机床数控系统的新趋势

1　开放的体系结构
　　随着机床性能的提高、电子技术的迅速发展以及加工零件形状日益复杂，机床数控系统中硬件、软件和客户化应用所占的价格比例在不断变化，特别是高档数控系统的软件和客户化应用占有的比例越来越高，甚至超过了75％。
　　客户化应用是针对特定机床和用户的控制、支持和管理功能，这就要求数控系统对机床制造商和最终用户开放。开放式控制系统以标准化的软硬件体系结构、便于扩展、联网和开发客户化应用软件来适应这种潮流。
　　近年来，数控系统开放的理念得到了广泛的认同，拓宽了数控系统的应用范围。例如，通过对主轴功率和电流、借助机床振动和声频等检测方法，实现对加工过程的智能化控制，大大地推动了高端数控装备的发展。
　　数控系统的开放性主要从以下4个方面来加以评价：①可移植性；②可剪裁性；③互操作性；④易获得性。数控系统的开放程度具体表现在人机界面、控制核心和整个系统的开放性，有下列3种不同形式：
　　（1）开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，即仅能对面向用户的程序作修改。
　　（2）控制系统核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。
　　（3）开放式控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。
　　目前数控系统的开放性皆以PC架构为基础，有3种实现方案，如图1所示。

图1　不同开放式系统的实现方案

　　方案1：集中式结构。采用多CPU结构，通过总线将这些CPU系统连接在一起，结构紧凑。
　　人机界面CPU以PC平台构建，以体现其开放性。控制核心或PLC可采用不同的CPU系统，但集成在一个机壳中，通过数字化总线和伺服系统及I/O通信。这种结构仅实现人机界面的开放，硬件系统仍取决于数控系统供应商。典型产品如西门子828D、Fanuc 30i和德龙的Antronic3060（图2）。

图2　Ａｎｄｒｏｎic 3060系统的框图人

　　方案2：分离式结构。人机界面和实时控制功能分别由独立的系统承担。人机界面在PC硬件平台及Windows或Linux操作系统下开发，相当于一个独立完整的PC机，在数控机床上安装配置方便、对环境的要求低，通过总线和数控核心控制器进行通信。控制核心硬件系统和伺服控制系统设计成模块化结构，安装在机床控制柜中，提高了数控系统的抗干扰能力和可靠性。这种结构实现了开放的人机界面和部分控制系统核心的开放，被大多数数控系统所采用。如西门子840D、海德汉iTNC、开通数控、海纳克数控等。
　　方案3：全软件式结构。以PC平台为基础，仅增加总线通信卡（或采用标准以太网物理结构实现实时以太网）和伺服系统及I/O通讯，软件在通用的Windows或Linux系统上加入实时操作系统内核后开发实现，从而可实现体系结构的全开放。典型产品如德国Power Automation的PA8000、飞阳数控、华中数控等。一些采用PC加运动控制卡开发的专用数控系统也可划归为这种类型。