數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)。我國在從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的過程中，大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)具有重要意義。

　　近幾年來，在引進(jìn)消化國外數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國已生產(chǎn)出自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床，但是中、高檔以上的數(shù)控系統(tǒng)仍然是以進(jìn)口產(chǎn)品為主，研究目前數(shù)控系統(tǒng)及技術(shù)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向，將對開發(fā)出中、高檔的數(shù)控產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床市場份額起到重要作用。

　　1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件技術(shù)發(fā)展迅速

　　隨著集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，給數(shù)控硬件技術(shù)的更新?lián)Q代注入新的活力，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)普遍采用超大規(guī)模集成電路(VLSI)、專用芯片(ASIC)及數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)。在電氣裝聯(lián)上廣泛采用表面安裝(SMT)、三維高密度(three dimensional high density)技術(shù)，極大地提高系統(tǒng)的可靠性。高速高性能存儲技術(shù)，比如閃爍存儲(flash memory)，移動(dòng)存儲(PCMCIA card)等極大地方便用戶。薄膜晶體管液晶顯示器(TFTLCD)技術(shù)使得顯示裝置趨于平板化，更便于機(jī)電一體化安裝并改善人機(jī)界面。作為數(shù)控系統(tǒng)核心的處理器廣泛采用“位以上的高速RISC CPU，保證高速、高精度的數(shù)控加工。

　　以日本FANUC 16i/18i和160i/180i為例，已形成超小、超薄型控制器，主控板僅為名片一樣大小，主處理器采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M/S的高速串行總線。用光纜連結(jié)I/O模塊，采用分散配置，便于機(jī)電一體化。在通訊方面采用PCMCIA存儲卡和外部計(jì)算機(jī)通訊，或采用調(diào)制解調(diào)器，用電話和人機(jī)通訊。

　　嵌入式硬件的使用有望使得數(shù)控系統(tǒng)硬件更趨標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成本也會(huì)隨著降低。

　　2 體系結(jié)構(gòu)向開放式發(fā)展

　　開放式數(shù)控的討論已有好些年了，但是應(yīng)該看到，對于開放式結(jié)構(gòu)至今沒有一致性的定義。某些用戶認(rèn)為開放式表示能夠接受當(dāng)?shù)厥褂玫耐ㄐ艆f(xié)議;而另一些用戶認(rèn)為開放式意味著所有控制器操作界面完全一致;對機(jī)床應(yīng)用工程師而言，開放式意味著對刀架移動(dòng)、傳感器和邏輯控制有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口;對大公司和大學(xué)的研究工程師來說，開放式意味著以上這些均來自隨即拿來就用的積木塊。由于來自最終用戶和集成商(機(jī)床廠)的壓力，開放式結(jié)構(gòu)的開發(fā)工作正在向前發(fā)展并將持續(xù)下去。目前的一個(gè)積極成果即是基于PC的CNC，即PC-based。

　　世界上一些著名的數(shù)控制造商紛紛推出PC-based CNC系統(tǒng)，例如FANUC公司的FANUC 160/180，西門子公司的siemens 840Di，F(xiàn)AGOR公司的FAGOR 8070。由于采用了工業(yè)級PC機(jī)及桌面操作系統(tǒng)Windows，DOS等，其豐富的軟、硬件資源給用戶帶來諸多的方便。

　　應(yīng)該看到，在數(shù)控加工這種強(qiáng)實(shí)時(shí)環(huán)境中，使用商用操作系統(tǒng)Win，DOS等，還尚未得到業(yè)界的完全認(rèn)可。在理論上沒有證明比現(xiàn)有傳統(tǒng)的CNC更加優(yōu)越。

　　為應(yīng)對開放式數(shù)控未來的發(fā)展，我國從2003年開始實(shí)施開放式數(shù)控國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18759.1。開放式數(shù)控(ONC)就其開放程度可分為三個(gè)層次。第一層次是具有可配置功能，開放的人機(jī)界面的通信接口及協(xié)議。第二層次為控制裝置在明確固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之下允許替換，增加NC核心中的特定模塊以滿足客戶的特殊要求。第三層次為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完全可變的全開放的控制裝置。這三個(gè)層次中第一層次目前基本達(dá)到。未來的發(fā)展主要圍繞第二個(gè)層次目標(biāo)展開，還有很長的路要走。

　　3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)入CNC

　　嚴(yán)格意義上說，數(shù)控控制軟件中包含著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的思想，例如任務(wù)調(diào)度、存儲器管理、中斷處理等，但這種技術(shù)是隱含的，是和數(shù)控應(yīng)用程序比如插補(bǔ)，伺服、譯碼等混合的。每一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都是獨(dú)特的，不透明的。這種情況對于最終用戶和系統(tǒng)集成商而言帶來諸多不便。在開放式數(shù)控呼聲日益高漲的今天，研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在CNC軟件中的應(yīng)用是順理成章的事。特別是最近嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展迅猛，這對于數(shù)控控制軟件的開發(fā)將產(chǎn)生革命性的影響。選擇一個(gè)合適的商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將插補(bǔ)、伺服、譯碼、數(shù)據(jù)處理等數(shù)控應(yīng)用軟件往上“掛”，最終移植到一個(gè)硬件環(huán)境中去，形成最終使用戶滿意的數(shù)控系統(tǒng)，也就是個(gè)性化的CNC系統(tǒng)，這將是開放式數(shù)控的主要方向。

　　未來實(shí)時(shí)Linux(RT Linux)有望成為CNC實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主流。“Linux除了具有功能強(qiáng)大、高性能、穩(wěn)定性好以及原代碼開放等優(yōu)勢以外，其最大的特點(diǎn)是Linux內(nèi)核具有非常良好的結(jié)構(gòu)，即可由用戶根據(jù)特殊的系統(tǒng)需求，對內(nèi)核進(jìn)行配置或裁剪，而這一特點(diǎn)恰恰滿足了可開放式數(shù)控應(yīng)用的差異性需求。

　　4 現(xiàn)場總線技術(shù)開始廣泛使用

　　現(xiàn)場總線(field bus)實(shí)質(zhì)上是工控網(wǎng)絡(luò)中的低檔產(chǎn)品。因?yàn)榈讓釉O(shè)備通信有以下特點(diǎn)。

　　1)通信環(huán)境惡劣，可能受到溫度、濕度變化、塵埃、電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和電磁場干擾等因素影響。

　　2)信息傳遞主要是設(shè)備與設(shè)備之間，故對通信可靠性要求高。

　　3)通信內(nèi)容和時(shí)間一般可以預(yù)先設(shè)定，隨機(jī)、自發(fā)產(chǎn)生的信息相對較少，這可使通信協(xié)議大大簡化。

　　4)由于有較多的監(jiān)控信息，實(shí)時(shí)性要求高。

　　5)要求有一定的故障診斷和容錯(cuò)能力，以防止不必要的系統(tǒng)故障。

　　6)距離短，頻度高。

　　基于上述特點(diǎn)，底層設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò)通常采用協(xié)議簡單、響應(yīng)迅速、可靠性高的主.從通信方式，使用工控網(wǎng)絡(luò)中的低檔產(chǎn)品，如現(xiàn)場總線。

　　西門子公司的profibus首先應(yīng)用在802D中、低擋數(shù)控系統(tǒng)中。對802D而言，24V電源為“心臟”，PCU模塊為“大腦”，profibus為“神經(jīng)”。因?yàn)镻CU和I/O以及伺服系統(tǒng)的連結(jié)均依靠p礎(chǔ)bus。PCU為主站，PP1、PP2、611U為從站，并均有節(jié)點(diǎn)地址，如圖1所示。

　　圖1. 西門子802D用現(xiàn)場總線連接整個(gè)系統(tǒng)

　　FAGOR公司的SERCOS主要用于CNC和伺服系統(tǒng)的通訊且采用光纜。最高傳輸速率為4M baud。SERCOS將CNC(8055，8070)和主軸、坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)連結(jié)起來，每個(gè)節(jié)點(diǎn)亦有相應(yīng)地址。從FAGOR 8070開始，CNC和I/O的連結(jié)采用CAN總線。

　　FANUC I/O Link是CNC連結(jié)擴(kuò)展I/O的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的總線，而FFSB則是連接CNC和伺服系統(tǒng)的總線。

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　　5 PLC功能繼續(xù)增強(qiáng)

　　可編程控制器(PLC)在數(shù)控機(jī)床上主要完成MST功能(輔助功能)，即除了主運(yùn)動(dòng)以外的輔助功能，但目前PLC在數(shù)控機(jī)床上的功能正在逐漸擴(kuò)大，例如：1)可通過報(bào)警文本編輯產(chǎn)生個(gè)性化的診斷頁面。2)PLC直接控制坐標(biāo)軸。3)在系統(tǒng)配置和初始化時(shí)發(fā)揮作用，這個(gè)作用對西門子系統(tǒng)的PLC最為明顯。

　　PLC的基本程序(非用戶梯形圖)在機(jī)床調(diào)整時(shí)，激活機(jī)床操作面板MCP并設(shè)置通道和主軸、坐標(biāo)軸。通道相當(dāng)FANUC中的Head。4)通過PLC提供的參數(shù)和CNC系統(tǒng)參數(shù)可以在PLC和零件加工程序之間傳遞信息，以完成某些特定功能。即PLC已經(jīng)滲透到零件加工程序的編制中。

　　單獨(dú)的PLC可以完成全部的CNc功能，這已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。但就目前而言，PLC主要還是在數(shù)控系統(tǒng)配置到機(jī)床上時(shí)起一個(gè)“接口”作用，包括MST功能，診斷功能等，這種功能正在不斷擴(kuò)大。

　　6 CNC的通訊、網(wǎng)絡(luò)功能不斷擴(kuò)大

　　從早期的DNC，RS232、422和485一直到目前的MAP，EtIlemet等，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊功能在不斷增強(qiáng)。為解決大容量零件加工程序的傳遞和存儲，一是可采用DNC中的前端機(jī)進(jìn)行分配和傳輸，即形成DNC主機(jī)一前端機(jī).CNC的三層模式。而一臺前端機(jī)可控制多臺CNC。另外一種，對于帶PCMC認(rèn)卡的CNC系統(tǒng)，可利用該存儲卡傳遞加工程序(一張卡為5—8M)。第二種最簡單的方法可利用CNC和后臺編輯功能，在切削時(shí)同時(shí)傳遞零件加工程序。

　　CNC的通訊功能還有一個(gè)目的是上傳數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)及故障信息，以便上位機(jī)監(jiān)控并進(jìn)行故障診斷。西門子840D/810D可以通過電話線、ISDN、Internet、GSM或LAN、WAN、Intranet和上位機(jī)通訊，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，但需安裝遠(yuǎn)程診斷軟件、調(diào)制解調(diào)器，并有電話線或通過網(wǎng)卡進(jìn)行。MAZAK公司的MAZATROL 640等亦具有這種功能。

　　7 數(shù)字式交流伺服成為主流

　　數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)體積小，性能好，調(diào)試方便，克服了過去模擬伺服系統(tǒng)用電位器調(diào)節(jié)的不便。通過數(shù)字設(shè)定可優(yōu)化速度、電流環(huán)，可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限制，進(jìn)行加減速控制，另外可以和外部計(jì)算機(jī)通訊，備份伺服參數(shù)，并在上位機(jī)顯示電流、扭矩波形，便于觀察。

　　CNC和數(shù)字式伺服的連接方法有以下幾種。

　　7.1 備有現(xiàn)場總線的系統(tǒng)

　　例如西門子802D，F(xiàn)AGOR 8055、8070等，采用如圖1所示的連接。

　　對FAGOR 8055，8070而言，現(xiàn)場總線SERCOS連接CNC和主軸、伺服驅(qū)動(dòng)與圖1連接相同。

　　7.2 FANUC數(shù)字伺服連接

　　FANUC系統(tǒng)數(shù)字伺服的連接如圖2所示。伺服電動(dòng)機(jī)上的編碼器將信號直接反饋給CNC系統(tǒng)，既作為位置反饋(半閉環(huán))，又作為速度反饋。CNC發(fā)出的速度指令送入驅(qū)動(dòng)單元的JV1B和JV2B。OiC系統(tǒng)則采用FSSB光纖進(jìn)行CNC和伺服通信，這和三菱伺服的連結(jié)類似。

　　圖2. FANUC 0系統(tǒng)數(shù)字伺服的連接

　　7.3 三菱公司數(shù)字伺服的連接

　　與上述FANUC系統(tǒng)有所不同是CNC僅向伺服驅(qū)動(dòng)提供位置命令，位置環(huán)和速度環(huán)均在數(shù)字伺服MDS-SVJ2之中完成，并且驅(qū)動(dòng)單元之間亦為串行聯(lián)結(jié)，如圖3所示，即所謂“位置環(huán)下移”現(xiàn)象。伺服系統(tǒng)具有原數(shù)控的部分功能，有利于簡化數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　圖3. 三菱公司MELDAS 50和數(shù)字伺服MDS-SVJ2的連接

   　　8 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境越來越友好

　　數(shù)控系統(tǒng)如何安裝在一臺機(jī)床上，這就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。除了硬件聯(lián)結(jié)之外主要有兩個(gè)方面的問題，一個(gè)是PLC梯形圖的編寫。另一個(gè)是機(jī)床參數(shù)的確定。前者主要解決輔助功能的匹配，比如機(jī)床冷卻、潤滑、主軸正、反轉(zhuǎn)以及機(jī)床操作面板的適配。而后者主要匹配機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)，例如進(jìn)給速度，加減速，行程限制等。這里主要介紹PLC梯形圖的開發(fā)問題。早期的數(shù)控機(jī)床的梯形圖是由CNC工程師根據(jù)機(jī)床的功能編寫的。編譯完以后再插入到數(shù)控軟件中去，隨著數(shù)控技術(shù)的普及，原先由數(shù)控系統(tǒng)制造商壟斷的接口軟件開發(fā)已轉(zhuǎn)移到機(jī)床廠或數(shù)控集成商。用戶可根據(jù)CNC制造商提供的集成方法和文件自行開發(fā)，大大促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及。現(xiàn)在為了減輕機(jī)床廠和系統(tǒng)集成商編寫梯形圖的負(fù)擔(dān)，西門子公司在802D系統(tǒng)中提供了PLC應(yīng)用程序?qū)嵗妥映绦驇煺f明，最終用戶在編寫梯形圖時(shí)，只要利用參數(shù)調(diào)用就可以完成梯形圖的編寫，大大方便了用戶并節(jié)約了時(shí)間。

　　CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))內(nèi)容滲入到CNC亦是目前的一個(gè)發(fā)展方向，這樣有助于加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。PC-based CNC的出現(xiàn)為CAPP內(nèi)容的滲透創(chuàng)造了有利條件。

　　由于數(shù)控控制軟件目前沒有公開，因此最終用戶在進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)始終處于一種被動(dòng)狀態(tài)，可以設(shè)想一下，未來的數(shù)控控制軟件是機(jī)床廠或系統(tǒng)集成商可以自由裝配的，就象目前的PLC梯形圖開發(fā)一樣隨意。真正的個(gè)性化的數(shù)控機(jī)床將會(huì)被每個(gè)高水平的集成商或最終用戶開發(fā)出來。這樣的數(shù)控集成環(huán)境才是最美好的。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特別是源碼公開的Linux嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核的出現(xiàn)為這種前景提供了可能。

　　9 數(shù)控相關(guān)技術(shù)和社會(huì)服務(wù)體系正在逐步完善

　　數(shù)控相關(guān)技術(shù)，首推CAD/CAM，目前商用的CAD/CAM軟件十分豐富，UG-II，Pro/E，Solidworks，Mastercam等已十分普遍。并將工藝設(shè)計(jì)(CAPP)內(nèi)容融合進(jìn)去，給用戶提供典型工藝方案以供選擇。所生成的數(shù)控零件加工程序更符合實(shí)際需要。目前存在的普遍問題是CAD/CAM軟件產(chǎn)生的二進(jìn)制文件(刀位文件)均要經(jīng)過后置處理轉(zhuǎn)化為字符串文件，供給數(shù)控機(jī)床使用。而這些零件加工程序一進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)后又還原二進(jìn)制文件以供插補(bǔ)等運(yùn)算。這種信息傳遞的過程很難做到高效、優(yōu)質(zhì)、快捷。人們期待著一種CAD/CAM/CNC的高效信息傳遞方式，這里還有較長的路要走。

　　數(shù)控技術(shù)的發(fā)展離不開整個(gè)社會(huì)服務(wù)體系的完善，包括人材培訓(xùn)，維修服務(wù)等方面的配合。2002年10月國家勞動(dòng)和社會(huì)保障部啟動(dòng)機(jī)電類高層次技能型人材培訓(xùn)工程，包括數(shù)控加工和維修人員。2002年5月中國機(jī)電裝備維修與改造技術(shù)協(xié)會(huì)授權(quán)開展數(shù)控維修改造企業(yè)資質(zhì)認(rèn)證工作，已經(jīng)有24家企業(yè)通過認(rèn)證。隨著制造業(yè)在中國的地位日益提高，市場需求不斷增長，數(shù)控行業(yè)將迅速的發(fā)展，為中華民族的復(fù)興做出更大的貢獻(xiàn)。