数控技术的现状、发展趋势 The Current Situation, Developing Trends of NC Technology 摘要 数控技术对传统机械制造业的渗透产生了机电一体化产品:数控机床。本文介绍当前国内外NC 技术的现状,包括开放体系结构的采用、高精高速高效功能的提高、软件数字伺服技术以及网络 系统的发展等。然后介绍NC技术在集成化、网络化、智能化及数字化等的发展趋势。为了把我 国NC产业搞上去,本文提出发展NC产业要注重系统配套、可靠性、重视创新和加强服务的 些对策。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品: 其技术范围复盖很多领域:(1)机械制造技术;(2)信息处理、加工、传输技术:(3)自动控制技术 (4)伺服驱动技术:(5)传感器技术:(6)软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透,完全改 变了制造业。制造业不但成为工业化的象征,而且由于信息技术的渗透,使制造业犹如朝阳产业 具有广阔的发展天地 ,数控技术国内外现状 1开放结构的发展 数控技术从发明到现在,已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段:电 子管数控,晶体管数控,中小规模IC数控,小型计算机数控,微处理器数控:从体系结构的发 展,可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统,后者也 称为软数控系统:从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系 统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器,延长和扩展人 的手脚功能:当出现数控系统以后,制造厂家逐渐希望数控系统能部分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数控系统,同时也 希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台,通 过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床 制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前,开放系统有两 种基本结构:(1)CNC+PC主板:把一块PC主板插入传统的CNC机器中,PC板主要运彳“F实 时控制,CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板:把运动控制板插入 PC机的标准插槽中作实时控制用,而PC机主要作非实时控制。开放结构在90年代初形成:对 于许多熟悉计算机应用的系统厂家,往往采用第(2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数 控系统最主要的性能是可靠性,象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数控系统: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 结构的数控系统。为了增加开放性,主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案,即在不变化原系 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150/160/180/210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
数控技术的现状、发展趋势 The Current Situation, Developing Trends of NC Technology 摘要 数控技术对传统机械制造业的渗透产生了机电一体化产品：数控机床。本文介绍当前国内外 NC 技术的现状，包括开放体系结构的采用、高精高速高效功能的提高、软件数字伺服技术以及网络 系统的发展等。然后介绍 NC 技术在集成化、网络化、智能化及数字化等的发展趋势。为了把我 国 NC 产业搞上去，本文提出发展 NC 产业要注重系统配套、可靠性、重视创新和加强服务的一 些对策。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品； 其技术范围复盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术：(3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术；(5)传感器技术：(6)软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改 变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业 具有广阔的发展天地。 一，数控技术国内外现状： 1 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电 子管数控，晶体管数控，中小规模 IC 数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发 展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 CNC 数控系统，后者也 称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系 统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人 的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分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数控系统， 同时也 希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通 过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床 制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两 种基本结构：(1)CNC+PC 主板：把一块 PC 主板插入传统的 CNC 机器中，PC 板主要运彳¨F 实 时控制，CNC 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入 PC 机的标准插槽中作实时控制用，而 PC 机主要作非实时控制。开放结构在 90 年代初形成；对 于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数 控系统最主要的性能是可靠性，象 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数控系统：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 结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案，即在不变化原系 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 150/160／180／210 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
2软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说,采用计算机控制,控制算法采用软件的伺 服装置称为软件伺服″。它有以下优点:(1)无温漂,稳定性好。(2)基于数值计算,精度高。(3) 通过参数对设定,调整减少。(4)容易做成ASIC电路。70年代,美国 GATTYS公司发明了直流 力矩伺服电机,从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电 机存在以下缺点:(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制:(2)换向器、电刷维护不方便。 交流异步电机虽然价格便宜、结构简单,但早期由於控制性能差,所以很长时间没有在数控系统 上得到应用。随着电力电子技术的发展,1971年,德国西门子的 Blaschke发明了交流异步机的 矢量控制法;1980年,德国人 Leonhard为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取 得进展,使矢量控制实用化。从70年代末,数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如 果把直流电机进行ν里翻外〃的处理,即把电驱绕组装在定子,转子为永磁部分,由转子轴上的编 码器测出磁极位置,这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从80年代开始, 逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度,90年代,许多公司 又研制了直线电机。它由两个非接触元件组成,即磁板和线卷滑座:电磁力直接作用于移动的元 件而无需机楲连接,没有机械滞后或螺距周期误差,精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承, 由全数字伺服驱动,刚性高,频响好,因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大,发热,漏 磁及造价也影响了它的广一泛应用。对现代数控系统,伺服技术取得的最大突破可以归结为:交 流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突 破的结果产生了交流数字驱动系统,应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术 及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展,软件运算及处理能力的提高,特别是DSP的 应用,使系统的计算速度大大提高,采样时间大大减少。这些技术的突破,使伺服系统性能改善 可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 3CNC系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信:网络的主要任务是 进行通信,共享信息。这种通信通常分三级:(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元 控制级。一般由DNC功能进行控制。通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传或F 传:读、写CNC的数据:PLC数据的传送;存贮器操作控制:系统状态采集和远程控制等。更 高档次的DNC还可以对CAD/ CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理。CNC与通信网 络连系在一起还可以传递维修数据,使用户与NC生产厂直接通信:进而,把制造厂家连系一起, 构成虚拟制造网络。(3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设 备单机及工/0控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采 集、存储、统计等功能,保证现场设备高质量完成生产任务,并将现场设备生产运行数据信息传 送到工厂管理层,向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执 行之。因此,现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。传统的现场级大多是基于 PLC的分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一,即一个I0点对设 备的一个测控点。所谓工/0接线方式为传递420ma(模拟量信息)或24Dc(开关量信息)。这 种系统的缺点是:信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证 可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用 总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此,现场总 线是面向:f厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为:它是数控 系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代4-20ma模拟信号、应用现场总线技术,要求现场 设备智能化(可编程或可参数化):它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体:由于现
2 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺 服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：(1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。(3) 通过参数对设定，调整减少。(4)容易做成 ASIC 电路。70 年代，美国 GATTYS 公司发明了直流 力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电 机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；(2)换向器、电刷维护不方便。 交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统 上得到应用。随着电力电子技术的发展，1971 年，德国西门子的 Blaschke 发明了交流异步机的 矢量控制法；1980 年，德国人 Leonhard 为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取 得进展，使矢量控制实用化。从 70 年代末，·数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如 果把直流电机进行“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编 码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从 80 年代开始， 逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度，90 年代，许多公司 又研制了直线电机。它由两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元 件而无需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承， 由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏 磁及造价也影响了它的广—泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交 流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突 破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术 及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是 DSP 的 应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、 可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 3 CNC 系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是 进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元 控制级。一般由 DNC 功能进行控制。通过 DNC 功能形成网络可以实现对零件程序的上传或·F 传：读、写 CNC 的数据： PLC 数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更 高档次的 DNC 还可以对 CAD／CAM/CAPP 以及 CNC 的程序进行传送和分级管理。CNC 与通信网 络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与 NC 生产厂直接通信：进而，把制造厂家连系一起， 构成虚拟制造网络。(3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设 备单机及工／0 控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采 集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传 送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执 行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及 CIMS 系统的基础。传统的现场级大多是基于 PLC 的分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个 I/0 点对设 备的一个测控点。所谓工／0 接线方式为传递 4—20ma(模拟量信息)或 24VDC(开关量信息)。这 种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、 可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用 总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总 线是面向：f 厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控 系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代 4—20ma 模拟信号、应用现场总线技术，要求现场 设备智能化(可编程或可参数化)：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现
场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性,因此是实现数控系统设备层信息集成的关键 技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有 Profibus DP, SERCOS,JPCN-1, Devicenet,CAN, hterbus-S, Marco等。有的公司还有自己的总线 比如 FANUC的FSSB,工/ OLINK(相当于JPCN-1), YASKAW^的 MOTIONLINK等。目前比较 活跃的是Prof主 bus-DP,为了允许更快的数据传送速度,它由0S工的七层结构省去3-7层构 戊。西门子最新推出802D的伺服控制就是由 Profibus-DP控制的 4功能不断发展和扩大 NC技术经过50年的发展,已经成为制造技术发展的基础。这里以 FANUC最先进的CNC控制 系统15i/150为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性,4通道、最多控制轴数为24 轴、最多联动轴数为24轴、最多可控制4个主轴的CNC系统。其快移速度与分辨率关系如下表 快速移动速度m/mn分辨率1m 100 0.01 0.001 它的技术特点反映了现代NC发展的特点 1开放性 系统可通过光纤与PC机连接,采用 Window兼容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心 并具有智能控制。特别适合於加工航空机械零件,汽车及家电的高精零件,各种模具和复杂的需 5轴加工的零件。15i/150主具有高精纳米插补功能:即使系统的没定编程单位为1um,通过 纳米插补也可提供给数字伺服以Inm为单位的指令,平滑了机床的移动量,提高了加工表面光 洁度,大大减少加工工表面的误差。当分辨率为o.oomm时,快速可达240m/min速度:系统 还具有高速高精加工的智能控制功能:(1)预计算出多程序段刀具轨迹,并进行预处理。(2)智能 控制,计及机床的机械性能,可按最佳的允许进给率和最人的允许加速度J:作,使机床的功能 得到最大的发挥。以便降低加工时间,提高效率,同时提高加工精度。(3)系统可在分辨率为1n m时工作,适用於控制超精机械 2高级复杂的功能: 15i/150可进行各种数学的插补,如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插 补。也可以进行 NURBS( Non uniform rat主ona! B spline)插补。采用 NURBS插补可以人人减 少NC程序的数据输入量,减少加工时间,特别适用模具加工。 NURBS插补不需任何硬件 3强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要,支持标准FA网络及DNC的连接。 (1)工厂干线或控制层通信网络:由PC机通过以太网控制多台15/150i组成的加工单元,可 以传送数据、参数等。(2)设备层通信网络:15()150采用I/0LINK(与日本标准JPCN-1相对
场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键 技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有 ProfibusDP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco 等。有的公司还有自己的总线， 比如 FANUC 的 FSSB，工／OLINK(相当于 JPCN—1)，YASKAW^的 MOTIONLINK 等。目前比较 活跃的是 Prof 主 bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由 0S 工的七层结构省去 3-7 层构 成。西门子最新推出 802D 的伺服控制就是由 Profibus-DP 控制的。 4 功能不断发展和扩大 NC 技术经过 50 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以 FANUC 最先进的 CNC 控制 系统 15i／150i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性，4 通道、最多控制轴数为 24 轴、最多联动轴数为 24 轴、最多可控制 4 个主轴的 CNC 系统。其快移速度与分辨率关系如下表。 快速移动速度 m／min 分辨率 L1m 240 1 100 0．1 10 0．01 l 0．001 它的技术特点反映了现代 NC 发展的特点： 1 开放性： 系统可通过光纤与 PC 机连接，采用 Window 兼容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心， 并具有智能控制。特别适合於加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件，各种模具和复杂的需 5 轴加工的零件。15i／150 主具有高精纳米插补功能；即使系统的没定编程单位为 1um，通过 纳米插补也可提供给数字伺服以 lnm 为单位的指令，平滑了机床的移动量，提高了加工表面光 洁度，大大减少加工工表面的误差。当分辨率为 o．oolmm 时，快速可达 240m/min 速度；系统 还具有高速高精加工的智能控制功能：(1)预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。(2)智能 控制，计及机床的机械性能，可按最佳的允许进给率和最人的允许加速度 J：作，使机床的功能 得到最大的发挥。以便降低加工时间，提高效率，同时提高加工精度。(3)系统可在分辨率为 1n m 时工作，适用於控制超精机械。 2 高级复杂的功能： 15i／150i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插 补。也可以进行 NURBS(Non uniform rat 主 ona!B spline)插补。采用 NURBS 插补可以人人减 少 NC 程序的数据输入量，减少加工时间，特别适用模具加工。NURBS 插补不需任何硬件。 3 强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要，支持标准 FA 网络及 DNC 的连接。 (1)工厂干线或控制层通信网络：由 PC 机通过以太网控制多台 15i／150i 组成的加工单元，可 以传送数据、参数等。(2)设备层通信网络：15㈠150i 采用 I／0 LINK(与日本标准 JPCN—1 相对
应的一种现场总线。(3)通过RS-485接口传送工/0信号:或且也可采用 Prellbus-DP(符合 欧洲1标准EN50170)以12Mbps进行高速通信。 4具有高速内装的PMC(有的厂商称为PLC,以减少加工的循环的时间: (1)梯形图和顺序程序由专用的PMC处理器控制,这种结构可进行快速大规模顺序控制。(2)基 本PMC指令执行时间为:0.085:最大步数:32,000步。(3)可以用C语言编程:32位的 C语言处理器可作为实时多任务运行:它与梯形图计算的PMC处理器并行工作。(4)可在PC机 上进行程序开发 5.先进的操作:性和维修性。(1)具有触摸面板,容易操作。(2)可采用存储卡改变输入输 、数控技术的发展趋势 1、智能化 2、网络化 3、集成化 4、微机电控制系统 、我国数控产业发展的思考 1、注重系统配套 2、注重产品的可靠性 3、提倡创新,加强服务
应的一种现场总线。（3）通过 RS—485 接口传送工／0 信号：或且也可采用 Prellbus—DP(符合 欧洲 1 标准 EN50170)以 12Mbps 进行高速通信。 4 具有高速内装的 PMC(有的厂商称为 PLC)， 以减少加工的循环的时间： (1)梯形图和顺序程序由专用的 PMC 处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。(2)基 本 PMC 指令执行时间为：0．085ps；最大步数：32，000 步。(3)可以用 C 语言编程；32 位的 C 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的 PMC 处理器并行工作。(4)可在 PC 机 上进行程序开发。 5. 先进的操作：性和维修性。(1)具有触摸面板，容易操作。(2)可采用存储卡改变输入输 二、数控技术的发展趋势 1、智能化 2、网络化 3、集成化 4、微机电控制系统 5、数字化 三、我国数控产业发展的思考 1、注重系统配套 2、注重产品的可靠性 3、提倡创新，加强服务