0 引言从1974年微处理器开始用于数控系统,数控系统发展到第五代。计算机数控系统(CN C)是机床控制新技术,它是综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等技 术而形成的一门边缘学科。数控技术是计算机集成制造系统(CIMS)和工厂自动化(FA)的 基础之一,也是振兴国家机床工业、增强制造业国际竞争力的基础。从90年代开始,微电子技术 和计算机技术的发展速度突飞猛进,尤其是PC机更是如此,功能越来越多,成本却越来越低,这 时就出现了所谓的PC机平台上的数控系统,即PC数控系统,也就是第六代数控系统,即开放式 计算机数控系统。1 国内外数控系统的发展现状及趋势进入80年代,我国数控系统技术的开发 研究有了较大的发展,尤其是经过“六五”(1981～1985年)规划引进国外技术,“七五 ”(1986～1990年)规划对引进技术的消化吸收,“八五”(1991～1995年)规 划国家组织科技攻关对自主版权的开发及“九五”(1996～2000年)规划国家组织产业攻 关等各个阶段实施,开发了具有我国自主版权的2个基本系统平台、4种数控系统及其派生产品。 其中,中华I型、华中I型是基于PC+数控卡构成硬件平台而进行开发的。航天I型是利用PC 机的体系结构设计的与通用PC机兼容的微机,加上数控通用/专用模板,构成了单机数控系统, 在这个基础上,再与通用PC机互连,构成了典型的前/后台结构的多机系统。蓝天I型是在原7 500系列的高档数控的基础上,通过大规模可编程门阵列芯片(EPLD)二次集成,缩小化设 计后与通用PC互连,构成了8500系统多机系统。现在,随着芯片技术及计算机技术的高速发 展,利用通用微机系统设计开放式结构的数控系统,把开发工作转移到软件设计及控制算法上,在 上述的4种数控系统中都有了突破,它们都有五轴以上的多轴联动功能。在新一代数控系统的开发 研究上,国内与国外都站到了同一起跑线上,也能够自行开发出国产数控机床所需要的各种类型的
数控系统。美国DeltaTau公司,其CNC系统在开放式运动控制器PMAC的基础上,具 有开放型、模块化、嵌入式、可重构性等独到的特点,并具有强大的通信能力,是FMS与CIM S等系统集成的首选产品。日本Fanuc公司的FS15系列是该公司新的CNC系统,采用了 模块式多主总线结构,是多微处理器控制系统,可控制2道压根轴,适用于大型机床、复合机床· 06·《机械与电子》2002(6)的多轴控制和多系统控制。德国Siemens(西门子) 公司为了适应FMS和计算机集成制造系统(CIM)的需要,在其CNC系列中采用了通道结构 ,使控制的轴数可达20～30根,并可实现12个共位的联动控制,产品采用模块化结构,采用 标准硬件模块,用户可选择不同模块组合来满足各种要求,在一种硬件上配置多种软件,使其具有 多工艺类型。另外还采用了通行中央处理单元,使其具有很强的数据管理、传送和处理能力,以及 与上位机通信的功能,易于进入FMS。此外,还有西班牙Fagor公司的系列CNC产品,也 具有模块化、开放式的可扩展结构。2 数控系统的发展趋势当前,数控系统正在发生根本性的变 革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上 ,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、通信、人工智能等多学科 技术,实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现在线 故障诊断和智能化处理;在网络基础上,CAD/CAM与数控系统集成一体,实现工厂制造网络 化、异地制造等。具体来说,数控系统的发展趋势有如下几方面的表现:2.1 性能发展由于采 用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及高分辨率绝对式检测元件的交流伺服
控制系统,使得机床的高速高效高精度等性能指标得到大大的提高;由于采用了模块化的设计方式 ,可满足不同用户的要求,便于扩展和裁减,同时,由于数控系统能根据不同生产过程的需要而进 行各种动态调整,从而实现了数控系统本身和数控系统群体两个方面的柔性化;由于各种开放式运 动控制卡可同时、实时实现多轴控制,因而制造业正朝着多表面、多工序的一次性加工,大大提高 了加工效率;利用人工智能领域的最新发展成果,应用到数控系统中,实现智能化的实时控制,例 如应用自适应控制、专家控制、神经网络、学习控制、模糊控制等控制领域的最新技术,实现数控 系统的在线诊断和智能故障处理,还有其中的模糊控制,对运动速度、加工时间等进行模糊处理, 最终实现最优控制。2.2 功能发展由于现代的Internet、虚拟现实、科学计算可视化 以及多媒体等新技术的要求,对用户界面提出了更高的要求,人们可以通过窗口和菜单进行操作, 便于蓝图编程和快速编程、三维动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真等;科学可视化技 术的应用,使得数据处理和解释数据变得更为高效,使信息交流不再限制于用文字和语言表达,而 可以直接使用图形、图像、动画等各种可视化信息,与此同时,将可视化技术和虚拟技术结合起来 ,使得其应用范围进一步拓宽:多种曲线、曲面插补技术的应用,如圆柱插补、空间椭圆曲面插补 、螺纹插补、极坐标插补、NUBRS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样 条)等,还有各种补偿技术,如温度补偿、误差补偿、前馈补偿、间隙补偿等;多媒体技术的应用 ,将多媒体技术应用到数控领域,实现信息处理综合化、智能化,实现实时在线诊断和监控。2. 3 体系结构的发展采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、E PLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件的运行速度 ,应用先进的封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体,使得数控系统高度集成化;根 据不同的功能需求,将基本模块做成标准化的系列产品,通过积木式进行功能的扩展和模块数量的 增减,充分实现数控系统各功能部件的模块化和标准化;数控系统上有多个通讯接口和多级通讯功 能,使得能满足进线和联网的不同需要,使之不仅具有串口、DNC等点对点的通讯,还支持制造 自动化协议(API)以及以太网等多种通用和专用的网络操作,应用网络技术,建立一个带有网 络通信功能并具有统一软件、硬件平台结构的开放式系统,实现网络制造、远程诊断、异地制造等 功能。3 数控系统发展中的若干技术问题随着数控技术的不断往前发展,数控系统的发展进入到 了普及和应用的成熟期,传统的数控系统也变得越来越复杂,其自身的缺陷又限制了它的应用,因 为传统的数控系统都是基于缺乏灵活性的、专有设计的基础上完成的,它具有不同的编程语言、非 标准的人机接口、多种实时操作系统,是一种没有共同性和标准接口的封闭式系统,没有一个强有 力的体系结构给以支撑。系统的封闭性也带来了一系列问题,如软、硬件·16·《机械与电子》 2002(6)的透明性不够、先进技术的难适应性。应用范围的固定性、软件的不可再用性等; 系统专用性强,通用性差,软件为系统的制造商所有,不便于功能的扩展和各种软件的支撑、更新 ,软件的可移植性差,组网通讯能力差,对机床制造商和用户的要求较高。在控制软件开发上缺乏 持久开发的能力,不能进行高可靠性的软件扩展,不能满足用户对其二次开发的需要。基于上述情 况,从90年代开始,有些发达国家针对CNC所面临的问题和开放式数控发展的必然趋势,以设 计生产开放式数控系统为目标,在自动化领域对开放式体系结构做了大量的开发研究工作,相继推 出了各自的开放式体系结构规范,这其中有美国的NGC和OMAC计划、欧盟的OSACA计划 、日本的OSEC计划等。也相继推出了各自的开放式控制系统,基于这个开放式控制系统,有下 面几个方面的问题需要解决:开放结构控制器系统的标准和平台软件;基于开放结构控制器平台的 高性能应用系统;全数字式高精度伺服控制器。建立开放结构控制器平台标准规范,在其基础上开 发自主版权的开放结构控制器软件平台。3.1 核心技术是建立跨平台的通讯系统建立跨平台的 通讯系统是一项核心技术,其研究的主要内容有:a.参考OSI模型,结合开放式控制系统对通 讯平台的需求,对平台网络模型进行层次和功能的划分,使通讯平台既有较高可靠性,又能保持开 放性。b.通讯机制的研究。针对独立于硬件和供应商的信息交换特点,定义通讯方法和规则,并 为实现异构网络,多硬件、软件平台的工业控制器之间的通讯,规定每一层的具体功能。c.研究 在不同操作系统和通讯协议下的信息传输层的协议;研究处理应用程序间的数据交换,即应用层的 API协议。3.2 开发控制器平台的可重构、高档数控系统a.基于高性能PC的多轴插技术 。多轴联动特别是五轴联动数控系统,在一定程度上限制了航天、航空及军事部门的技术进步。b .增加高精度控制技术。在误差补偿技术方面,通过计算机实时误差补偿技术,将误差反馈到数控 系统中,改变坐标驱动量来实现误差修正,从而提高机床的定位精度;在保证给定的加工指标的前 提下,由系统优化配置系统的加工参数,使得系统加工过程最优化。3.3 开发数控网络化制造 接口技术和相应的底层系统标准及软件a.开放结构控制器平台基于DNC功能的软件的开发,以 适应传统的DNC功能的需要;适应制造车间和制造单元的组织结构和运行模式的网络结构和协议 标准的研究制定。b.开放结构控制器平台的网络接口软件的开发,开放结构控制器平台的远程功 能软件的开发,实现远程控制和诊断功能、基于Internet/Intranet的网络服务功能。3.4 开发全数字式软件化伺服控制器a.应用微处理器、数字信号处理器,结合现代控制理论及智能控制技术的进展,在已有的神经元智能位置控制算法的基础上,开发新型智能型全数字式软件伺服系统。发展现场总线伺服系统,以便形成工厂自动化系统多机控制。b.采用先进算