CNC控制器的發(fā)展趨勢

    摘要：數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。本文概述數(shù)控機床控制器的發(fā)展趨勢。隨著信息技術(1T)和制造技術(MT)的發(fā)展，出現(xiàn)了更多功能、更高性能的控制器，諸如多坐標、多系統(tǒng)(通道)的控制；具有高精、高速、5軸加工功能和復雜加工、數(shù)控復合機床、進網(wǎng)通信、高可靠性和安全性等功能。為了增加操作和使用系統(tǒng)的可操作性和可移植性，控制器開放已經(jīng)成為潮流。數(shù)字制造要求數(shù)控系統(tǒng)建立在一個全新的信息技術基礎結構之上，容易利用網(wǎng)絡傳遞加工制造信息，進行CAD／CAM與CNC一體化的加工制造。這就出現(xiàn)了STEP—NC新型的數(shù)控系統(tǒng)。

    關鍵詞：數(shù)控，發(fā)展趨勢，功能，性能，開放性，STEP—NC

    數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術(1T)與制造技術(MT)結合發(fā)展的結果。最近20年來，信息技術的急劇發(fā)展大大激發(fā)和增加了制造系統(tǒng)的上層智能功能；下一個20年，智能將延伸到工廠的車間底層，控制器將具有更高性能和更多功能；由于控制器的柔性，單臺機床將變得更加靈活和精巧；可以廣泛地進行通信；方便地進行集成和重構；對過程進行測量，預示結果，診斷故障，避免事故；并按照科學的模式進行加工，達到最佳的生產效率。下面是一些關于控制器最新的發(fā)展情況。

1.CNC控制器的性能進一步提高、具有更多功能

1．1多坐標、多系統(tǒng)控制

    比如FANUC最新的高檔控制器11S30i—MODEL A系統(tǒng)，最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個系統(tǒng)(通道)，最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸，其中進給軸32軸，主軸為8軸，最大同時控制軸數(shù)為24軸／系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個系統(tǒng)。最大I／O點數(shù)為4096點／4096點，PMC基本命令速度為25ns。最大可預讀程序段：1000段。這是當前世界配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。由于具有多軸多系統(tǒng)配置，因此特別適合大型自動機床，復合機床，多頭機床等的需要。

1．2高精、高速加工功能

    這是CNC系統(tǒng)最重要的功能，由于有了這個功能，使制造技術(MT)大大地向前發(fā)展了。數(shù)控機床采用計算機控制，可以保證加工的零件具有很高的精度重復性。但為了得到一定的功能，輸入控制器的信號要經(jīng)過一系列處理，不可避免地要失真、延時。因此在高速加工時，要保持高的加工精度就要采取一定的措施減少失真、延時。高精、高速的加工，除了機械設計和制造要保證能實現(xiàn)目標外，對CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。采用前饋控制，以補償由于伺服滯后所產生的誤差，提高加工精度。適當控制進給率和采用恰當?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產生的誤差。“前瞻”控制在程序執(zhí)行前對運動數(shù)據(jù)進行計算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運動，而且誤差很小。對于機床平滑運行的高精度輪廓控制，采用對指令形式的實時識別，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在最佳狀態(tài)。為了防止擾動，開發(fā)數(shù)字濾波器的技術，以消除機械的諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精進給和主軸的伺服系統(tǒng)對高速、高精和高效十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機和驅動器以及控制單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線移動軸可以來用直線伺服電機驅動；減少機械傳動鏈，提高剛度，提高精度。當主軸電機采用同步電機時，它非常適用于齒輪機床的系統(tǒng)，齒輪機床有時需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，F(xiàn)ANUC伺服電機的設計體積小，采用高增益控制，伺服電機是無齒槽效應的電機，帶有1．6xlo’脈沖／轉分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數(shù)字伺服控制，具有很高電流檢測精度，采用相應的硬件，可以產生所謂“納米控制”，也就是在系統(tǒng)檢測分辨率為1嶺m時，插補分辨率可以達到1nm；它使在CNC內部的計算誤差最小化，每次內部計算以納米或更小的單位，大大提高了加工的質量。對于控制直線電機，設計數(shù)字濾波器以避免直接驅動機械帶來的多點諧振特性，聯(lián)合這些功能，機床刀具的運動就可以準確地按照著指令執(zhí)行。對于加工具有自由曲面的模具，會在程序段之間出現(xiàn)條紋，為了解決這個問題，F(xiàn)ANUC開發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評估原始曲線，并對其進行NURBS插補。這些性能滿足了機床“高速高精”以及“低速高精”的要求。

1．3 5軸加工和復雜加工功能

    由于5軸加工工藝合理，相對于3維曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進行切削，在復雜形狀的高速高精加工中可以提高效率，提高光潔度。因此得到越來越廣泛的應用。5軸加工的機械其配置主要有刀具旋轉方式、工作臺旋轉方式和這兩種的混合方式。因此5軸加工功能要能滿足各種配置的要求。根據(jù)5軸加工的特點，把它們，比如TCP(刀具中心控制)，刀具半徑補償?shù)裙δ�，應用到不同機械配置的5軸加工機床。

1．4數(shù)控復臺功能

    為了提高生產率，數(shù)控復合加工機床的開發(fā)和制造已變成數(shù)控機床的一種發(fā)展趨勢。復合加工機床是指在同一機械上可以進行多種工藝的加工，如在一臺機床上可以進行車加工、銑加工、錘加工等，比如，一個圓柱體要進行圓柱表面的車削、錘子L、還要求在圓柱面上銑溝槽，這些加工都要求在同一臺數(shù)控機床上完成。這樣就能大大提高生產率。因此，對于數(shù)控復合機床，百先需要增加可以用于進行復合加工功能的控制系統(tǒng)，比如銑床需要增加螺錐線功能、螺旋線功能、3維圓弧功能、刀具中心點控制等，另外，刀具補償功能也需要既有車加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機床還經(jīng)常需要高速加工。

1．5進網(wǎng)通信功能

    為了通過PC或數(shù)控系統(tǒng)本身對多臺機床進行集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡進行通信。以便傳遞程序，監(jiān)控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行遠程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數(shù)據(jù)。CNC具有現(xiàn)場通信網(wǎng)絡功能，就可以在CNC與伺服裝置之間，CNC與I／o控制之間傳遞控制、監(jiān)控和診斷數(shù)據(jù)。目前主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線。隨著技術的發(fā)展，應用無線技術也已經(jīng)出現(xiàn)。

    無線技術可以使信息到達幾乎是任何地方。

1．6高可靠性和安全性功能

    CNC系統(tǒng)與數(shù)控機床一起，工作在底層車間，經(jīng)受惡劣的環(huán)境，如：溫度，濕度，振動，油霧，粉塵的影響，同時又要求連續(xù)工作；因此對可靠性要求特別高，除了可靠性設計、制造工藝等措施外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要采取以下措施：①采用光纖，減少電纜連接，比如FANUC的數(shù)控系統(tǒng)通過光纖連接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式從CNC到多個伺服放大器傳遞大量的數(shù)據(jù)。②采用糾錯碼(ECC：EnorCorrecting Code)傳送數(shù)據(jù)，隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)，也要求對微處理器、存儲器和LSI的處理速度大大提高。由于這些安裝在CNC的印刷板上的高速電子元器件進行高速讀、寫和傳遞數(shù)據(jù)時，由IC驅動的信號波形變?yōu)闇�后，在這樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時，導致不能正確地傳遞數(shù)字信號。另外，在最新電子元件低壓供電時，降低了電路低抗噪音的運行范圍。為此，CNC電路將采取更先進的糾錯碼傳遞數(shù)據(jù)。ECC是一種領前的高可靠性技術，通過把ECC加到數(shù)據(jù)上以傳送各種不同型式的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更可靠。②采用雙檢安全(Dual Check Sa缸y)措施。“雙檢安全”與歐洲安全標準(EN954—1)一致。它的原理是在CNC內嵌人多個處理器冗余地監(jiān)控伺服電機和主軸電機以及與安全相關的I／0信號并使用急停與相關的I／0電路使系統(tǒng)安全地運行和停止。2 控制器的開放

當出現(xiàn)NC機床以后，制造廠家就希望能打開NC系統(tǒng)這個黑盒子，部分或全部地代替機床設計師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能放進NC系統(tǒng)，同時也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機界面和提供給用戶的開發(fā)平臺。要求NC控制器透明以使機床制造商和最終用戶可以自由地執(zhí)行自己的思想。于是產生了開放結構的數(shù)控系統(tǒng)。

    IEEE“開放系統(tǒng)技術委員會”定義“開放結構”為：“開放系統(tǒng)所執(zhí)行的應用可以運行在多家制造者不同的平臺；并可以與其他系統(tǒng)的應用具有互操作性，且呈現(xiàn)與用戶交互協(xié)同(1EEElo03．0)。”也可以用下列的性能指標評估控制器的開放性。比如應用模塊為AM：①移植性：在保持應用模塊(AM)的功能下，不需任何變化就可以應用到不同的平臺。②擴展性：不同的AM能運行在一個平臺而不出現(xiàn)沖突。③互操作性：AM在一起工作時表現(xiàn)為相互協(xié)同，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。④縮放性：按照用戶的需要，AM的功能、性能和硬件的規(guī)�？梢陨炜s。

開放結構的控制器(oAC)使控制器銷售商、機床制造商和最終用戶可以從柔性和敏捷生產中獲得較大利益。其主要目標是在標準化環(huán)境下采用開放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的系統(tǒng)能力被廣泛接受。軟件可以重復使用，用戶可以按照給定的配置設計他們的控制器。

    控制系統(tǒng)的開放體系結構由于考慮到對實時和可靠性要求很嚴格，因此是高度復雜的系統(tǒng)。其特點是基于PC，相互鏈接的關鍵結構為系統(tǒng)組件和接口，系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開放系統(tǒng)中，各個組件和接口還可以在制造過程中實現(xiàn)增加智能的優(yōu)點。對于控制的復雜性，這些系統(tǒng)的硬件和軟件是基本的工具�？刂频慕涌诳梢苑殖蓛山M：內部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接系統(tǒng)和監(jiān)控單元以及子單元、用戶。它們可以分為編程接口和通信接口。NC與PI‘C編程接口采用國家或國際標準，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通訊接口也強烈地受標準的影響。現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如SERCOS，P凹肋us或Device Net用作驅動和I／O的接口。I，AN(局網(wǎng)LocalArea Network)網(wǎng)絡主要基于以太網(wǎng)和TCP／IP與監(jiān)控系統(tǒng)連系的接口。②內部接口：用于組件間的互相作用和數(shù)據(jù)交換，以形成控制系統(tǒng)的核心。在這方面，一個重要的性能是支持實時機構。為了得到可重構和白適應的控制，控制系統(tǒng)的內部結構基于平臺的概念。由于軟件組件中無法知道專用硬件的詳情，因而主要的目標是建立一個可定義的但是在軟件組件間進行柔性的通訊方法。應用編程接口(APl)保證了這些需要�？刂葡到y(tǒng)的全部功能被分為幾個包，模塊化的軟件組件通過被定義的API互相作用。

根據(jù)1999年美國機器人工業(yè)論壇的資料，當年美國機器人全部裝機的系統(tǒng)是機器人本身價值的3—5倍，也就是如果有l(wèi)o億美元機器人的市場，等于增加20到40億美元的附加值，如果其中25％歸因于軟件集成的原因引起的，再認為如果通過標準化的開發(fā)和應用，采用開放體系結構的控制器使其中降低50％；那么在采用開放控制器后，每年潛在的價值就可以節(jié)省2億5千萬到5億美元。

    目前，開放的數(shù)控系統(tǒng)結構主要有3種形式：①基于PC的CNC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以PC機為平臺，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過伺服卡傳送數(shù)據(jù)，控制坐標軸電機的運動。這類系統(tǒng)有時也稱為Soft NC，這樣的系統(tǒng)容易做到全方位開放。②PC嵌入式：這種系統(tǒng)的基本結構為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統(tǒng)的PC機器中，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制，或且CNC作為數(shù)控功能運行，而PC板作為用戶的人機接口平臺。③PC十CNC：目前主流NC系統(tǒng)生產廠家認為NC系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，像PC機存在的死機現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經(jīng)生產大量的NC系統(tǒng)；體系結構的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服務和可靠性產生不良的影響。因此不把開放結構作為主要的產品，仍然大量生產原結構的NC系統(tǒng)。為了增加開放性，主流NC系統(tǒng)生產廠家往往在不變化原系統(tǒng)基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機界面的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusion system)。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎。成為NC技術的發(fā)展

3STEP-NC

    它基于STEP，并把STEP擴展到NC，形成“STEP—NC”。開發(fā)和推廣這個標準的首要目的是實現(xiàn)不同的CAx系統(tǒng)通過標準的個性文件來進行數(shù)據(jù)交換。當前，企業(yè)之間的專業(yè)分工趨向越來越明顯。一個汽車總裝廠往往有好幾百個零部件供應商，這些企業(yè)可能采用不同的CAD系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換的工作量非常大。采用CAD系統(tǒng)之間點對點的交換方式是不可取的。只有通過一種統(tǒng)計表的方式來表達數(shù)據(jù)，統(tǒng)計表的文件格式來輸入和輸出數(shù)據(jù)才有可能實現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換。STEP體系結構可歸納為采用ExPRESS的語言(ExPRESS是一種信息建模語言)，具有三層結構(應用層、邏輯層、物理層)。也可以認為STEP的核心是一個工程定義的數(shù)據(jù)庫，這些定義可以組成不同的應用協(xié)議，引1用于各產業(yè)需要的產品模塊。數(shù)據(jù)庫包括幾何、拓撲、公差、關系、屬性、裝配、配置和其他的特性。而新的產品模塊在需要增加時可以不斷加入。

   “CNC控制器的數(shù)據(jù)模型”(以下稱STEP—NC)是NC的數(shù)據(jù)從CAM到CNC的數(shù)據(jù)模型，它解決現(xiàn)行的NC程序缺乏通用性及移植性的問題。使“STEP—NC”產品模型數(shù)據(jù)用作直接機床的輸人已經(jīng)發(fā)展成具有實際的意義。這種“STEP—NC”是無G和M代碼，無后置處理的NC。ISol4649標準的目標為：(1)改進CAD／CAM系統(tǒng)與CNC控制器間的聯(lián)接；保證“STEP—NC”能在CAD／CAM之間傳遞數(shù)據(jù)。不是采用刀具的運動，而是采用工作步驟面向對象的概念，以改進IS06893的缺點。工作步驟相應于高級特征和過程的參數(shù)。CNC可以對工作步驟解析為坐標的運動和刀具的動作。(2)數(shù)據(jù)模塊必須包括所有的復雜級別(從加工時指令的CAD幾何數(shù)據(jù)到帶離散值的簡單軸運動)。(3)NC程序設想可以放在新開發(fā)的CNC控制器上，但是它也可能放在分離的支持和改進現(xiàn)有NC控制器的高級系統(tǒng)上(包括各種網(wǎng)絡)。(4)對于NC程序的新標準將提供機床操作者更多的柔性、功能、統(tǒng)計表的編程定義和相關控制和幾何過程的修正。(5)新標準允許MTB的操作者由于他的專用機床和技術而執(zhí)行專門的功能。(6)對于最終用戶新的標準提供統(tǒng)一的編程，更快、更廉價的程序準備和由于統(tǒng)一的編程格式導致的低成本。(7)較少的后置處理而且更標準化。在NC編程級，CAD／CAM系統(tǒng)和NC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換將更方便。