机床数控系统的新趋势

2　主流数控系统的技术特点
　　目前在中高端数控系统市场中占主导地位的是日本发那科（FANUC）和德国西门子（Siemens）公司的产品，还有一些各具特色的数控系统产品，如德国的海德汉（Heidenhain）公司的iTNC、博世力士乐（Bosch Rexroth）公司的IndraMotion MTX、安德龙（Ａｎｄｒｏｎ）公司的Ａｎｄｒｏｎ，　日本三菱公司的M700V等。上述系统反映数控技术发展趋势的共同点如下：
　　（1）高精度纳米插补及运动控制。由于高速高精度数控加工对轨迹精度和表面质量的要求，使得传统数控系统以微米为最小控制单位进行插补和运动控制的方法已经不能满足要求。西门子828D采用80位浮点计算精度进行插补运算，发那科30i和三菱M700V等系统都实现了纳米插补功能，Ａｎｄｒｏｎic 3060甚至精化到皮米。
　　纳米插补不仅仅是一个轨迹计算精度的问题，它涉及到前瞻平滑处理、插补位控周期和伺服系统动态响应及精度的问题。例如，不同插补精度对输出电流和加速度的影响如图3所示。应该指出，角度编码器至少要达到每转百万线以上，插补位控周期至少要100 μs级才能实现纳米级控制的所期望的效果。
　　（2）网络化全数字系统体系结构。随着基于总线技术的伺服驱动和I/O技术的不断发展，在采用64位微处理器的基础上，使传统的伺服系统与控制核心之间的模拟指令接口逐渐被淘汰，取而代之的是各种实时总线。例如，一些厂家采用专用总线，如FANUC的FSSB、西门子的Drive-CLiQ，海德汉的实时以太网HSCI以及意大利FIDIA的FFB总线，专用总线可使数控核心技术相对封闭。有些公司系统则采用标准的驱动总线，如博世力士乐采用SERCOS，三菱公司采用CC-LINK以及实时以太网EtherCAT。
总线技术提高了数控系统的运算能力和柔性，并且将Soft PLC和安全协议整合在一起，简化了数控系统部件之间的连接，提高了可靠性，是实现机床多通道多轴联动复杂控制的技术保障。如西门子840D可扩展到控制31轴、10个通道以及10个方式组（即不同的工作模式集合，如手动方式和自动方式就属于不同的方式组）。

图3　插补精度对输出电流和加速度的影响

　　（3）高效曲面加工。在普遍采用前瞻技术，对加工速度、加速度和加加速度进行优化控制的同时，针对曲面加工采用NURBS等样条插补。例如，西门子采用“精优曲面”技术，不但提高了曲面加工质量而且缩短了加工时间，FANUC采用纳米平滑技术，海德汉通过定义加工时间、精度和粗糙度的不同优先策略来实现高效的曲面加工。高效曲面加工借助样条插补实现连续的运动控制、不频繁改变运动方向，避免了不必要的加速和制动过程，从而具有明显的节能效果。在加工图4所示的模具复杂曲面时甚至可节能60％。
　　（4）简便的编程与丰富的人机界面。由于采用了开放性的策略大大地增强了数控系统人机界面功能，给用户提供了二次开发的可能性。图形化的编程降低了数控编程的难度。用户可以在图形和动画的引导下方便地进行程序编制，如西门子的ShopMill/ ShopTurn工步式编程。有些系统甚至可以直接导入CAD模型进行CAM辅助编程。此外，三维加工仿真功能提高了编程的质量以及对现场加工的监控。

　

图4　高效曲面加工

　　（5）快速简便匹配和调试能力。数控机床种类繁多，同一类型甚至型号相同的机床也由于各种原因造成与其所配的数控系统采用不同的配置参数才能使机床的性能得到优化。西门子采用Easy Extend、Easy Archive等Easy—XX的策略，在机床的配置、使用和维护中提供简便辅助甚至智能化的功能，提高和完善对机床的配置、使用及维护。