下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
（1）国家支持国内数控系统自主研发
高档数控系统是制造业的重中之重，国家从产品研发、测试验证、应用示范、创新平台建设等方面，对数控系统给予了大力的支持，对数控系统提出了明确的产业化目标，到2020年，要求高档数控系统、关键功能部件与主机实现批量配套，并得到应用示范，国产中高档数控机床用的国产数控系统市场占有率达到60%以上，高档数控系统的市场占有率将从现在的1%提高到20%左右。
（2）“中国制造2025”对国产数控系统的需求
“中国制造2025”将数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一，目的是为推动我国从制造大国向制造强国的转变，即到2025年步入制造强国行业，到2035年时赶超德国、日本。数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，而数控系统是数控装备的“大脑”。数控系统技术决定着数控机床的性能、功能、可靠性的关键因素，发展的过程需要数控系统技术作为动力的源泉。数控系统技术广泛应用于汽车、航空航天以及军事工业等领域，它决定一个国家制造业的发达程度，是决定一个国家在精密制造成就的制造的高尖技术。从制造大国转变为制造强国有很多途径，大力发展国产数控系统技术则是重要道路之一。
（3）市场需求
高档数控系统可以应用于数控机床的生产，也可以对原有的数控机床或非数控机床进行系统升级、改造。其具体的应用市场为机电行业，包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等。另外，航空航天、船舶制造、大型电站设备、石化和冶金设备、汽车制造等都是我国机床业的下游产业，都离不开高档机床，为机床业的发展提供了广阔的空间。
随着中国经济快速的发展，汽车、船舶、工程机械、航空航天等行业将为中国机床行业提供巨大的需求。根据最新的《高档数控机床与基础制造装备》国家科技重大专项要求，到2020年，中国将实现高档数控机床主要品种立足于国内：航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%实现国产化；国产中、高档数控机床用的国产数控系统市场占有率达到60%以上；高档数控系统市场占有率将从目前的1%提高到20%。
（1）数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展
①基于PC的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力。
开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整。从最近几次国际机床展上可以看到著名厂商的高档数控系统，都以基于PC的开放数控系统为主流。如SINUMERIK 840Di sl、FANUC 16i/18i/21i/30i系列等都采用Windows操作系统，在PC完成操作界面、编程、数据管理、网络等相对弱实时性要求功能，并提供动态链接库函数供用户二次开发。
②全数字化是未来数控系统发展的必然趋势。
全数字化是未来数控系统发展的必然趋势。全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此现场总线、编码器到伺服的数字化接口、驱动单元内部三环（位置环、速度环及电流环）数字化，是数控系统全数字化的重要标志。
③多信道软件体系结构是适应整合数控机床的最新选择。
针对制造业对整合数控机床（即融合工业机器人、影像处理系统和精密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断和联网等功能）的市场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴（包括多主轴）多通道控制、轴同步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究点。
（2）高速高精控制是数控技术发展永恒的主题
高速、高精已成为高档数控机床的主要特征，同时速度和精度也是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对高速高精控制的追求。
在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到（2～3） g ，快速移动速度提高到150～200m/min。现代化的加工将越来越多地采用高性能切削技术（HPC-High Performance Cutting），该技术不仅要求提高切削速度（即提高主轴转速），而且要求提高刀具的进给速度，如何针对给定的材料和其他条件，将刀具切削速度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削，是未来研究的热点问题。
在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级（0.01mm）提升到微米级（0.001mm）。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。
数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速高精动态特性提出相应的控制要求。除纳米插补，纳米CNC系统等概念外，以下新的技术也是值得进一步关注的问题。
①HRV4控制技术 HRV4继承并发展了HRV3的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制，并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令；超高速伺服控制处理器；超高分辨率的脉冲编码器（16million/rev）；防止机械振颤的HRV滤波器。
②MTC（Machine Tip Control） 为了控制机床在加工点处的振颤，FANUC研究了机床顶部控制（MTC）和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率，采用MTC后可明显减小机床振颤。
③反向间隙加速功能 由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。
④MPC（Machining Point Control） 采用MPC功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。
⑤捷度控制 通过增加捷度控制能力，提高机床动态响应能力。
（3）智能化控制是提高数控加工效率的有效手段
由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
（4）CAD/CAM与CNC的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径
国际主流数控系统厂商在研制最新数控系统的同时，都非常注重对CAD/CAM/CNC集成技术的开发，并明确地将图形化、集成式的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机交互方式友好性的重要途径。SIEMENS的Shop Turn、Shop Mill车间级集成式编程系统，FANUC公司的集成式编程系统，HEIDENHAIN公司的对话框式集成编程系统等，都已成为各公司历次展会宣传的重点。
（5）精密、超精密加工和测量技术应用领域的扩展
精密、超精密加工和测量技术在航空、航天、核能、微电子、激光、仪表及医疗器械等得到应用，在解决自身抗振、高分辨率、环境温度控制、超净化等方面都有很大的提高。这些先进技术用于超高精加工的金刚石刀刃口圆弧半径已达0.002～0.004μm，可切下1nm厚的切削和表面粗糙度小于 Ra 0.01μm的工件。
（6）高效，复合加工与柔性化不断融合
实现复合加工的途径有：工序复合（如车、铣、钻等多种切削工艺的复合）、工艺复合（切削工艺与其他工艺如热处理）、激光加工等工艺复合，以及集机械加工与其他加工、测量功能于一身的集成制造单元等。
实现高效加工的途径有以下几种。
①采用高效加工及高速运动的功能部件，如：采用技术电更加成熟的主轴，目前转速15000～24000r/min的电主轴已成为主流；采用大功率、大推力直线机驱动技术，减少传动环节，提高系统响应速度；采用直接驱动技术使数控转台、刀架等功能部件的运动速度更快；采用新型刀库结构适应更加快速换刀需求，刀-刀的换刀时间缩短到1s以内。
②采用机床多任务位、多轴、多刀同时加工。
③采用复合刀具、复合工艺加工。
以缩短生产周期为主要目标的组合切削刀具，使用一个刀杆可逐次完成车端面、车外圆、车内孔或者钻孔和倒角等多种不同的加工工艺；多功能复合加工机床，多功能、多轴、柔性、复合加工已成为车床类的主流产品，可一次装夹完成零件车削、钻孔、镗削、铣削加工等全部加工工序。
（1）信息化
随着制造业的发展，数控机床不再是一个独立的加工单元，数控机床和人、数控机床之间的交流都离不开网络。面向制造自动化集成的网络功能数控系统应具有与上层信息管理系统交换信息功能，这些必要的交换信息包括制造加工任务计划，数控系统及底层执行装置的工作状态及故障信息等。同时基于新一代云服务平台的大数据采集、大数据挖掘等变得越来越重要，这些都离不开高速、可靠的网络信息功能。
（2）智能化
智能化是制造技术发展的一个大方向，随着人工智能在计算机领域的渗透，研制智能数控系统必将成为未来的发展趋势。例如：研制开放式智能化数控系统，支持温度、振动、RFID等传感器介入的物联网平台；研制基于高级语言的智能化数控系统解释器；研究基于开放式智能化数控系统智能加工技术，如智能化加工路径控制、进给率自适应、故障诊断，监控与设备的自动维护等。
（3）机器人的广泛使用
未来机床的功能不仅局限于简单的加工，还具有一定自主完成复杂任务的能力。机器人作为数控系统的一个重要应用领域，其技术和产品近年来得到快速发展。机器人的应用领域，不仅仅局限于传统的搬运、堆垛、喷漆、焊接等岗位，而且延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域，从传统的减轻劳动强度的繁重工种，发展到IC封装、视觉跟踪及颜色分检等领域，大大提高了数控机床的工作效率。
（4）3C行业迅速发展
近年来，3C产品需求量极大，而国内在加工3C产品的高速钻攻中心一直被日本、美国、韩国等国家占据第一阵营。3C产品款式多样，如手机、鼠标、耳机的外壳，这些零件形状各异，考虑到设计的美观性和实用性，又以复杂曲面居多，技术难度集中在复杂曲面加工上，对钻攻中心的加工效率、精度、自动程度有着更高的要求，这就对数控系统在高速高精上有着更高的要求。