通讯能力。
（六）针对协同制造技术实现的需求
作为协同制造体系基础层的核心单元控制系统，数控系统首先需要具备良好的网络通讯能力，进而实现协同调度、协同配合控制、协同状态信息交互等基础功能；
数控系统需要具备整体机床状态监测和故障诊断系统；
数控系统需要在线检测被加工工件的状态信息，并提交协同制造中相关单元，从而保证协同加工的有效实现；
数控系统需要具有根据协同制造实时需求同步调整加工控制的能力。
“云数控系统”针对的就是智能制造领域中底层加工设备的高端数控系统技术需求，尤其是对于变形和误差综合补偿控制、以及交互协同加工控制、柔性制造管理接口、CAD/CAPP/CAM有效连接等问题给出了解决方案。
随着“云制造”模式的进一步发展，数控系统的功能又需要提升到一个新的高度，“虚拟动态联盟企业之间协同制造”的需求成为重点，单个企业内部加工设备之间、协作企业加工设备之间的协同制造效率和质量保证成为了关键目标。为了满足这种需求，首先必须对数控加工设备进行有效分解，对数控加工设备内部的数控系统、电机驱动系统、机械传动机构、工作台、甚至底座等大部件进行并行状态监测和微调控制，实现整体运行状态监测和微调控制，并在线反馈到数控系统中实现动态、在线加工精度和加工误差的分析与处理，将工件加工的在线综合误差作为关键参数通过远程通讯传递到配套加工的其它数据加工设备的数控系统中，实现同步加工，进一步保证各配套工件在不同加工设备上加工时的“交互式协同加工”，避免“背对背加工”最终造成的组装和装配精度差、修配周期长、返修或二次加工等问题，真正实现“云数控”模式。
“云数控系统”的最初思路也来源于对多足昆虫稳定行走的思考，多足昆虫即使其中一只足趾受伤，其它的足趾也会立刻重新调整步态，继续保持行进的速度和稳定性。如果一个数控加工设备加工的工件存在一定的误差，如果与之配套加工的设备可以及时调整，同样可以实现配套工件的生产，这样大大保证了装配质量，提高了加工效率。“云数控系统”的原则想法就是这样诞生的。
“云数控系统”的实现，为“交互式协同加工”提供了一个崭新的实现思路，也为以组装和装配为重要目标的第一档和第二档加工制造领域提供了一套可行的实现方法。
针对高端数控系统、交互式协同加工模式这两个核心关键技术而提出的“云数控系统”体系，涉及了很多专业技术领域，突破了传统数控系统的局限，以开放式、软件化结构多通用工业PC并行处理的PC+I/O型多轴联动数控系统为核心，以分布式远程状态监测为基础，以数控加工设备综合误差补偿复合控制技术为重点，以“云计算”结构为主体，可以进一步涵盖开放式CAD/CAPP/CAM/CNC软硬件集成体系，并具备与柔性制造管理的有效连接功能，深入到了智能制造体系最为基础与根本之处，具有极为广阔的应用前景。
五、 发展建议
高端数控技术的发展是一个持续创新、协同创新的过程，对于未来的发展有三点发展建议：首先是针对技术创新，必须形成多层面、多专业研究人员开放式协同开发的平台；其次是针对前述由CAD/CAPP/CAM/CNC/检验等形成的高端数控加工生产流程，形成由专注于不同领域的单位共同组成的创新联盟，在产业链基础上形成新的市场应用平台；最后是必须形成技术竞赛和交流平台，以促进整体技术的快速提升。
六、 结论
高端数控技术涉及的专业领域非常广泛，但其发展目标一定是为加工制造业服务。本文从高端数控技术的现状开始介绍，重点分析了加工制造业的未来发展趋势，并根据加工制造业的发展趋势进一步探讨了高端数控技术的发展需求，进而深入分析了核心的两个关键技术——高端数控系统技术和交互协同加工技术，并给出了一些实用的发展建议。
参考文献：
[1]石毅，【中国装备制造业发展探讨】，【装备制造】，2014，第十四卷，第一期