FANUC的新一代NGC系列數(shù)控系統(tǒng)

本文通過對FANUC公司新一代NGC數(shù)控系統(tǒng)0i、16i和30i系列的技術(shù)特點(diǎn)和先進(jìn)功能的闡述，使讀者從中了解當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的最新成果，以及向高速、高精、網(wǎng)絡(luò)化、開放性等方面的發(fā)展動(dòng)向。

前言

FANUC的新一代NGC(NEXT GENERATION CONTROLLERS) 數(shù)控系統(tǒng)(以下簡稱為NGC系列)包括3個(gè)系列：

1) 0i系列：高可靠性和高性能價(jià)格比的CNC， 該系列包括FS0i/0i Mate-MODEL C；

2) 16i系列：適合于各種數(shù)控機(jī)床的高速、高精、納米CNC，該系列包括FS16i/18i/21i-MODEL B；

3) 30i系列：適合于先進(jìn)、復(fù)合、多軸、多通道、納米CNC，該系列包括 FS30i/31i/32i- MODEL A。

這三個(gè)系列的CNC數(shù)控系統(tǒng)是FANUC公司新近開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。涵蓋低端到高端， 并配合開發(fā)各種規(guī)格的高性能、高精度的旋轉(zhuǎn)和直線移動(dòng)的伺服電機(jī)（包括傳感器）、伺服放大器和作為維修、調(diào)試的應(yīng)用工具軟件的“操作指南”、“伺服指南”、 “TURN MATE i”等，構(gòu)成了完整的系列。

這些系列的數(shù)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)為：

一、可以滿足從低端到高端的需要

從一般的車床、銑床、加工中心、磨床到功能齊全的復(fù)雜、先進(jìn)的復(fù)合、高精、高速和高效、多軸聯(lián)動(dòng)、多工位、多通道數(shù)控機(jī)床等，都能滿足，也可以適應(yīng)從金切機(jī)床到?jīng)_壓成形機(jī)床的不同品種的需要。FANUC的NGC系列低端CNC為FS0i/0i Mate-MODEL C，是非常小型化的高可靠性、高性能價(jià)格比的數(shù)控系統(tǒng)。其中FS0i - MODEL C最多可以進(jìn)行4軸控制，它的功能以功能包形式劃分為A、B兩種，以便更適合不同機(jī)床的檔次，比如對A功能包，可以用于模具加工。而FS0i Mate-MODEL C，最多可以控制3軸，并具有操作工具“操作指南0i ”及“TURN MATE i”。

比較FANUC在80年代開發(fā)的0C系列，0i具有更快的速度。以上表1為這兩種系統(tǒng)分辨率和快速進(jìn)給率的比較：

從表1可以看出，0C、0D；0i、16i是在兩種同樣的硬件平臺(tái)下對數(shù)控功能進(jìn)行增減 而開發(fā)出來的，在同樣的分辨率下，NGC系列具有更快的快速進(jìn)給率，也就是它具有更快的處理能力，因而可以獲得更高的速度，更高的精度。即使在NGC系列的最低端產(chǎn)品0i-C也比0C具有更快的處理能力。NGC系列最高端產(chǎn)品30i在系統(tǒng)分辨率為1nm時(shí)，最高速度可達(dá)到1m/min。

二、采用最新的硬件技術(shù)

NGC的30i系列采用了最新的超高速微處理器。另外，CNC內(nèi)部的總線也實(shí)現(xiàn)了高速化的處理，因而大幅度提高了構(gòu)成系統(tǒng)的CNC處理器、PMC處理器、數(shù)字伺服處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。

對16i和30i系列，把CNC系統(tǒng)的數(shù)控功能板安裝在顯示器背面，這種顯示器一體型的CNC使系統(tǒng)變成其厚度只有60mm超小型、超薄型的控制裝置，大幅節(jié)省了機(jī)床的CNC系統(tǒng)安裝空間，從而也為機(jī)床的小型化做出了貢獻(xiàn)。另外，還為用戶開發(fā)了顯示器和CNC控制裝置相互分離的顯示器分離型CNC。與以往的CNC相比，在最大配置時(shí)，節(jié)省了二分之一的安裝的空間。

對30i系列，為了提高系統(tǒng)的操作性，顯示器采用了15英寸的寬屏彩色液晶顯示器，該裝置具有1024點(diǎn)×768點(diǎn)，將豐富多彩的信息顯示在屏幕上。另外，除了在液晶顯示器的下面配備的橫排軟鍵外，還在液晶顯示器的旁邊新設(shè)了豎排軟鍵。利用橫豎兩排軟鍵，可方便地進(jìn)行屏幕操作。

顯示器前面還配置了一個(gè)PCMCIA接口。在這種情況下，使用微型閃存卡，可以將存儲(chǔ)卡完全插入CNC控制裝置進(jìn)行DNC的運(yùn)行。作為用來將各類數(shù)據(jù)輸入到CNC中的鍵盤，新設(shè)立了與PC機(jī)的鍵盤相同排列的QWERTY（標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)鍵盤）。由于可以像操作PC機(jī)一樣地輸入數(shù)據(jù)，熟悉PC機(jī)操作的用戶可以駕輕就熟地操作CNC。CNC的顯示器除了15英寸彩色顯示器外，還備有10.4、8.4、7.2英寸彩色顯示器。另外，備有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床操作面板，允許用戶對不同的機(jī)床按鍵進(jìn)行自定義。

NGC系列采用高速光纜FSSB將CNC與多個(gè)伺服放大器串行聯(lián)接，F(xiàn)ANUC串行伺服總線 FSSB，傳送速度比以往提高2倍以上。1根光纜最多可以控制16軸伺服電機(jī)。采用高速DSP和高速FSSB傳送伺服控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)31.25μs的伺服電路控制周期。由于采用光纜傳送信號(hào)，速度高；同時(shí)大大減少了連接的電纜，因此也大大提高了可靠性。

三、多軸、多通道的數(shù)控系統(tǒng)

NGC系列新開發(fā)的16i系列，軸數(shù)有了明顯的增加，表2是16i系列的軸數(shù)，其中括弧內(nèi)為舊16i系列的軸數(shù)據(jù)。

NGC系列中30 i系列的規(guī)格如表3，該系列具有先進(jìn)的擴(kuò)展功能，可實(shí)現(xiàn)對10個(gè)路徑、32個(gè)伺服軸和8個(gè)主軸的控制，可用于各種大型機(jī)床，復(fù)合機(jī)床和自動(dòng)車床。使用一臺(tái)CNC就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床制造廠所要求的具有特殊的復(fù)合控制技術(shù)的多路徑，多軸的機(jī)床控制。該系統(tǒng)也適用于多軸和多路徑車床和高效自動(dòng)車床，龍門或需要多坐標(biāo)軸的多頭機(jī)床，需要巨大推力的有許多直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。

為了要獨(dú)立地控制32個(gè)伺服軸和8個(gè)主軸，每個(gè)軸都要對單獨(dú)的名稱進(jìn)行命名，該系列軸的名稱字符可擴(kuò)展到3個(gè)字符，使用此功能就可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)床規(guī)格和路徑號(hào)相匹配的軸的名稱進(jìn)行編程。

5軸加工是一種先進(jìn)的加工。NGC系列中，F(xiàn)S16 i-MODEL B， FS18 i-MODEL B5， FS30 i-MODEL A， FS31 i-MODEL A5；均可以進(jìn)行5軸加工。5軸加工機(jī)床的配置大致可分為“刀具旋轉(zhuǎn)型”、“轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)型”、“混合型”（刀具/轉(zhuǎn)臺(tái)均旋轉(zhuǎn)）。每種型式具有不同的配置。因此以上系統(tǒng)的5軸加工功能，不管是哪種機(jī)械配置，都可以與之對應(yīng)。NGC系列具有豐富的5軸加工功能，這些功能主要為：

1) 用于5軸加工的刀具中心點(diǎn)位置控制：5軸加工機(jī)床的加工程序在大多數(shù)情況下以小程序塊指定，許多用戶希望以簡便而較少的程序段來編制復(fù)雜的加工輪廓。根據(jù)這個(gè)需求，可采用5軸加工的刀具中心位置控制功能。不管刀具的方向怎么變換，刀尖的路徑以及速度都按照程序指定的路徑及速度進(jìn)行自動(dòng)控制。它除了與“直線插補(bǔ)命令”對應(yīng)外，還與“圓弧插補(bǔ)命令”對應(yīng)。程序指令格式除了“指定旋轉(zhuǎn)軸的角度的方法”外，還 有“指定刀具的傾斜度的方法”。在旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械配置和刀具軸名稱不同的機(jī)床上，也可以相同的程序進(jìn)行加工。

2) 傾斜面加工命令：在對工件上的某個(gè)傾斜面進(jìn)行鉆孔或銑槽等形狀加工時(shí)，通過指定加工面為XY平面，編程工作就會(huì)變得很簡單。傾斜面加工命令可以實(shí)現(xiàn)這種指定方式，同時(shí)，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于傾斜的加工面的方式自動(dòng)地定位刀 具。這個(gè)功能使在傾斜的加工面上的編程變得很簡單。

3) 用于5軸加工的手動(dòng)進(jìn)刀：通過手輪、JOG和增量進(jìn)給，可以輕而易舉地使刀具沿著斜面 移動(dòng)，或使刀具沿著斜面的刀具方向移動(dòng)，或者在保持刀尖位置的情況下改變刀具的移動(dòng)方向。這樣，也就減輕了操作人員對準(zhǔn)備作業(yè)的負(fù)擔(dān)。

4) 5軸加工用的刀具半徑補(bǔ)償，可以在垂直于刀具方向的補(bǔ)償平面上針對指令路徑在右/左側(cè)進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償。

由專用的處理器和最新的專用的LSI組成的PMC，對大量的順序控制進(jìn)行高速處理。

可以在1臺(tái)PMC上執(zhí)行最多3個(gè)路徑各自獨(dú)立的梯形程序。每個(gè)梯形程序具有其自身獨(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū)，因而可以進(jìn)行具有較高獨(dú)立性的模塊化程序的開發(fā)�？梢苑謩e創(chuàng)建用于裝載軸控制和外圍設(shè)備控制的梯形程序，并對其自由地進(jìn)行添加和修改。可以根據(jù)每個(gè)用戶的機(jī)床配置，簡單地進(jìn)行梯形程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的系統(tǒng)化。此外，由于不需要用于外圍設(shè)備控制的外部PLC，因而可以減低系統(tǒng)成本。

四、具有豐富的高精、高速功能

1) 納米插補(bǔ)：納米插補(bǔ)產(chǎn)生以納米為單位的指令給數(shù)字伺服控制器，使數(shù)字伺服控制器的位置指令平滑，因而也就提高了加工表面的平滑性。通過將“納米插補(bǔ)”應(yīng)用于所有插補(bǔ)，無論是銑削加工還是車削加工，均可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的高質(zhì)量加工。此外，除了伺服控制外，“納米插補(bǔ)”還可以用于Cs軸輪廓控制；剛性攻絲等主軸功能。納米插補(bǔ)的方框圖如圖2；其中HRV是“高反應(yīng)矢量”控制的意義。

2) AI納米輪廓控制功能：該功能不需要選擇專用的硬件，就可以在直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)時(shí)進(jìn)行納米插補(bǔ)。

3) AI納米高精度控制：使用高速的RISC處理器，以相應(yīng)于機(jī)床性能的最佳進(jìn)給率，在納米插補(bǔ)下進(jìn)行加工。為了使平滑的運(yùn)動(dòng)有效，可對機(jī)床的各個(gè)軸因不同慣量產(chǎn)生不同的偏差進(jìn)行分別的加速度設(shè)定；這樣可以起到以下作用：達(dá)到多程序段的平滑加減速。由判別所指令的形狀進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)給率控制；在允許的加速度范圍內(nèi)對每個(gè)軸的進(jìn)給率進(jìn)行控制；為避免產(chǎn)生軌跡的誤差進(jìn)行插補(bǔ)前的加減速。

4) 加速度控制：防止由于加工形狀的突然變化而產(chǎn)生的加速度的急劇變化，從而引起的沖擊和振動(dòng)，這個(gè)功能可以提高加工表面的質(zhì)量，減少加工時(shí)間。

5) NURBS插補(bǔ)：NURBS (Non Uniform Rational B-Spline)是一種自由曲線；當(dāng)采用CAD設(shè)計(jì)模具時(shí)，NURBS被廣泛地用來表示自由曲線。NGC系列的16i和30i支持對NURBS曲線的編程。對于模具所需要復(fù)雜曲線的加工，最可行的是將定義CAD設(shè)計(jì)的自由曲線的函數(shù)指令給CNC控制系統(tǒng)。于是開發(fā)出NURBS插補(bǔ)的方法。允許用較少的程序段定義出由大量短直線段組成的程序。減輕了數(shù)據(jù)流的瓶頸。NURBS在用CAD進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，自由曲線(或自由曲面)得到了廣泛的應(yīng)用。NURBS是自由曲線(或自由曲面)的一種形式。它除了具有整個(gè)曲線平滑的特征(1次、2次可導(dǎo))外，還能表現(xiàn)出曲線和樣條曲線所不能表現(xiàn)出的如橢圓、拋物線、雙曲線那樣的二次曲線和直線。而且，由于其表示方程式為多項(xiàng)式的組合，所以具有可局部地變更曲線的性能。NURBS已經(jīng)在CAD中得到普及。NURBS使用控制點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)三個(gè)變量來表達(dá)自由曲線。如果采用該三個(gè)變量指令NC零件程序，則NC在內(nèi)部生成NURBS曲線；CNC進(jìn)行NURBS插補(bǔ)，并沿著該NURBS曲線平滑驅(qū)動(dòng)機(jī)床。使加工的工件形狀非常接近CAD設(shè)計(jì)的幾何形狀。NURBS有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于NURBS曲線近似小直線段，所以誤差很小，精度很高。

（2）與以小線段近似的曲線比較，CNC的零件程序大大縮短。不必要以高速下載零件程序到CNC系統(tǒng)，而且工件的表面非常平滑。

（3）配備64位的RISC時(shí)，段處理時(shí)間可減少。

（4）進(jìn)行高精加工時(shí)，進(jìn)給率自動(dòng)控制：在拐角自動(dòng)進(jìn)行加減速，進(jìn)給率自動(dòng)控制使之不超過機(jī)床允許的加速度率。

該系列CNC精密地按NURBS曲線插補(bǔ)，于是加工出的零件近似于CAD設(shè)計(jì)的幾何形狀。NURBS插補(bǔ)也支持5軸聯(lián)動(dòng)。

6) 納米平滑：在模具加工中，可以再現(xiàn)由CAD設(shè)計(jì)的自由曲面，實(shí)現(xiàn)“無研磨”平滑。具有自由曲面形狀的模具加工，在利用CAD/CAM系統(tǒng)創(chuàng)建加工程序的過程中，采用減小設(shè)計(jì)形狀和程序命令的容許誤差，即“公差值”，以提高加工表面的質(zhì)量的方法。但是，用程序指定的點(diǎn)由于圓整誤差而沒有處在理想的曲線上，或是由于在直線插補(bǔ)中指定了加工程序而使得曲線成為多角形等原因，導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)痕紋。“納米平滑”是以NURBS曲線從CAD/CAM系統(tǒng)的創(chuàng)建的微小線段程序中推測原來的自由曲面，以納米為單位對業(yè)已創(chuàng)建的NURBS曲線進(jìn)行插補(bǔ)的技術(shù)。因此，可以得到接近所設(shè)計(jì)的形狀的光潔的加工表面，減小手工研磨的工序。由于納米插補(bǔ)使用由CAD/CAM系統(tǒng)創(chuàng)建的微小的線段程序，因此可以繼續(xù)使用過去已用慣的程序。

7) 前瞻控制：一般的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行程序是邊輸入、邊運(yùn)算、邊執(zhí)行，當(dāng)正在執(zhí)行某段程序時(shí)，CNC就計(jì)算出下段程序的數(shù)據(jù)。如果執(zhí)行一個(gè)程序段過快，比如移動(dòng)距離短、進(jìn)給速度快的程序段，那么就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算和處理追不上運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)需要進(jìn)行緩沖。這是數(shù)控系統(tǒng)的重要功能。為了使機(jī)床連續(xù)運(yùn)行，在執(zhí)行某個(gè)程序段時(shí)，讀取另一個(gè)程序段并進(jìn)行運(yùn)算，把運(yùn)算的結(jié)果存到緩沖器中。這樣，運(yùn)行的程序完成以后，下個(gè)程序段可以立刻進(jìn)行。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用在高速加工時(shí)，進(jìn)給率大大提高，因此由于加速度、減速度產(chǎn)生的延遲和伺服產(chǎn)生的延遲引起的誤差也大大增加。如果在不同的加工形狀時(shí)對進(jìn)給率和加減速進(jìn)行預(yù)計(jì)算，使得數(shù)控系統(tǒng)在程序編制以后，執(zhí)行以前，預(yù)先計(jì)算出各程序段的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度；即對將要運(yùn)行的程序進(jìn)行預(yù)先處理，根據(jù)上面提到的控制進(jìn)給率和加、減速度方法，預(yù)先計(jì)算出一些程序段的進(jìn)給率和加、減速度，進(jìn)而計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的幾何軌跡，然后送到多段緩沖器，當(dāng)運(yùn)行時(shí)刀具按一定的速度高速運(yùn)動(dòng)，而加工形狀的誤差卻仍然小。這就是“前瞻控制”（“l(fā)ookahead”）。執(zhí)行這種控制，根據(jù)控制的程序段數(shù)，需要以下的控制相配合：

(1)預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)前加減速控制（包括伺服控制中的“預(yù)先前饋控制”）；

(2)多段緩沖器：由于增加了多段緩沖器，就可以避免連續(xù)很小程序段加工產(chǎn)生的中斷；

(3)在加工圓弧時(shí)，可以箝制進(jìn)給率；

(4)補(bǔ)后直線加減速；

(5)RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))控制：如果需要預(yù)計(jì)算的程序段很多，比如高速加工需要進(jìn)行多達(dá)幾十段甚至幾百段的程序預(yù)計(jì)算，這是非常復(fù)雜的。對于一般CNC而言，系統(tǒng)并沒有這個(gè)處理能力。為了提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，采用了RISC芯片控制。NGC系列的前瞻控制段數(shù)據(jù)如表4所示。

五、高速、大容量、多通道的PMC

30i系列由專用的處理器和最新的專用LSI組成的PMC，對大量的順序控制進(jìn)行高速處理�？梢栽谝慌_(tái)PMC上執(zhí)行最多3個(gè)通道、各自獨(dú)立的梯形程序。每個(gè)梯形程序?qū)��?yīng)其自身獨(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū)，因而可以進(jìn)行具有較高獨(dú)立性的模塊化、程序化的開發(fā)。可以分別創(chuàng)建用于裝載軸控制和外圍設(shè)備控制的梯形程序，并對其自由地進(jìn)行添加和修改�？梢愿鶕�(jù)每個(gè)用戶的機(jī)床配置，簡單地進(jìn)行梯形程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的系統(tǒng)化。此外，由于不需要用于外圍設(shè)備控制的外部PLC，因而可以降低系統(tǒng)的成本。

由PMC管理的各類I/O與FANUC的I/O LINK串行連接。FANUC I/OLINK除了連接通用的I/O外，還可以連接機(jī)床操作面板、用于外圍設(shè)備控制的β伺服放大器、便攜式機(jī)床操作面板。

六、伺服HRV（High Response Vector）控制

FANUC的伺服HRV控制是實(shí)現(xiàn)納米CNC系統(tǒng)的高速、高精度的伺服控制。目前已發(fā)展和實(shí)現(xiàn)了HRV4控制。這種控制具有以下的特點(diǎn)：1.作為伺服的位置指令，總是使用以納米為單位的命令；2.標(biāo)準(zhǔn)安裝具有1600萬/rev分辨率的ai脈沖編碼器作為檢測器；3.采用超高速的伺服控制處理器，可以在最高速下實(shí)現(xiàn)周期時(shí)間為31.25μs的電流控制和周期時(shí)間為250μs的速度控制；4.利用共振跟蹤型HRV過濾器來避免機(jī)械共振，同時(shí)通過畸變預(yù)測控制來降低機(jī)床的振動(dòng)。通過以上功能的組合，進(jìn)行納米級(jí)別的控制，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的機(jī)械加工。

采用HRV4控制，可以大幅提高對命令的響應(yīng)性和抑制外部干擾。電流的控制是所有伺服控制的基礎(chǔ)，HRV4可實(shí)現(xiàn)最高超過1kHz的高頻響應(yīng)特性。它還可以實(shí)現(xiàn)增益更高的速度控制。

主軸HRV控制可實(shí)現(xiàn)主軸的高響應(yīng)性和高精度；主軸HRV4的控制具有以下特點(diǎn)：1.在位置控制方式下與納米插補(bǔ)相應(yīng)，與進(jìn)給軸一樣，在主軸上也實(shí)現(xiàn)了納米CNC系統(tǒng)；2.通過利用繞組溫度信息的最佳電流相位控制，降低電機(jī)的發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)不受溫度影響的恒定輸出。通過主軸HRV控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的高精度、高響應(yīng)和高效率。

七、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能

利用豐富的網(wǎng)絡(luò)功能和軟件，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞和共亨信息，管理系統(tǒng)和使用系統(tǒng)。利用以太網(wǎng)與工廠的網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成FA（工廠自動(dòng)化）系統(tǒng)、也可以從工廠外部進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；將CNC與PC機(jī)連接起來，即可觀察NC程序的傳輸和機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，又可以實(shí)時(shí)集中監(jiān)控加工現(xiàn)場的作業(yè)。另外，通過將CNC連接到工廠的網(wǎng)絡(luò)，即可將管理部門和加工工廠連接起來。這樣，就可以通過生產(chǎn)指令和實(shí)際加工數(shù)據(jù)對整個(gè)工廠進(jìn)行管理，從而提高生產(chǎn)效率。此外，也從工廠外的管理部門和家庭連接因特網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在顯示器旁插入PCMCIA卡，可以簡單地與計(jì)算機(jī)連接起來，進(jìn)行機(jī)床的調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)支持下列的現(xiàn)場總線：1.FL-net；2.PROFIBUS-DP，實(shí)現(xiàn)基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的12Mbps 的高速傳輸；3.Devic