數控技術和數控機床是制造業現代化的基礎，是一個國家綜合國力的重要體現。我國在從制造大國向制造強國轉變的過程中，大力發展數控技術具有重要意義。

　　近幾年來，在引進消化國外數控技術的基礎上，我國已生產出自主版權的數控系統和數控機床，但是中、高檔以上的數控系統仍然是以進口產品為主，研究目前數控機床及技術的現狀及未來的發展方向，將對開發出中、高檔的數控產品，進一步擴大數控機床市場份額起到重要作用。

　　1 數控系統的硬件技術發展迅速

　　隨著集成電路及計算機技術的迅猛發展，給數控硬件技術的更新換代注入新的活力，現代數控系統普遍采用超大規模集成電路(VLSI)、專用芯片(ASIC)及數字信號處理(DSP)技術。在電氣裝聯上廣泛采用表面安裝(SMT)、三維高密度(three dimensional high density)技術，極大地提高系統的可靠性。高速高性能存儲技術，比如閃爍存儲(flash memory)，移動存儲(PCMCIA card)等極大地方便用戶。薄膜晶體管液晶顯示器(TFTLCD)技術使得顯示裝置趨于平板化，更便于機電一體化安裝并改善人機界面。作為數控系統核心的處理器廣泛采用“位以上的高速RISC CPU，保證高速、高精度的數控加工。

　　以日本FANUC 16i/18i和160i/180i為例，已形成超小、超薄型控制器，主控板僅為名片一樣大小，主處理器采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M/S的高速串行總線。用光纜連結I/O模塊，采用分散配置，便于機電一體化。在通訊方面采用PCMCIA存儲卡和外部計算機通訊，或采用調制解調器，用電話和人機通訊。

　　嵌入式硬件的使用有望使得數控系統硬件更趨標準化、系列化。數控系統的開發成本也會隨著降低。

　　2 體系結構向開放式發展

　　開放式數控的討論已有好些年了，但是應該看到，對于開放式結構至今沒有一致性的定義。某些用戶認為開放式表示能夠接受當地使用的通信協議;而另一些用戶認為開放式意味著所有控制器操作界面完全一致;對機床應用工程師而言，開放式意味著對刀架移動、傳感器和邏輯控制有標準的輸入/輸出接口;對大公司和大學的研究工程師來說，開放式意味著以上這些均來自隨即拿來就用的積木塊。由于來自最終用戶和集成商(機床廠)的壓力，開放式結構的開發工作正在向前發展并將持續下去。目前的一個積極成果即是基于PC的CNC，即PC-based。

　　世界上一些著名的數控制造商紛紛推出PC-based CNC系統，例如FANUC公司的FANUC 160/180，西門子公司的siemens 840Di，FAGOR公司的FAGOR 8070。由于采用了工業級PC機及桌面操作系統Windows，DOS等，其豐富的軟、硬件資源給用戶帶來諸多的方便。

　　應該看到，在數控加工這種強實時環境中，使用商用操作系統Win，DOS等，還尚未得到業界的完全認可。在理論上沒有證明比現有傳統的CNC更加優越。

　　為應對開放式數控未來的發展，我國從2003年開始實施開放式數控國家標準GB/T18759.1。開放式數控(ONC)就其開放程度可分為三個層次。第一層次是具有可配置功能，開放的人機界面的通信接口及協議。第二層次為控制裝置在明確固定的拓撲結構之下允許替換，增加NC核心中的特定模塊以滿足客戶的特殊要求。第三層次為拓撲結構的完全可變的全開放的控制裝置。這三個層次中第一層次目前基本達到。未來的發展主要圍繞第二個層次目標展開，還有很長的路要走。

　　3 實時操作系統進入CNC

　　嚴格意義上說，數控控制軟件中包含著實時操作系統的思想，例如任務調度、存儲器管理、中斷處理等，但這種技術是隱含的，是和數控應用程序比如插補，伺服、譯碼等混合的。每一個數控系統都是獨特的，不透明的。這種情況對于最終用戶和系統集成商而言帶來諸多不便。在開放式數控呼聲日益高漲的今天，研究實時操作系統在CNC軟件中的應用是順理成章的事。特別是最近嵌入式實時操作系統的技術發展迅猛，這對于數控控制軟件的開發將產生革命性的影響。選擇一個合適的商用嵌入式實時操作系統，將插補、伺服、譯碼、數據處理等數控應用軟件往上“掛”，最終移植到一個硬件環境中去，形成最終使用戶滿意的數控系統，也就是個性化的CNC系統，這將是開放式數控的主要方向。

　　未來實時Linux(RT Linux)有望成為CNC實時操作系統的主流。“Linux除了具有功能強大、高性能、穩定性好以及原代碼開放等優勢以外，其最大的特點是Linux內核具有非常良好的結構，即可由用戶根據特殊的系統需求，對內核進行配置或裁剪，而這一特點恰恰滿足了可開放式數控應用的差異性需求。

　　4 現場總線技術開始廣泛使用

　　現場總線(field bus)實質上是工控網絡中的低檔產品。因為底層設備通信有以下特點。

　　1)通信環境惡劣，可能受到溫度、濕度變化、塵埃、電壓波動、機械振動和電磁場干擾等因素影響。

　　2)信息傳遞主要是設備與設備之間，故對通信可靠性要求高。

　　3)通信內容和時間一般可以預先設定，隨機、自發產生的信息相對較少，這可使通信協議大大簡化。

　　4)由于有較多的監控信息，實時性要求高。

　　5)要求有一定的故障診斷和容錯能力，以防止不必要的系統故障。

　　6)距離短，頻度高。

　　基于上述特點，底層設備互連網絡通常采用協議簡單、響應迅速、可靠性高的主.從通信方式，使用工控網絡中的低檔產品，如現場總線。

　　西門子公司的profibus首先應用在802D中、低擋數控系統中。對802D而言，24V電源為“心臟”，PCU模塊為“大腦”，profibus為“神經”。因為PCU和I/O以及伺服系統的連結均依靠p礎bus。PCU為主站，PP1、PP2、611U為從站，并均有節點地址。

　　FAGOR公司的SERCOS主要用于CNC和伺服系統的通訊且采用光纜。最高傳輸速率為4M baud。SERCOS將CNC(8055，8070)和主軸、坐標軸驅動連結起來，每個節點亦有相應地址。從FAGOR 8070開始，CNC和I/O的連結采用CAN總線。

　　FANUC I/O Link是CNC連結擴展I/O的現場總線系統的總線，而FFSB則是連接CNC和伺服系統的總線。

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　　5 PLC功能繼續增強

　　可編程控制器(PLC)在數控機床上主要完成MST功能(輔助功能)，即除了主運動以外的輔助功能，但目前PLC在數控機床上的功能正在逐漸擴大，例如：1)可通過報警文本編輯產生個性化的診斷頁面。2)PLC直接控制坐標軸。3)在系統配置和初始化時發揮作用，這個作用對西門子系統的PLC最為明顯。

　　PLC的基本程序(非用戶梯形圖)在機床調整時，激活機床操作面板MCP并設置通道和主軸、坐標軸。通道相當FANUC中的Head。4)通過PLC提供的參數和CNC系統參數可以在PLC和零件加工程序之間傳遞信息，以完成某些特定功能。即PLC已經滲透到零件加工程序的編制中。

　　單獨的PLC可以完成全部的CNc功能，這已經成為現實。但就目前而言，PLC主要還是在數控系統配置到機床上時起一個“接口”作用，包括MST功能，診斷功能等，這種功能正在不斷擴大。

　　6 CNC的通訊、網絡功能不斷擴大

　　從早期的DNC，RS232、422和485一直到目前的MAP，EtIlemet等，數控機床的網絡通訊功能在不斷增強。為解決大容量零件加工程序的傳遞和存儲，一是可采用DNC中的前端機進行分配和傳輸，即形成DNC主機一前端機.CNC的三層模式。而一臺前端機可控制多臺CNC。另外一種，對于帶PCMC認卡的CNC系統，可利用該存儲卡傳遞加工程序(一張卡為5—8M)。第二種最簡單的方法可利用CNC和后臺編輯功能，在切削時同時傳遞零件加工程序。

　　CNC的通訊功能還有一個目的是上傳數控機床的狀態及故障信息，以便上位機監控并進行故障診斷。西門子840D/810D可以通過電話線、ISDN、Internet、GSM或LAN、WAN、Intranet和上位機通訊，進行遠程診斷，但需安裝遠程診斷軟件、調制解調器，并有電話線或通過網卡進行。MAZAK公司的MAZATROL 640等亦具有這種功能。

　　7 數字式交流伺服成為主流

　　數字式交流伺服系統體積小，性能好，調試方便，克服了過去模擬伺服系統用電位器調節的不便。通過數字設定可優化速度、電流環，可進行轉矩限制，進行加減速控制，另外可以和外部計算機通訊，備份伺服參數，并在上位機顯示電流、扭矩波形，便于觀察。

　　CNC和數字式伺服的連接方法有以下幾種。

　　7.1 備有現場總線的系統

　　例如西門子802D，FAGOR 8055、8070等，采用如圖1所示的連接。

　　對FAGOR 8055，8070而言，現場總線SERCOS連接CNC和主軸、伺服驅動與圖1連接相同。

　　7.2 FANUC數字伺服連接

　　伺服電動機上的編碼器將信號直接反饋給CNC系統，既作為位置反饋(半閉環)，又作為速度反饋。CNC發出的速度指令送入驅動單元的JV1B和JV2B。OiC系統則采用FSSB光纖進行CNC和伺服通信，這和三菱伺服的連結類似。

　　7.3 三菱公司數字伺服的連接

　　與上述FANUC系統有所不同是CNC僅向伺服驅動提供位置命令，位置環和速度環均在數字伺服MDS-SVJ2之中完成，并且驅動單元之間亦為串行聯結，即所謂“位置環下移”現象。伺服系統具有原數控的部分功能，有利于簡化數控系統的結構，提高數控系統運行的可靠性。

　　8 數控系統開發環境越來越友好

　　數控系統如何安裝在一臺機床上，這就是數控系統的開發環境。除了硬件聯結之外主要有兩個方面的問題，一個是PLC梯形圖的編寫。另一個是機床參數的確定。前者主要解決輔助功能的匹配，比如機床冷卻、潤滑、主軸正、反轉以及機床操作面板的適配。而后者主要匹配機床的主運動，例如進給速度，加減速，行程限制等。這里主要介紹PLC梯形圖的開發問題。早期的數控機床的梯形圖是由CNC工程師根據機床的功能編寫的。編譯完以后再插入到數控軟件中去，隨著數控技術的普及，原先由數控系統制造商壟斷的接口軟件開發已轉移到機床廠或數控集成商。用戶可根據CNC制造商提供的集成方法和文件自行開發，大大促進了數控技術的發展和普及。現在為了減輕機床廠和系統集成商編寫梯形圖的負擔，西門子公司在802D系統中提供了PLC應用程序實例和子程序庫說明，最終用戶在編寫梯形圖時，只要利用參數調用就可以完成梯形圖的編寫，大大方便了用戶并節約了時間。

　　CAPP(計算機輔助工藝設計)內容滲入到CNC亦是目前的一個發展方向，這樣有助于加工效率和產品質量的提高。PC-based CNC的出現為CAPP內容的滲透創造了有利條件。

　　由于數控控制軟件目前沒有公開，因此最終用戶在進行二次開發時始終處于一種被動狀態，可以設想一下，未來的數控控制軟件是機床廠或系統集成商可以自由裝配的，就象目前的PLC梯形圖開發一樣隨意。真正的個性化的數控機床將會被每個高水平的集成商或最終用戶開發出來。這樣的數控集成環境才是最美好的。嵌入式實時操作系統特別是源碼公開的Linux嵌入式實時內核的出現為這種前景提供了可能。

　　9 數控相關技術和社會服務體系正在逐步完善

　　數控相關技術，首推CAD/CAM，目前商用的CAD/CAM軟件十分豐富，UG-II，Pro/E，Solidworks，Mastercam等已十分普遍。并將工藝設計(CAPP)內容融合進去，給用戶提供典型工藝方案以供選擇。所生成的數控零件加工程序更符合實際需要。目前存在的普遍問題是CAD/CAM軟件產生的二進制文件(刀位文件)均要經過后置處理轉化為字符串文件，供給數控機床使用。而這些零件加工程序一進入數控系統后又還原二進制文件以供插補等運算。這種信息傳遞的過程很難做到高效、優質、快捷。人們期待著一種CAD/CAM/CNC的高效信息傳遞方式，這里還有較長的路要走。

　　數控技術的發展離不開整個社會服務體系的完善，包括人材培訓，維修服務等方面的配合。2002年10月國家勞動和社會保障部啟動機電類高層次技能型人材培訓工程，包括數控加工和維修人員。2002年5月中國機電裝備維修與改造技術協會授權開展數控維修改造企業資質認證工作，已經有24家企業通過認證。隨著制造業在中國的地位日益提高，市場需求不斷增長，數控行業將迅速的發展，為中華民族的復興做出更大的貢獻。