CNC控制器的发展趋势

    摘要：数控机床是现代加工车间最重要的装备。本文概述数控机床控制器的发展趋势。随着信息技术(1T)和制造技术(MT)的发展，出现了更多功能、更高性能的控制器，诸如多坐标、多系统(通道)的控制；具有高精、高速、5轴加工功能和复杂加工、数控复合机床、进网通信、高可靠性和安全性等功能。为了增加操作和使用系统的可操作性和可移植性，控制器开放已经成为潮流。数字制造要求数控系统建立在一个全新的信息技术基础结构之上，容易利用网络传递加工制造信息，进行CAD／CAM与CNC一体化的加工制造。这就出现了STEP—NC新型的数控系统。

    关键词：数控，发展趋势，功能，性能，开放性，STEP—NC

    数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。最近20年来，信息技术的急剧发展大大激发和增加了制造系统的上层智能功能；下一个20年，智能将延伸到工厂的车间底层，控制器将具有更高性能和更多功能；由于控制器的柔性，单台机床将变得更加灵活和精巧；可以广泛地进行通信；方便地进行集成和重构；对过程进行测量，预示结果，诊断故障，避免事故；并按照科学的模式进行加工，达到最佳的生产效率。下面是一些关于控制器最新的发展情况。

1.CNC控制器的性能进一步提高、具有更多功能

1．1多坐标、多系统控制 

    比如FANUC最新的高档控制器11S30i—MODEL A系统，最大控制系统数为10个系统(通道)，最多轴数和最大主轴配置数为40轴，其中进给轴32轴，主轴为8轴，最大同时控制轴数为24轴／系统。最大PMC系统为3个系统。最大I／O点数为4096点／4096点，PMC基本命令速度为25ns。最大可预读程序段：1000段。这是当前世界配置最高的数控系统。由于具有多轴多系统配置，因此特别适合大型自动机床，复合机床，多头机床等的需要。

1．2高精、高速加工功能 

    这是CNC系统最重要的功能，由于有了这个功能，使制造技术(MT)大大地向前发展了。数控机床采用计算机控制，可以保证加工的零件具有很高的精度重复性。但为了得到一定的功能，输入控制器的信号要经过一系列处理，不可避免地要失真、延时。因此在高速加工时，要保持高的加工精度就要采取一定的措施减少失真、延时。高精、高速的加工，除了机械设计和制造要保证能实现目标外，对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高。采用前馈控制，以补偿由于伺服滞后所产生的误差，提高加工精度。适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少加减速滞后所产生的误差。“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算、处理和多段缓冲，从而控制刀具按高速运动，而且误差很小。对于机床平滑运行的高精度轮廓控制，采用对指令形式的实时识别，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工总是保持在最佳状态。为了防止扰动，开发数字滤波器的技术，以消除机械的谐振，提高伺服系统的位置增益。高精进给和主轴的伺服系统对高速、高精和高效十分重要。目前主要从以下几方面提高其性能。减少电机和驱动器以及控制单元的大小，提高编码器的分辨率；直线移动轴可以来用直线伺服电机驱动；减少机械传动链，提高刚度，提高精度。当主轴电机采用同步电机时，它非常适用于齿轮机床的系统，齿轮机床有时需要很低的主轴速度，但精度很高。比如，FANUC伺服电机的设计体积小，采用高增益控制，伺服电机是无齿槽效应的电机，带有1．6xlo’脉冲／转分辨率的编码器。伺服控制采用交流数字伺服控制，具有很高电流检测精度，采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统检测分辨率为1岭m时，插补分辨率可以达到1nm；它使在CNC内部的计算误差最小化，每次内部计算以纳米或更小的单位，大大提高了加工的质量。对于控制直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振特性，联合这些功能，机床刀具的运动就可以准确地按照着指令执行。对于加工具有自由曲面的模具，会在程序段之间出现条纹，为了解决这个问题，FANUC开发了“纳米平滑”功能，圆整CNC指令的公差，以“纳米”为单位评估原始曲线，并对其进行NURBS插补。这些性能满足了机床“高速高精”以及“低速高精”的要求。

1．3 5轴加工和复杂加工功能 

    由于5轴加工工艺合理，相对于3维曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中可以提高效率，提高光洁度。因此得到越来越广泛的应用。5轴加工的机械其配置主要有刀具旋转方式、工作台旋转方式和这两种的混合方式。因此5轴加工功能要能满足各种配置的要求。根据5轴加工的特点，把它们，比如TCP(刀具中心控制)，刀具半径补偿等功能，应用到不同机械配置的5轴加工机床。

1．4数控复台功能 

    为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势。复合加工机床是指在同一机械上可以进行多种工艺的加工，如在一台机床上可以进行车加工、铣加工、锤加工等，比如，一个圆柱体要进行圆柱表面的车削、锤子L、还要求在圆柱面上铣沟槽，这些加工都要求在同一台数控机床上完成。这样就能大大提高生产率。因此，对于数控复合机床，百先需要增加可以用于进行复合加工功能的控制系统，比如铣床需要增加螺锥线功能、螺旋线功能、3维圆弧功能、刀具中心点控制等，另外，刀具补偿功能也需要既有车加工又有铣加工的功能。除此以外，这种机床还经常需要高速加工。

1．5进网通信功能 

    为了通过PC或数控系统本身对多台机床进行集中监控和管理，系统需要通过网络进行通信。以便传递程序，监控加工状态。除此以外，网络功能还可以传送维修数据，对系统进行远程控制、操作和诊断；传送CAD／CAM数据。CNC具有现场通信网络功能，就可以在CNC与伺服装置之间，CNC与I／o控制之间传递控制、监控和诊断数据。目前主要采用以太网以及现场总线。随着技术的发展，应用无线技术也已经出现。

    无线技术可以使信息到达几乎是任何地方。

1．6高可靠性和安全性功能 

    CNC系统与数控机床一起，工作在底层车间，经受恶劣的环境，如：温度，湿度，振动，油雾，粉尘的影响，同时又要求连续工作；因此对可靠性要求特别高，除了可靠性设计、制造工艺等措施外，现代数控系统的可靠性主要采取以下措施：①采用光纤，减少电缆连接，比如FANUC的数控系统通过光纤连接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式从CNC到多个伺服放大器传递大量的数据。②采用纠错码(ECC：EnorCorrecting Code)传送数据，随着软件高速处理大量数据，也要求对微处理器、存储器和LSI的处理速度大大提高。由于这些安装在CNC的印刷板上的高速电子元器件进行高速读、写和传递数据时，由IC驱动的信号波形变为滞后，在这样的状况下，不采用模拟电路处理的方法时，导致不能正确地传递数字信号。另外，在最新电子元件低压供电时，降低了电路低抗噪音的运行范围。为此，CNC电路将采取更先进的纠错码传递数据。ECC是一种领前的高可靠性技术，通过把ECC加到数据上以传送各种不同型式的数据，使系统更可靠。②采用双检安全(Dual Check Sa缸y)措施。“双检安全”与欧洲安全标准(EN954—1)一致。它的原理是在CNC内嵌人多个处理器冗余地监控伺服电机和主轴电机以及与安全相关的I／0信号并使用急停与相关的I／0电路使系统安全地运行和停止。2 控制器的开放
当出现NC机床以后，制造厂家就希望能打开NC系统这个黑盒子，部分或全部地代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进NC系统，同时也希望它具有图形交互、诊断等功能。这就需要商用的数控系统具有友好的人机界面和提供给用户的开发平台。要求NC控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地执行自己的思想。于是产生了开放结构的数控系统。

    IEEE“开放系统技术委员会”定义“开放结构”为：“开放系统所执行的应用可以运行在多家制造者不同的平台；并可以与其他系统的应用具有互操作性，且呈现与用户交互协同(1EEElo03．0)。”也可以用下列的性能指标评估控制器的开放性。比如应用模块为AM：①移植性：在保持应用模块(AM)的功能下，不需任何变化就可以应用到不同的平台。②扩展性：不同的AM能运行在一个平台而不出现冲突。③互操作性：AM在一起工作时表现为相互协同，可以根据定义相互交换数据。④缩放性：按照用户的需要，AM的功能、性能和硬件的规模可以伸缩。

    开放结构的控制器(oAC)使控制器销售商、机床制造商和最终用户可以从柔性和敏捷生产中获得较大利益。其主要目标是在标准化环境下采用开放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。这样的系统能力被广泛接受。软件可以重复使用，用户可以按照给定的配置设计他们的控制器。

    控制系统的开放体系结构由于考虑到对实时和可靠性要求很严格，因此是高度复杂的系统。其特点是基于PC，相互链接的关键结构为系统组件和接口，系统组件由软件模块和硬件模块所组成。在开放系统中，各个组件和接口还可以在制造过程中实现增加智能的优点。对于控制的复杂性，这些系统的硬件和软件是基本的工具。控制的接口可以分成两组：内部和外部的接口。①外部接口：这些接口连接系统和监控单元以及子单元、用户。它们可以分为编程接口和通信接口。NC与PI‘C编程接口采用国家或国际标准，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通讯接口也强烈地受标准的影响。现场总线系统，如SERCOS，P凹肋us或Device Net用作驱动和I／O的接口。I，AN(局网LocalArea Network)网络主要基于以太网和TCP／IP与监控系统连系的接口。②内部接口：用于组件间的互相作用和数据交换，以形成控制系统的核心。在这方面，一个重要的性能是支持实时机构。为了得到可重构和白适应的控制，控制系统的内部结构基于平台的概念。由于软件组件中无法知道专用硬件的详情，因而主要的目标是建立一个可定义的但是在软件组件间进行柔性的通讯方法。应用编程接口(APl)保证了这些需要。控制系统的全部功能被分为几个包，模块化的软件组件通过被定义的API互相作用。

    根据1999年美国机器人工业论坛的资料，当年美国机器人全部装机的系统是机器人本身价值的3—5倍，也就是如果有lo亿美元机器人的市场，等于增加20到40亿美元的附加值，如果其中25％归因于软件集成的原因引起的，再认为如果通过标准化的开发和应用，采用开放体系结构的控制器使其中降低50％；那么在采用开放控制器后，每年潜在的价值就可以节省2亿5千万到5亿美元。

    目前，开放的数控系统结构主要有3种形式：①基于PC的CNC系统，这种系统以PC机为平台，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电机的运动。这类系统有时也称为Soft NC，这样的系统容易做到全方位开放。②PC嵌入式：这种系统的基本结构为：CNC十PC主板，即把一块CNC板插入传统的PC机器中，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制，或且CNC作为数控功能运行，而PC板作为用户的人机接口平台。③PC十CNC：目前主流NC系统生产厂家认为NC系统最主要的性能是可靠性，像PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的NC系统；体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的NC系统。为了增加开放性，主流NC系统生产厂家往往在不变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能，比较典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。

    3STEP-NC它基于STEP，并把STEP扩展到NC，形成“STEP—NC”。开发和推广这个标准的首要目的是实现不同的CAx系统通过标准的个性文件来进行数据交换。当前，企业之间的专业分工趋向越来越明显。一个汽车总装厂往往有好几百个零部件供应商，这些企业可能采用不同的CAD系统，数据交换的工作量非常大。采用CAD系统之间点对点的交换方式是不可取的。只有通过一种统计表的方式来表达数据，统计表的文件格式来输入和输出数据才有可能实现大量的数据交换。STEP体系结构可归纳为采用ExPRESS的语言(ExPRESS是一种信息建模语言)，具有三层结构(应用层、逻辑层、物理层)。也可以认为STEP的核心是一个工程定义的数据库，这些定义可以组成不同的应用协议，引1用于各产业需要的产品模块。数据库包括几何、拓扑、公差、关系、属性、装配、配置和其他的特性。而新的产品模块在需要增加时可以不断加入。

   “CNC控制器的数据模型”(以下称STEP—NC)是NC的数据从CAM到CNC的数据模型，它解决现行的NC程序缺乏通用性及移植性的问题。使“STEP—NC”产品模型数据用作直接机床的输人已经发展成具有实际的意义。这种“STEP—NC”是无G和M代码，无后置处理的NC。ISol4649标准的目标为：(1)改进CAD／CAM系统与CNC控制器间的联接；保证“STEP—NC”能在CAD／CAM之间传递数据。不是采用刀具的运动，而是采用工作步骤面向对象的概念，以改进IS06893的缺点。工作步骤相应于高级特征和过程的参数。CNC可以对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。(2)数据模块必须包括所有的复杂级别(从加工时指令的CAD几何数据到带离散值的简单轴运动)。(3)NC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上，但是它也可能放在分离的支持和改进现有NC控制器的高级系统上(包括各种网络)。(4)对于NC程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编程定义和相关控制和几何过程的修正。(5)新标准允许MTB的操作者由于他的专用机床和技术而执行专门的功能。(6)对于最终用户新的标准提供统一的编程，更快、更廉价的程序准备和由于统一的编程格式导致的低成本。(7)较少的后置处理而且更标准化。在NC编程级，CAD／CAM系统和NC系统之间的数据交换将更方便。