為了在越來越激烈的全球巿場競爭中立于不敗之地，各工業(yè)發(fā)達國家均投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，并相繼提出了多種全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、數(shù)字制造、網(wǎng)絡(luò)制造等，其目標不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的適應(yīng)性和降低生產(chǎn)成本。 
     數(shù)控機床(系統(tǒng))作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)單元，其功能的強弱和性能的好壞決定著上述制造模式的成敗。為適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革。在體系結(jié)構(gòu)方面，數(shù)控系統(tǒng)已基本上實現(xiàn)由專用型封閉式結(jié)構(gòu)模式向通用型開放式結(jié)構(gòu)模式的轉(zhuǎn)型，并向基于PC的全數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)發(fā)展；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)可方便地與CAD/CAM集成為一體，數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)運行，使得車間網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、維護與管理變成了現(xiàn)實；在數(shù)控系統(tǒng)的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力、提高反饋和控制環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分辨率等，獲得了不錯的效果；在智能化控制方面，通過采樣加工過程中影響產(chǎn)品加工質(zhì)量的外部變量，實現(xiàn)了加工參數(shù)的自動修正、調(diào)節(jié)與補償，有效提高了CNC的工作效率。 本文結(jié)合近兩年來作者所在國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心和武漢華中數(shù)控股份有限公司參觀漢諾威EMO2005和芝加哥IMTS2006的觀感，以及我們長期以來對數(shù)控技術(shù)發(fā)展動態(tài)的關(guān)注，對上述數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨向作一探討。

一、數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向基于PC的全數(shù)字化開放體系結(jié)構(gòu)方向發(fā)展

1. 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)已得到廣泛認可，具有強大的生命力
   
   從兩次機床展上可以看到，著名廠商的高檔數(shù)控系統(tǒng)都以基于PC的開放數(shù)控系統(tǒng)為主流。
   
   SINUMERIK 840Di sl是基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)[MMC(人機通信)軟件系統(tǒng)、NC(數(shù)字控制)軟件系統(tǒng)、PLC(可編程邏輯控制)軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動接口軟件]中的MMC軟件系統(tǒng)采用Windows NT或XP操作系統(tǒng)。機床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技術(shù)改變?nèi)藱C界面(HMI)。其開放式系統(tǒng)理念的一個重要特點是，可以在數(shù)控核心部分，使用標準的開發(fā)工具對用戶指定的系統(tǒng)循環(huán)和功能宏進行調(diào)整。
   
   FANUC 16i/18i/21i/30i系列是具有網(wǎng)絡(luò)功能的超小型、超薄型高檔CNC系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)采用CNC內(nèi)建PC型式，NC卡完成高實時性要求的數(shù)控運算和PLC控制功能，PC完成操作界面、編程、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)等相對弱實時性要求功能。操作系統(tǒng)采用Windows 2000/XP或Windows CE。備有C語言執(zhí)行程序、嵌入式宏執(zhí)行程序等各類功能。CNC系統(tǒng)與主計算機的連接接口采用高速串行總線(HSSB)。FANUC 300i/310i/320i系列采用Windows CE作為操作系統(tǒng)，并提供動態(tài)鏈接庫函數(shù)供用戶二次開發(fā)。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   圖1 基于PC的iTNC 530系統(tǒng)

   圖2 FANUC CNC單元與伺服單元和I/O的連接

   圖3 Heidenhain以EnDae2.2協(xié)議連接編碼器和伺服

   
   
   HEIDENHAIN公司推出的最新一代TNC控制器iTNC 530采用全新的微處理器結(jié)構(gòu)，具有非常強大的計算能力，可控制12軸，控制器本身包含主機單元和控制單元兩個部分。主機單元采用Intel處理器以及AGP圖形顯示卡，并帶有各類數(shù)據(jù)通信接口(Ethernet/RS232/RS422/USB等)，是典型的基于PC的系統(tǒng)，如圖1所示。
   
   FAGOR公司最高檔數(shù)控系統(tǒng)CNC8070是CNC技術(shù)與PC技術(shù)的結(jié)晶，是與PC兼容的數(shù)控系統(tǒng)，采用Pentium CPU，可運行WINDOWS和 MS-DOS，可控制16軸+3電子手輪+2主軸，可運行VISUAL BASIC，VISUAL C⁺⁺，程序段處理時間<1ms，PLC可達1024輸入點/1024輸出點，執(zhí)行時間1ms/1k指令，具有以太網(wǎng)、CAN、SERCOS通訊接口，可選用±10V模擬量接口。
   
   能在基于PC的體系結(jié)構(gòu)上設(shè)計出世界頂級數(shù)控系統(tǒng)，說明基于PC結(jié)構(gòu)的開放數(shù)控系統(tǒng)具有很強的生命力。
   
   
2. 全數(shù)字化是未來數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢
   
   全數(shù)字化不僅包括數(shù)控單元到伺服接口以及伺服系統(tǒng)內(nèi)部是數(shù)字的，而且還應(yīng)該包括測量單元的數(shù)字化。因此，現(xiàn)場總線、編碼器到伺服的數(shù)字化接口、驅(qū)動單元內(nèi)部三環(huán)(位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán))數(shù)字化，是數(shù)控系統(tǒng)全數(shù)字化的重要標志。
   

   
   
   • 編碼器到伺服的接口數(shù)字化也必將獲得發(fā)展
     
     編碼器到伺服驅(qū)動的數(shù)字化接口雖然只在Heidenhain的系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，但作為全數(shù)字化數(shù)控系統(tǒng)的必要構(gòu)成環(huán)節(jié)，未來將獲得更多發(fā)展。圖3所示為Heidenhain通過EnDae2.2協(xié)議連接的編碼器和伺服驅(qū)動。
     
     
   • 驅(qū)動單元三環(huán)全數(shù)字化是全數(shù)字化的重要內(nèi)容
     
     三環(huán)(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))數(shù)字化是全數(shù)字化的重要內(nèi)容。HEIDENHAIN iTNC 530控制單元最新的設(shè)計中集成了控制系統(tǒng)所有伺服控制回路(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))，所有伺服計算都在DSP(數(shù)字信號處理器)中完成。測量組件的反饋均集成在控制單元上，包含位置反饋和速度反饋。
   
   
3. 多通道軟件體系結(jié)構(gòu)是適應(yīng)整合數(shù)控機床的不二選擇
   
   針對制造業(yè)對整合數(shù)控機床(即融合工業(yè)機器人、影像處理系統(tǒng)和精密物料搬運各項功能的機械，不僅能完成通常的加工功能，而且還具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動誤差補償、自動診斷和聯(lián)網(wǎng)等功能)的巿場需求，各著名數(shù)控系統(tǒng)廠紛紛將多軸(包括多主軸)多通道控制、軸同步控制、軸疊加控制、軸混合控制、信道協(xié)同等功能列為新的研究點。同步控制可以令不同通道的運動軸按照某種時序關(guān)系或某種條件達到同步，混合控制可讓一個軸的混合命令在各通道之間進行交換，閥加控制能把一個軸的移動命令疊加到屬于另一通道的另一個軸上去。
   
   如Fanuc 30i系統(tǒng)，具有10通道，八根主軸，可控進給軸數(shù)達32根，可聯(lián)動控制進給軸數(shù)達24個，能同時運行十個獨立的數(shù)控加工程序，具有軸同步、混合、疊加控制等功能。基于此系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC公司推出了四個搬運機器人、一套天車輸送線、外加兩部六腿切削加工機器人的整合加工系統(tǒng)。整個系統(tǒng)動作協(xié)調(diào)、有序，銜接順暢，體現(xiàn)了典型的多通道數(shù)控系統(tǒng)的特徵。
   

   二、網(wǎng)絡(luò)化功能已從單一的數(shù)據(jù)傳輸向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護與管理方向發(fā)展

   
   

   
   
   1. 以太網(wǎng)接口已成為數(shù)控系統(tǒng)與外部計算機聯(lián)網(wǎng)通訊的主要選擇，零件程序等數(shù)據(jù)文件的快速網(wǎng)絡(luò)傳輸已成為數(shù)控系統(tǒng)的基本功能
      
      著名系統(tǒng)廠的數(shù)控系統(tǒng)均具備強大的網(wǎng)絡(luò)功能，并將以太網(wǎng)接口作為數(shù)控系統(tǒng)的基本配置或選擇配置，實現(xiàn)與外部計算機的聯(lián)網(wǎng)通訊。
      
      SIEMENS 840D采用SINDNC軟件模塊可將SINUMERIK系統(tǒng)快速、簡單和經(jīng)濟地添加到標準的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，并與Windows PC和UNIX工作站之間建立穩(wěn)定的連接，還可以使用標準CF卡進行程序與數(shù)據(jù)的傳輸。集成的以太網(wǎng)功能保證了數(shù)控系統(tǒng)文檔與計算機之間的快速傳輸，其滿量程的傳輸速率是標準串行口的100倍。
      
      FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC系統(tǒng)與企業(yè)主計算機之間的接口協(xié)議采用DNC1或DNC2。DNC1是FANUC自行開發(fā)的實現(xiàn)CNC與主計算機之間傳送數(shù)據(jù)信息的一種通訊協(xié)議及通訊指令庫，一臺計算機可連16臺CNC機床。DNC2功能與DNC1基本相同，但通訊協(xié)議不同，用的是歐洲常用的LSV2協(xié)議，一臺計算機可連8臺CNC機床，通訊速率最快為19Kb/秒。此外，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)還提供了兩種以太網(wǎng)口：PCMCIA卡和內(nèi)埋的以太網(wǎng)板。PCMCIA局域網(wǎng)卡可臨時插入顯示裝置側(cè)的插槽，用于連接PC機，傳送數(shù)據(jù)，調(diào)整機床參數(shù)或作一些維護，用完后即可拔下；高速以太網(wǎng)板(100 Mbps)是裝在CNC系統(tǒng)內(nèi)部的，因此可長期與主機連結(jié)，用于傳輸零件程序和檢查機床工作狀態(tài)。
      
      HEIDENHAIN iTNC530所配備的“高速以太網(wǎng)”通訊接口能以100Mbit/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)。
      
      Rexroth公司的數(shù)控系統(tǒng)在各個層面上采用通用通訊機制：外部計算機級，基于工業(yè)PC的開放式體系結(jié)構(gòu)，提供了簡單有效的外圍計算機通訊方法，如以太網(wǎng)TCP/IP，OPC以及COM/DCOM的Windows訪問機制；HMI級基于Windows XP或Windows CE.NET等操作系統(tǒng)，使用如Microsoft network等標準網(wǎng)絡(luò)，輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；I/O級使用諸如PROFIBUS-DP或DeviceNet等世界通用標準，連接傳感器等I/O設(shè)備；驅(qū)動級使用諸如SERCOS等國際標準接口，以獲得高的動態(tài)特性和精度。
      
      
      
      
      
      

      圖4 FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC的網(wǎng)絡(luò)接口

      圖5 FANUC CNC的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護與管理

      
      
   2. 加工過程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控允許對整個工廠進行網(wǎng)絡(luò)管理，遠程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使系統(tǒng)廠和用戶雙雙受益
      
      數(shù)控系統(tǒng)有了網(wǎng)絡(luò)功能后，可方便實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護與管理。
      
      SIEMENS基于internet的“ePS”(電子產(chǎn)品服務(wù))軟件方案，可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問Sinumerik 810D/840D/840Di控制系統(tǒng)，通過其CM(Condition Monitoring——狀態(tài)監(jiān)控)系統(tǒng)在線連續(xù)監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的軸狀態(tài)、PLC狀態(tài)等，并評估機床狀況、分析相關(guān)的機床參數(shù)，實現(xiàn)遠程診斷、維修服務(wù)，防止早期故障引起的意外停機，減少檢修停工期，增強可靠性，提升機床有效性，提高生產(chǎn)率，降低維護費用。
      
      FANUC系統(tǒng)通過高速以太網(wǎng)板，實現(xiàn)對機床側(cè)運行狀態(tài)實時的集中監(jiān)控；通過工廠網(wǎng)絡(luò)，CNC可同時連接到機床和辦公室，這種連接允許對整個工廠進行管理，以提高生產(chǎn)率；通過互聯(lián)網(wǎng)，在工廠外或家里，亦可遠程監(jiān)控機床工作狀態(tài)；使用機床遠程診斷軟件包，機床制造商能方便地構(gòu)建遠程機床維護系統(tǒng)，不用去現(xiàn)場即可檢查故障(問題)產(chǎn)生的原因(狀況)，減少停機時間，機床制造商還可提高服務(wù)效率。FANUC通過運行于PC上CIMPLICITY i CELL軟件包，可實現(xiàn)多臺聯(lián)網(wǎng)CNC的管理。

   
   

   三、高速高精度控制是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的永恒主題

   
   

   
   
   1. 高速、高精度已成為高檔數(shù)控機床的主要特徵
      
      速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。高速、高精度數(shù)控機床是多品種、變批量加工環(huán)境下保持高效與柔性統(tǒng)一的必要工具。為此，國際知名數(shù)控機床和系統(tǒng)制造商從未停止對高速高精度控制的追求。
      
      在速度方面，目前數(shù)控機床運動的加速度已提高到2～3g，快速移動速度提高到150～200m/min。在這些高速高精度數(shù)控機床中，有一部分是利用直接驅(qū)動技術(shù)，但隨著滾珠絲杠技術(shù)的發(fā)展，大導(dǎo)程高精度的滾珠絲杠也已大量應(yīng)用到高速高精度數(shù)控機床中，實現(xiàn)了加速度1～1.5g，快速移動速度120～150m/min。為了能夠優(yōu)化金屬切削的加工過程，現(xiàn)代化的加工將越來越多地采用高性能切削(High Performance Cutting)。HPC技術(shù)不僅要求提高切削速度(即提高主軸轉(zhuǎn)速)，而且要求提高刀具的進給速度。目前生產(chǎn)效率低的問題，不單在于刀具的切削速度低，也不單在于刀具的進給速度低，而在于針對給定的材料和其它條件，如何將刀具切削速度和進給速度有機地結(jié)合起來，以實現(xiàn)高性能切削(HPC)。除了從軟的方面得到高性能切削外，人們還從硬的方面追求高速切削(HSC)，如提高刀具的切削硬度，提高機床主軸的旋轉(zhuǎn)速度，尤其是提高機床主軸在高速下的切削功率和旋轉(zhuǎn)扭矩，這些指標對生產(chǎn)過程的經(jīng)濟性也有著舉足輕重的影響，它可以使金屬切削加工更快、更好、更經(jīng)濟。
      
      在精度方面，精密數(shù)控機床的機械加工精度已從道級(0.01mm)提升到微米級(0.001mm)。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工精度可穩(wěn)定達0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。
      
      數(shù)控機床的高速、高精要求，對數(shù)控系統(tǒng)的高速高精控制算法、高速高精動態(tài)特性控制技術(shù)等提出了更高的要求。
      
      
   2. 數(shù)控系統(tǒng)高速、高精度控制的主要措施
      
      各著名數(shù)控系統(tǒng)廠商對高速高精性能的追求始終是堅持不懈的，根據(jù)自身特點，各自采取了提高高速高精性能的各種措施。
      

      
      
      • FANUC公司
        
        FANUC公司一直走在數(shù)控技術(shù)的前沿，并不斷提出新的概念來引導(dǎo)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，除納米插補，納米CNC系統(tǒng)等概念外，在高速高精方面又推出了以下較新的技術(shù)：
        

        
        
        1. HRV(高響應(yīng)矢量)4控制技術(shù)
           
           HRV4繼承并發(fā)展了HRV3的優(yōu)點，是納米數(shù)控系統(tǒng)高速高精伺服控制，并可減少電機發(fā)熱。其特點為：在任何時刻，均采用納米層次的位置指令；超高速伺服控制處理器；ai高分辨率的脈沖編碼器(16 million/rev)；防止機械振顫的HRV濾波器。
           
           
           
           
           

           圖6 HRV4可獲取更高的轉(zhuǎn)速和更小的電流

           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           

           圖7 HRV4更小的溫升

           圖8 反向間隙加速功能

           圖9 MPC功能

           圖10 不同分辨率下的脈動扭矩

           
           
        2. MTC(Machine Tip Control)
           
           為了控制機床在加工點處的振顫，F(xiàn)ANUC研究了機床頂部控制(MTC)和加速率傳感單元用于檢測加工點處的加速率。采用MTC后可明顯減小機床振顫。
           
           
        3. 反向間隙加速功能
           
           由于存在反向間隙，在高速加工時會導(dǎo)致響應(yīng)滯后，引起象限尖峰，并影響加工精度。采用反向間隙加速功能后將顯著改善象限尖峰，提高加工精度。
           
           
        4. MPC(Machining Point Control－加工點控制)
           
           采用MPC功能，可在加工點處抑止振顫，獲得更高的加工精度。
        
        
      • SIEMENS公司
        
        西門子公司對高速高精度位置控制的本質(zhì)有著精辟的理解：通過避免機床振顫來優(yōu)化工件表面的加工質(zhì)量；通過增加對加加速度控制能力，提高機床動態(tài)響應(yīng)能力；通過增加加速度提高加工速度等。
        
        
      • HEIDENHAIN公司
        
        號稱在歐洲數(shù)控系統(tǒng)銷售第一的HEIDENHAIN公司，由于多年來從事精密模具加工，對加工速度及精度的提升有著深刻、獨到的見解。HEIDENHAIN公司研究了不同分辨率的碼盤對扭矩脈動的影響，并提出了使用高分辨率的編碼器有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動的影響。另外，HEIDENHAIN還對機床運行時間和絲杠溫升變形規(guī)律進行研究。

      
      
      綜上所述，各數(shù)控系統(tǒng)廠商對高速高精度控制的理解基本上是相同的，而且對動態(tài)精度的提高非常重視，所采取的主要措施體現(xiàn)在以下方面。
      

      
      
      1. 高速下的平滑控制
         
         通過對運動速度、加速度、加加速度的優(yōu)化，減少機床振顫，使加工更加平穩(wěn)，獲得更高的加工表面質(zhì)量。如HEIDENHAIN采用高分辨率的反饋器件減小轉(zhuǎn)矩脈動，F(xiàn)ANUC 利用MPC技術(shù)減少機床振顫。
         
         
      2. 提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力
         
         提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力不僅是高速加工的前提，也是保證精度的有利措施。如FANUC采用HRV4，反向間隙加速等方式減少因響應(yīng)滯后帶來的誤差。
         
         
      3. 提高數(shù)據(jù)分辨率
         
         以納米級的分辨率參與到各個環(huán)節(jié)，如：FANUC系統(tǒng)的納米插補技術(shù)。

   
   

   四、智能化控制是提高數(shù)控加工效率的有效手段

   
   
   由于數(shù)控加工過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，為實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，數(shù)控機床應(yīng)能根據(jù)切削條件的變化，基于多信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化、智能決策，實時動態(tài)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。
   
   在芝加哥IMTS2006上，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Yusuf Altintas教授展示的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，采用現(xiàn)代測試技術(shù)檢測機床的各項運行參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，并結(jié)合CAD/CAM技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化計算，合理地將刀具參數(shù)、機床參數(shù)以及被加工材料性能參數(shù)結(jié)合起來，得到刀具軌跡和運行參數(shù)，極大地提高了切削加工的效率和刀具的使用壽命。據(jù)介紹北美幾大飛機制造企業(yè)和汽車企業(yè)應(yīng)用了他的智能切削系統(tǒng)后，平均切削效率提高了8倍，平均刀具壽命提高了20倍。
   

   五、CAD/CAM與CNC的集成已成為擴展數(shù)控系統(tǒng)功能的重要途徑

   
   
   國際主流數(shù)控系統(tǒng)廠商在研制最新數(shù)控系統(tǒng)的同時，都非常注重對CAD/CAM/CNC集成技術(shù)的開發(fā)，并明確的將圖形化、集成式的編程系統(tǒng)作為擴展數(shù)控系統(tǒng)功能、提高數(shù)控系統(tǒng)人機交互方式友好性的重要途徑。SIEMENS的Shop Turn、Shop Mill車間級集成式編程系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC公司的集成式編程系統(tǒng)，HEIDENHAIN公司的對話框式集成編程系統(tǒng)等，都已成為各公司歷次展會宣傳的重點。
   

   六、結(jié)束語

   
   
   高檔數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證國防工業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略物資，工業(yè)發(fā)達國家至今仍限制向中國出口。目前，國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化速度已經(jīng)嚴重制約了自主高端數(shù)字化裝備的研制，在航空航天、船舶、發(fā)電設(shè)備、軌道交通等所需的大型專用數(shù)控機床及工藝裝備基本依賴進口，已嚴重威脅到國民經(jīng)濟建設(shè)和國防安全，加快高檔數(shù)控系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。