摘要：現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展就是要提 高數(shù)控機床的生產(chǎn)能力。本文在研究分析世界上著名數(shù)控公司的最新產(chǎn)品和技術(shù)文獻的基礎(chǔ)上，討論 了現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向和要解決的問題 。 關(guān)鍵詞：CNC；數(shù)控機床 開放式數(shù)控系統(tǒng) Abstract：The aim of modern CNC system is to raise the productivity of CNC machine is deter mined by performance，availability and information of it．CNC technology can impact these factors via adapt openness CNC structure•advanced computer technology，fields BUS technology，math theory， servo driver technology and algorithm method． Severa1 problem of open CNC based on PC BUS are discussed finally． Key words：CNC ；CNC Machine；open CNC system 0引言 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展就是圍繞著怎么樣提高機床的生產(chǎn)能力，即提高機床的加工性能、有效性和信息獲取能力而展開研究的。下面就從這幾個方面探討一下現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)從提高系統(tǒng)的控制性能，采用新的驅(qū)動技術(shù)和采用開放性的結(jié)構(gòu)幾方面的發(fā)展和PC數(shù)控系統(tǒng)所要解決的問題。 1提高機床的性能 數(shù)控機床的性能除了受機床本身的結(jié)構(gòu)和刀具的性能影響外，數(shù)控系統(tǒng)的功能起著決定性的作用，具體有以下幾個方面： 1．1數(shù)控系統(tǒng)的控制能力數(shù)控系統(tǒng)的控制能力指系統(tǒng)的控制軸數(shù)，聯(lián)動軸數(shù)，控制分辨率，程序段預(yù)處理時間，插補時間和軟件的其它能力。 控制軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)能帶動多少個獨立的運動軸運動，它取決于系統(tǒng)的硬件控制能力和軟件處理速度較多的控制軸除了用來直接參與加工外，還可用來完成工件輸送、刀具管理等輔助加工功能。提高加工系統(tǒng)的性能和有效性指標?，F(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)大都提供了l0軸以上的控制能力。讓用戶根據(jù)需要配置。 聯(lián)動軸數(shù)指系統(tǒng)在加工的準備指令中可以同時控制的運動軸數(shù)，多的聯(lián)動軸數(shù)意味著加工系統(tǒng)可以加工各種復(fù)雜曲面。進行多維加工?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)提供了空間直線、空間圓弧、螺旋線和樣條曲線的插補算法，有的還提供了專門的曲面插補算法。顯然。這些改進大大提高了數(shù)控機床的適應(yīng)能力和加工能力。 控制分辨率取決于機械傳動系統(tǒng)、位移檢測系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的位移檢測電路頻率上限和數(shù)學(xué)處理能力，它限制了數(shù)控機床的加工精度。在同一系統(tǒng)中，它和系統(tǒng)的最大加工速度是相互制約的?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中采用高精度位移傳感器（高分辨率碼盤，光柵尺）或在電路中采用數(shù)字細分來提高采樣分辨率，提高接口電路的工作頻率和控制器的處理速度來解決控制分辨率和運動速度的矛盾。現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)可以做到0.1甚至更高的分辨率。 程序預(yù)處理指把標準的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部格式，以供系統(tǒng)的插補等工作使用。預(yù)處理時間就是用于這些工作的時間。由于這項工作是針對每個程序段的，所以預(yù)處理時間直接決定了在一定加工速度條件下，系統(tǒng)所能處理的程序段的最小移動距離反之。當加工的零件決定了加工程序的最小移動距離時，它就成為提高加工速度的瓶頸?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)由于采用了高性能的運算處理器，可以做到在每程序段為lmm的條件下。達到上百米的加工速度。 插補周期是指數(shù)控系統(tǒng)的主CPU向軸CPU發(fā)送位移命令的時間間隔在這段時間間隔內(nèi)，主CPU要完成加工程序的預(yù)處理，刀補和插補運算及其它輔助工作。該指標由系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，主CPU的處理能力和插補功能的復(fù)雜程度決定。它和預(yù)處理時間一起決定了機床的可能加工速度和加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用2種辦法來提高插補周期和預(yù)處理時問指標： a采用多CPU體系結(jié)構(gòu)，減輕主CPU的負擔； b提高主CPU的性能現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)可做到4ms或更小的插補周期。 現(xiàn)代CNC控制軟件還提供了一些新的控制功能以提高機床的加工精度和性能。例如提供內(nèi)裝式的自適應(yīng)控制軟件及其它強魯棒性的控制軟件，以適應(yīng)加工材料、刀具和機械性能的變化。得到好的加工質(zhì)量；提供控制算法改進運動軸加減速過程中的零速區(qū)機械爬行對加工圓弧和其它曲線的加工質(zhì)量的影響；提供控制算法和伺服系統(tǒng)相結(jié)合得到零跟隨誤差控制。 提供伺服系統(tǒng)的高速接口也是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的特征之一。高速數(shù)字接口允許數(shù)控系統(tǒng)的CPU可以從伺服系統(tǒng)中即刻存取必須的控制數(shù)據(jù)，采用更先進的控制算法。改進加工質(zhì)量而不影響加工速度。 1．2伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能 數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)有步進電機系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、模擬交流伺服系統(tǒng)、混合型交流伺服系統(tǒng)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)和直線伺服電機等幾種。 步進電機系統(tǒng)采用細分、平滑等先進技術(shù)，結(jié)合閉環(huán)反饋，其性能有了很大提高。高檔的步進電機系統(tǒng)的控制分辨率和力矩/速度特性已和普通直流伺服差不多。同時由于采用了電子阻尼等措施，大大減少了共振頻率區(qū)，在低速情況和單相供電場合還有較多的使用，但由于其啟動和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小，可能產(chǎn)生掉步等缺點，在高速高精度的場合應(yīng)用較少。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向為全數(shù)字式交流伺服和直線伺服。和傳統(tǒng)的采用±10V模擬速度信號控制的模擬伺服系統(tǒng)相比，全數(shù)字伺服采用通訊總線和數(shù)控系統(tǒng)相連。內(nèi)部采用高速DSP完成位置環(huán)、速度環(huán)。甚至電流環(huán)的閉環(huán)控制算法。具有如下特點： a采用數(shù)字化給定和數(shù)字化反饋，消除了在這兩個通道上的干擾對系統(tǒng)性能的影響； b采用數(shù)字總線和數(shù)控系統(tǒng)相連，使得數(shù)控系統(tǒng)可以得到更多的伺服系統(tǒng)內(nèi)部的信息，有利于各種控制方法的實現(xiàn)和系統(tǒng)監(jiān)控的實現(xiàn)； c全數(shù)字化伺服采用計算機控制，可以采用各種先進的控制算法，提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，甚至實現(xiàn)零誤差跟蹤，大大提高機床加工精度： d全數(shù)字化伺服可以由計算機系統(tǒng)發(fā)出PWM信號控制功率器件驅(qū)動電機，使得控制系統(tǒng)和強電隔離，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性； e采用帶有掉電保護功能的光碼盤反饋系統(tǒng)。在上電后把機床位置數(shù)據(jù)反饋回數(shù)控系統(tǒng)。省掉回參考點動作； f可以針對不同的控制對象。自動調(diào)節(jié)最佳控制參數(shù)，使得系統(tǒng)的安裝調(diào)整更加容易。 而直線電機由附于床身的磁鐵和附于運動部件上的包有線圈的鋼條構(gòu)成。由于沒有機械部件的接觸。所以具有以下優(yōu)點： a可用于高速加工場合其運動速度可達3～4m/s，是傳統(tǒng)電機的6～8倍。 b快速響應(yīng)時間傳統(tǒng)伺服電機加滾珠絲杠的驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)時問為lOOms左右，而直線伺服為10～20ms。 c高的加速度直線電機驅(qū)動系統(tǒng)的加速度可達2～10m/s[sup]2[/sup]，是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)的10倍以上。 d高可靠性直線電機系統(tǒng)降低了機械系統(tǒng)磨損，可靠性高達到5000h，是傳統(tǒng)系統(tǒng)的5～10倍。 2提高機床的有效性 機床的有救性由機床的可靠性和維修的快捷方便性決定?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)從以下幾方面來達到上述要求： 2．1提高系統(tǒng)部件和元器件的可靠性 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)除了利用最新電子技術(shù)提高自身的可靠性外，還利用其它技術(shù)提高機床整體的可靠性。如采用直線電機減低機械磨損，利用自身軟件和位移檢測系統(tǒng)相結(jié)合省去回參考點和超程保護開關(guān)動作，增加機床可靠性。 2．2內(nèi)置的故障診斷和定位系統(tǒng) 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)除了利用各種先進的電子技術(shù)和人工智能技術(shù)在機床出現(xiàn)故障時定位故障，還能在出現(xiàn)潛在故障而沒有影響加工時給出預(yù)警，以便及時維修，防止更大的破壞出現(xiàn)。 2．3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化和部件的通用性 為了能快速得到損壞部件的替代品修復(fù)數(shù)控機床，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各種部件之間的連接采用標準的接頭和電氣協(xié)議，使同一產(chǎn)品的不同系列之間或不同產(chǎn)品之間的相同功能部件具有可替換性。 3提高加工信息的獲取能力 現(xiàn)代開放型數(shù)控系統(tǒng)特別是基于和個人PC兼容的計算機平臺的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的信息獲取能力，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 3．1良好的人機操作界面 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多采用和個人電腦相近的圖形操作界面和觸摸屏操作功能，大大方便了操作。同時許多開放式數(shù)控系統(tǒng)還提供了客戶定制操作界面的功能。使用戶可根據(jù)需要設(shè)計自己喜歡的人機界面。 3．2良好的可集成性 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)提供了多種可供用戶選擇的串行通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以方便地與各種網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)相連，共享信息和交換數(shù)據(jù)而基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)還允許用戶編制自己的應(yīng)用程序，處理CNC的數(shù)據(jù)。以供使用。 3．3內(nèi)置的CAD/CAM系統(tǒng) 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)配以多用戶實時圖形操作系統(tǒng)，加上CPU功能的不斷增強，使得有可能在數(shù)控系統(tǒng)中配以圖形程序輸入系統(tǒng)或簡單的CAD/CAM系統(tǒng)，在不影響加工的情況下進行設(shè)計工作，改變了老式數(shù)控的單調(diào)呆板的純指令輸入方法。 4基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題 以上討論了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)從提高數(shù)控機床的加工性能、有效性和信息獲取能力3個方面的特點和要求。顯然，利用現(xiàn)有的PC軟件和硬件的研究成果是達到上述要求的有效手段。其關(guān)鍵有以下幾個方面的工作要深入研究： 4．1運動控制卡標準化工作 當前，市場上提供各種基于PC總線的運動控制卡成百上千種，但由于它們僅采用了相同的硬件總線標準，而沒有對應(yīng)的軟件標準，所以不適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的要求。應(yīng)該研究一種類似于PC的“即插即用”標準的運動控制卡的軟件標準，使得不同的運動控制卡能做到相互即時替換。 4．2 WindowsNT操作 系統(tǒng)的實時化和精簡化WindowsNT是一種強壯的多任務(wù)圖形操作系統(tǒng)，但由于它的任務(wù)調(diào)度方式不具有實時性，同時功能太多，容量太大。不太適應(yīng)實時應(yīng)用。必須在這兩方面加以改進，形成實用、可靠的CNC軟件平臺。 4．3控制軟件和接口軟件的標準化和芯片化 為了方便用戶開發(fā)自己的界面和控制軟件，應(yīng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，研究CNC控制軟件和界面軟件的標準，開發(fā)出標準的CNC控制軟件和界面軟件的類庫或軟件芯片，使得用戶可以按照標準在此基礎(chǔ)上發(fā)展和提高。 5結(jié)束語 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用電子技術(shù)、計算機技術(shù)的最新成果，正在向高開放性、高可靠性和高速高精度的方向發(fā)展。我們應(yīng)抓住這個契機，利用我們的人才優(yōu)勢，結(jié)合開放式系統(tǒng)提供的軟件和硬件產(chǎn)品，開發(fā)出適合國情的現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)，促進數(shù)控產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和制造業(yè)的發(fā)展。 參考文獻 [1] Selecting a CNC System．Factor Impacting MachineTool Product ivity[z]．GE Fanuc CNC Technica Brief． [2] High speed Machining with GE Fanuc Linear Motors [z]．GE Fanuc CNC Technical Brief． [3] Performance Improvement with Digital Drive TechnologyCZ3．GE Fanuc Power Motion Technical Brief． [4] Mamoru Mitsushi，etc．An Open Architecture CNC CAD——CAM Maching System with Data-•Base Sharing and Mutual Information Feedback EJ]．Annals of the CIRP，1997．46（1）：269—274． [5] Kazuo Yamazaki etc．Autonomously Proficient CNC Controller for High —Periormance Machine Tools Based 0n an（）pen Architecture Concept口]．Annals oi the CIRP，1997．46（1）：275—278． [6] European Research Will Result in（）pen CNC Architectur～[J]．Machinery and Production Engineering、1995．（4）7—8．