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端面車床需求明顯增加，表現(xiàn)出我國機床需求結構已經發(fā)生了較大的改變。
數控端面車床是以數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(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，中高端數控端面車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，自產數控端面車床仍遠遠無法滿足國內市場的需求，特別是中高端數控端面車床的比例嚴重偏低。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控端面車床產業(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%，由于進口激增，國產金屬加工機床、數控端面車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“數控端面車床產業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟”，該聯(lián)盟將重點圍繞高速精密數控端面車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、數控系統(tǒng)應用技術等方面開展研究工作。據科技部重大專項辦有關負責人介紹，2009年正式啟動的數控端面車床專項將延續(xù)到2020年，預計中央財政、地方財政及企業(yè)總投入將達到數百億元，這標志著數控端面車床已成為了中國機床工業(yè)的重點發(fā)展方向。
伺服在數控端面車床的應
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，與數控端面車床產業(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，在數控端面車床行業(yè)的實際應用中，交流伺服系統(tǒng)已明顯占據了一定的優(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控端面車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，目前大量的數字處理技術被引入到該領域，一批廠商紛紛開發(fā)出全數字式交流伺服驅動單元。這類伺服驅動產品采用數字信號處理器(DSP)、CPLD超大規(guī)模集成電路芯片，以及優(yōu)化的PID控制算法，實現(xiàn)了數字式控制，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，高精密數控端面車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。
伴隨著國內數控端面車床行業(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，數字化、網絡化技術正引領數控端面車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。面對數控端面車床行業(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、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。因此，近年來，一些領導型廠商采用多樣工業(yè)以太網絡協(xié)議，通過網絡傳遞數字信號和控制參數，以滿足對實時性的要求分布式運動控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來。分布式串行伺服系統(tǒng)可模塊化，設計較為彈性，可任意擴充多軸運動(Motion)與I/O控制點數，只須單線連結、單機(計算機)管控，大幅節(jié)省了配線成本與空間，因而成為了未來制造業(yè)主流趨勢。
南京埃斯頓自動控制技術有限公司在這一技術研發(fā)領域取得了突出的成績。為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，其開發(fā)的Pronet系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(xié)議、CANopen通信協(xié)議和PROFIBUS通信協(xié)議。例如，對應PROFIBUS-DP通信網絡，該系統(tǒng)的伺服信息(位置、速度、轉矩、輸入輸出、報警等)可實時控制和調整，使伺服系統(tǒng)的調整時間縮短，操作更加簡單，一個上位控制器可最多實現(xiàn)255個站點的多軸運動控制，可廣泛用于高精度機床、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系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(fā)的GSKLink總線技術，CNC通過串行總線可實現(xiàn)對伺服的調試和實時監(jiān)控，顯著提高了速度精度和位置精度，位置脈沖指令最高頻率為1MHz適配0.1m指令精度的CNC，可實現(xiàn)0.1m級控制精度，是數控端面車床、自動化設備高速高精運動控制的較佳選擇。
提高控制精度、穩(wěn)定性
隨著以數控端面車床為技術平臺的數字化制造的興起，智能化制造、技術集成和技術復合已成為了數控端面車床技術最為活躍的發(fā)展趨勢之一。智能化機床能夠借助各種傳感器對自己的狀態(tài)進行監(jiān)控，自行分析機床狀態(tài)、加工過程以及周邊環(huán)境有關的信息，然后自行采取應對措施來保證最優(yōu)化的加工。另外，新型的數控端面車床同時也需要具有減小振動的主動振動抑制功能，控制熱位移的智能熱屏障功能，防止部件碰撞的智能安全屏障功能，提供語音提示和短信通知，以及按照加工要求幫助選擇切削參數等等，總之，智能化可以提高機床工作的控制精度，以及整機的穩(wěn)定、可靠性。
而在伺服系統(tǒng)方面，基于永磁電機動態(tài)解耦數學模型的矢量控制技術是目前伺服系統(tǒng)的核心控制方法，為了進一步提高控制精度和穩(wěn)定性，部分廠商在矢量控制的基礎上，控制回路采用高速數字信號處理器(DSP)，配合增益自動調整、指令平滑功能以三菱電機開發(fā)的MR-J3系列交流伺服系統(tǒng)為例，為了實現(xiàn)高精度定位，與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖/轉的絕對位置編碼器，速度環(huán)路頻率響應提高到900Hz，具有高速/大轉矩特性，還可降低齒槽轉矩，減小伺服電機的轉矩波動，實現(xiàn)機器在勻速下更加平滑順暢的運行。同時，該產品可通過先進的自整定功能和高級振動抑制控制功能，實現(xiàn)包括位置增益和速度增益在內所有增益的自動調整，有效抑制當驅動部件停止時所發(fā)生的100Hz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，可用于機械工具和一般工業(yè)機械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制的應用場合。
中達電通近期推出的ASDA-M系列屬于三軸合一智能型伺服，其將三臺伺服融合在同一機座內，三軸同動控制，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制；新的龍門控制架構，精準同步，可以用于純剛性連接的機構；軟件具備簡易的循圓分析，可強化系統(tǒng)問題的診斷能力。此外，ASDA-M系列伺服還具備優(yōu)異的高速響應性能、高低頻抑振能力、精準的全閉環(huán)控制、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(yōu)勢，大大提高了機械終端的定位精度。
降低電機能耗
作為數控端面車床的重要功能部件，電動機的性能直接關系到整體系統(tǒng)的性能發(fā)揮。由于步進電機在成本控制方面的優(yōu)勢，因而使其成為了大多數經濟型數控端面車床的首選產品，但同時它的缺點也很明顯，即慣量大、每單位功率的轉矩輸出比值小(N-m/kW)、效率差、發(fā)熱量大。而伺服電機因具有響應速度快、定位精準、技術門坎相對較高的優(yōu)勢，因而在高端數控端面車床等精密機械行業(yè)中得以廣泛應用。其中，交流伺服電機的特點是正弦波控制，轉矩脈動�。欢ㄗ永@組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量；可靠性高，對維護和保養(yǎng)要求低。
根據國際能源署的最新統(tǒng)計，工業(yè)用電占全球電力總消耗的約42%，其中2/3被工業(yè)電機所消耗。因此，現(xiàn)階段數控端面車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(jié)能效益來創(chuàng)造新的市場商機。例如，目前一些日系、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(yōu)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系統(tǒng)運行效率平均可提高20-40%，節(jié)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(guī)開始生效，該新法規(guī)涉及大部分功率介于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(guī)，美國則是從2010年底開始執(zhí)行相當于IE3等級的NEMAPremium(美國全國電器制造商協(xié)會高效率)標準。這些法規(guī)的陸續(xù)推出將進一步促進電機行業(yè)節(jié)能技術的提升。
此外，對于齒輪磨床、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(fā)展方向，直接驅動直線電機也是未來高速、高精度數控端面車床的理想驅動模式，目前受到了機床廠家的普遍重視，技術發(fā)展迅速。全球領先的運動控制系統(tǒng)和配件廠商科爾摩根在直接驅動技術的研發(fā)領域有著豐富的專業(yè)經驗，其推出的直接驅動直線(DDL)系列電機屬于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(wěn)，減少了噪音；同時，還提供多種尺寸和推力，可適用于各種直線應用，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(yè)大舉邁入高檔數控化的同時，對普通機床和老化數控端面車床進行“再制造”，也是一個潛力無窮的市場，畢竟來講，要購置全新的數控端面車床需要巨額的投入。目前國內一些領先廠商正積極開拓這一市場，力爭實現(xiàn)與購置新機床同樣的效果，在減少資金投入的同時，提高零件加工質量和生產率，縮短產品制造周期，改善工作環(huán)境，據有關廠商計算，一套經濟型數控化“再制造”機床的價格僅為相同功能新數控端面車床的1/5-1/3。
數控端面車床的發(fā)展直接關系到國家基礎制造業(yè)的轉型與升級，是現(xiàn)階段重要的戰(zhàn)略發(fā)展國策之一。作為其中主要的支撐產業(yè)，伺服控制系統(tǒng)急需快速地適應當前制造業(yè)的發(fā)展特點，從技術和服務這兩個環(huán)節(jié)上，提升整體解決方案的技術水平。針對當前中高端數控端面車床的具體需求，伺服控制企業(yè)應不斷為客戶提供創(chuàng)新的運動解決方案和高品質的產品，幫助客戶提升數控端面車床產品的性能，使其更具市場競爭力，并且盡可能地縮短產品上市時間，節(jié)約預算，提高整體系統(tǒng)的可靠性和生率效率，最終達到提升數控端面車床速度、準度和位置控制精確度的目標。
