摘要：現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展就是要提 高數(shù)控機(jī)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，討論 了現(xiàn)代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向和要解決的問(wèn)題 。 關(guān)鍵詞：CNC；數(shù)控機(jī)床 開(kāi)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(jī)床的生產(chǎn)能力，即提高機(jī)床的加工性能、有效性和信息獲取能力而展開(kāi)研究的。下面就從這幾個(gè)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(dòng)技術(shù)和采用開(kāi)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(wèn)題。 1提高機(jī)床的性能 數(shù)控機(jī)床的性能除了受機(jī)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(gè)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(dòng)軸數(shù)，控制分辨率，程序段預(yù)處理時(shí)間，插補(bǔ)時(shí)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(dòng)多少個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，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(lái)直接參與加工外，還可用來(lái)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(biāo)?，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(hù)根據(jù)需要配置。 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)指系統(tǒng)在加工的準(zhǔn)備指令中可以同時(shí)控制的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)，多的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)意味著加工系統(tǒng)可以加工各種復(fù)雜曲面。進(jìn)行多維加工。現(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(bǔ)算法，有的還提供了專(zhuān)門(mén)的曲面插補(bǔ)算法。顯然。這些改進(jìn)大大提高了數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)能力和加工能力。 控制分辨率取決于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、位移檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的位移檢測(cè)電路頻率上限和數(shù)學(xué)處理能力，它限制了數(shù)控機(jī)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(pán)，光柵尺）或在電路中采用數(shù)字細(xì)分來(lái)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(lái)解決控制分辨率和運(yùn)動(dòng)速度的矛盾?，F(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(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)等工作使用。預(yù)處理時(shí)間就是用于這些工作的時(shí)間。由于這項(xiàng)工作是針對(duì)每個(gè)程序段的，所以預(yù)處理時(shí)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(dòng)距離反之。當(dāng)加工的零件決定了加工程序的最小移動(dòng)距離時(shí)，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(yùn)算處理器，可以做到在每程序段為lmm的條件下。達(dá)到上百米的加工速度。 插補(bǔ)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(shí)間間隔在這段時(shí)間間隔內(nèi)，主CPU要完成加工程序的預(yù)處理，刀補(bǔ)和插補(bǔ)運(yùn)算及其它輔助工作。該指標(biāo)由系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，主CPU的處理能力和插補(bǔ)功能的復(fù)雜程度決定。它和預(yù)處理時(shí)間一起決定了機(jī)床的可能加工速度和加工精度。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用2種辦法來(lái)提高插補(bǔ)周期和預(yù)處理時(shí)問(wèn)指標(biāo)： a采用多CPU體系結(jié)構(gòu)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)； 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(bǔ)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(jī)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(qiáng)魯棒性的控制軟件，以適應(yīng)加工材料、刀具和機(jī)械性能的變化。得到好的加工質(zhì)量；提供控制算法改進(jìn)運(yùn)動(dòng)軸加減速過(guò)程中的零速區(qū)機(jī)械爬行對(duì)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(jìn)的控制算法。改進(jìn)加工質(zhì)量而不影響加工速度。 1．2伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有步進(jìn)電機(jī)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(jī)等幾種。 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)采用細(xì)分、平滑等先進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(shí)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(chǎng)合還有較多的使用，但由于其啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小，可能產(chǎn)生掉步等缺點(diǎn)，在高速高精度的場(chǎng)合應(yīng)用較少。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向?yàn)槿珨?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(hào)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(diǎn)： a采用數(shù)字化給定和數(shù)字化反饋，消除了在這兩個(gè)通道上的干擾對(duì)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(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)； c全數(shù)字化伺服采用計(jì)算機(jī)控制，可以采用各種先進(jìn)的控制算法，提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，甚至實(shí)現(xiàn)零誤差跟蹤，大大提高機(jī)床加工精度： d全數(shù)字化伺服可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出PWM信號(hào)控制功率器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得控制系統(tǒng)和強(qiáng)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(hù)功能的光碼盤(pán)反饋系統(tǒng)。在上電后把機(jī)床位置數(shù)據(jù)反饋回?cái)?shù)控系統(tǒng)。省掉回參考點(diǎn)動(dòng)作； f可以針對(duì)不同的控制對(duì)象。自動(dòng)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(jī)由附于床身的磁鐵和附于運(yùn)動(dòng)部件上的包有線圈的鋼條構(gòu)成。由于沒(méi)有機(jī)械部件的接觸。所以具有以下優(yōu)點(diǎn)： a可用于高速加工場(chǎng)合其運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)3～4m/s，是傳統(tǒng)電機(jī)的6～8倍。 b快速響應(yīng)時(shí)間傳統(tǒng)伺服電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)問(wèn)為lOOms左右，而直線伺服為10～20ms。 c高的加速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加速度可達(dá)2～10m/s[sup]2[/sup]，是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的10倍以上。 d高可靠性直線電機(jī)系統(tǒng)降低了機(jī)械系統(tǒng)磨損，可靠性高達(dá)到5000h，是傳統(tǒng)系統(tǒng)的5～10倍。 2提高機(jī)床的有效性 機(jī)床的有救性由機(jī)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(lái)達(dá)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(jī)床整體的可靠性。如采用直線電機(jī)減低機(jī)械磨損，利用自身軟件和位移檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合省去回參考點(diǎn)和超程保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，增加機(jī)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(jìn)的電子技術(shù)和人工智能技術(shù)在機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)定位故障，還能在出現(xiàn)潛在故障而沒(méi)有影響加工時(shí)給出預(yù)警，以便及時(shí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)放型數(shù)控系統(tǒng)特別是基于和個(gè)人PC兼容的計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(gè)方面： 3．1良好的人機(jī)操作界面 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多采用和個(gè)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(shí)許多開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)還提供了客戶(hù)定制操作界面的功能。使用戶(hù)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)自己喜歡的人機(jī)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(hù)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(hù)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(hù)實(shí)時(shí)圖形操作系統(tǒng)，加上CPU功能的不斷增強(qiáng)，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(jiǎn)單的CAD/CAM系統(tǒng)，在不影響加工的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)需解決的問(wèn)題 以上討論了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)從提高數(shù)控機(jī)床的加工性能、有效性和信息獲取能力3個(gè)方面的特點(diǎn)和要求。顯然，利用現(xiàn)有的PC軟件和硬件的研究成果是達(dá)到上述要求的有效手段。其關(guān)鍵有以下幾個(gè)方面的工作要深入研究： 4．1運(yùn)動(dòng)控制卡標(biāo)準(zhǔn)化工作 當(dāng)前，市場(chǎng)上提供各種基于PC總線的運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，而沒(méi)有對(duì)應(yīng)的軟件標(biāo)準(zhǔn)，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(lèi)似于PC的“即插即用”標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制卡的軟件標(biāo)準(zhǔn)，使得不同的運(yùn)動(dòng)控制卡能做到相互即時(shí)替換。 4．2 WindowsNT操作 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化和精簡(jiǎn)化WindowsNT是一種強(qiáng)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(shí)時(shí)性，同時(shí)功能太多，容量太大。不太適應(yīng)實(shí)時(shí)應(yīng)用。必須在這兩方面加以改進(jìn)，形成實(shí)用、可靠的CNC軟件平臺(tái)。 4．3控制軟件和接口軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和芯片化 為了方便用戶(hù)開(kāi)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(jì)方法，研究CNC控制軟件和界面軟件的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的CNC控制軟件和界面軟件的類(lèi)庫(kù)或軟件芯片，使得用戶(hù)可以按照標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上發(fā)展和提高。 5結(jié)束語(yǔ) 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，正在向高開(kāi)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(gè)契機(jī)，利用我們的人才優(yōu)勢(shì)，結(jié)合開(kāi)放式系統(tǒng)提供的軟件和硬件產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出適合國(guó)情的現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)，促進(jìn)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(xiàn) [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 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