機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的新趨勢(shì)

張 曙 樊留群 朱志浩 徐 勁

1 開放的體系結(jié)構(gòu)

隨著機(jī)床性能的提高、電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及加工零件形狀日益復(fù)雜，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中硬件、軟件和客戶化應(yīng)用所占的價(jià)格比例在不斷變化，特別是高檔數(shù)控系統(tǒng)的軟件和客戶化應(yīng)用占有的比例越來越高，甚至超過了75%。

客戶化應(yīng)用是針對(duì)特定機(jī)床和用戶的控制、支持和管理功能，這就要求數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床制造商和最終用戶開放。開放式控制系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件體系結(jié)構(gòu)、便于擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)和開發(fā)客戶化應(yīng)用軟件來適應(yīng)這種潮流。

近年來，數(shù)控系統(tǒng)開放的理念得到了廣泛的認(rèn)同，拓寬了數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。例如，通過對(duì)主軸功率和電流、借助機(jī)床振動(dòng)和聲頻等檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的智能化控制，大大地推動(dòng)了高端數(shù)控裝備的發(fā)展。

數(shù)控系統(tǒng)的開放性主要從以下4個(gè)方面來加以評(píng)價(jià)：①可移植性；②可剪裁性；③互操作性；④易獲得性。數(shù)控系統(tǒng)的開放程度具體表現(xiàn)在人機(jī)界面、控制核心和整個(gè)系統(tǒng)的開放性，有下列3種不同形式：

（1）開放的人機(jī)界面?！伴_放”僅限于控制系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)部分，即僅能對(duì)面向用戶的程序作修改。

（2）控制系統(tǒng)核心（數(shù)控和可編程控制等）有限度開放。雖然控制核心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，但可以嵌入包括實(shí)時(shí)功能的用戶專用過濾器。

（3）開放式控制系統(tǒng)?？刂坪诵牡耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于過程，內(nèi)部可相互交換、規(guī)模可變、可移植和可協(xié)同工作。

目前數(shù)控系統(tǒng)的開放性皆以PC架構(gòu)為基礎(chǔ)，有3種實(shí)現(xiàn)方案，如圖1所示。

圖1 不同開放式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

方案1：集中式結(jié)構(gòu)。采用多CPU結(jié)構(gòu)，通過總線將這些CPU系統(tǒng)連接在一起，結(jié)構(gòu)緊湊。

人機(jī)界面CPU以PC平臺(tái)構(gòu)建，以體現(xiàn)其開放性?？刂坪诵幕騊LC可采用不同的CPU系統(tǒng)，但集成在一個(gè)機(jī)殼中，通過數(shù)字化總線和伺服系統(tǒng)及I/O通信。這種結(jié)構(gòu)僅實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開放，硬件系統(tǒng)仍取決于數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商。典型產(chǎn)品如西門子828D、Fanuc 30i和安德龍的Antronic3060（圖2）。

圖2 Antronic 3060系統(tǒng)的框圖

方案2：分離式結(jié)構(gòu)。人機(jī)界面和實(shí)時(shí)控制功能分別由獨(dú)立的系統(tǒng)承擔(dān)。人機(jī)界面在PC硬件平臺(tái)及Windows或Linux操作系統(tǒng)下開發(fā)，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立完整的PC機(jī)，在數(shù)控機(jī)床上安裝配置方便、對(duì)環(huán)境的要求低，通過總線和數(shù)控核心控制器進(jìn)行通信?？刂坪诵挠布到y(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，安裝在機(jī)床控制柜中，提高了數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了開放的人機(jī)界面和部分控制系統(tǒng)核心的開放，被大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)所采用。如西門子840D、海德漢iTNC、開通數(shù)控、海納克數(shù)控等。

方案3：全軟件式結(jié)構(gòu)。以PC平臺(tái)為基礎(chǔ)，僅增加總線通信卡（或采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）和伺服系統(tǒng)及I/O通訊，軟件在通用的Windows或Linux系統(tǒng)上加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核后開發(fā)實(shí)現(xiàn)，從而可實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的全開放。典型產(chǎn)品如德國Power Automation的PA8000、飛陽數(shù)控、華中數(shù)控等。一些采用PC加運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)的專用數(shù)控系統(tǒng)也可劃歸為這種類型。

2 主流數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

目前在中高端數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位的是日本發(fā)那科（FANUC）和德國西門子（Siemens）公司的產(chǎn)品，還有一些各具特色的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，如德國的海德漢（Heidenhain）公司的iTNC、博世力士樂（Bosch Rexroth）公司的IndraMotion MTX、安德龍（Andron）公司的Andronic，日本三菱公司的M700V等。上述系統(tǒng)反映數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的共同點(diǎn)如下：

（1）高精度納米插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制。由于高速高精度數(shù)控加工對(duì)軌跡精度和表面質(zhì)量的要求，使得傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)以微米為最小控制單位進(jìn)行插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制的方法已經(jīng)不能滿足要求。西門子828D采用80位浮點(diǎn)計(jì)算精度進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)那科30i和三菱M700V等系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了納米插補(bǔ)功能，Andronic 3060甚至精化到皮米。

納米插補(bǔ)不僅僅是一個(gè)軌跡計(jì)算精度的問題，它涉及到前瞻平滑處理、插補(bǔ)位控周期和伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及精度的問題。例如，不同插補(bǔ)精度對(duì)輸出電流和加速度的影響如圖3所示。應(yīng)該指出，角度編碼器至少要達(dá)到每轉(zhuǎn)百萬線以上，插補(bǔ)位控周期至少要100 μs級(jí)才能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制的所期望的效果。

（2）網(wǎng)絡(luò)化全數(shù)字系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。隨著基于總線技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)和I/O技術(shù)的不斷發(fā)展，在采用64位微處理器的基礎(chǔ)上，使傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)與控制核心之間的模擬指令接口逐漸被淘汰，取而代之的是各種實(shí)時(shí)總線。例如，一些廠家采用專用總線，如FANUC的FSSB、西門子的Drive-CLiQ，海德漢的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)HSCI以及意大利FIDIA的FFB總線，專用總線可使數(shù)控核心技術(shù)相對(duì)封閉。有些公司系統(tǒng)則采用標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)總線，如博世力士樂采用SERCOS，三菱公司采用CCLINK以及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT。

總線技術(shù)提高了數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算能力和柔性，并且將Soft PLC和安全協(xié)議整合在一起，簡化了數(shù)控系統(tǒng)部件之間的連接，提高了可靠性，是實(shí)現(xiàn)機(jī)床多通道多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)雜控制的技術(shù)保障。如西門子840D可擴(kuò)展到控制31軸、10個(gè)通道以及10個(gè)方式組（即不同的工作模式集合，如手動(dòng)方式和自動(dòng)方式就屬于不同的方式組）。

圖3 插補(bǔ)精度對(duì)輸出電流和加速度的影響

（3）高效曲面加工。在普遍采用前瞻技術(shù)，對(duì)加工速度、加速度和加加速度進(jìn)行優(yōu)化控制的同時(shí)，針對(duì)曲面加工采用NURBS等樣條插補(bǔ)。例如，西門子采用“精優(yōu)曲面”技術(shù)，不但提高了曲面加工質(zhì)量而且縮短了加工時(shí)間，F(xiàn)ANUC采用納米平滑技術(shù)，海德漢通過定義加工時(shí)間、精度和粗糙度的不同優(yōu)先策略來實(shí)現(xiàn)高效的曲面加工。高效曲面加工借助樣條插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制、不頻繁改變運(yùn)動(dòng)方向，避免了不必要的加速和制動(dòng)過程，從而具有明顯的節(jié)能效果。在加工圖4所示的模具復(fù)雜曲面時(shí)甚至可節(jié)能60%。

（4）簡便的編程與豐富的人機(jī)界面。由于采用了開放性的策略大大地增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面功能，給用戶提供了二次開發(fā)的可能性。圖形化的編程降低了數(shù)控編程的難度。用戶可以在圖形和動(dòng)畫的引導(dǎo)下方便地進(jìn)行程序編制，如西門子的ShopMill/ShopTurn工步式編程。有些系統(tǒng)甚至可以直接導(dǎo)入CAD模型進(jìn)行CAM輔助編程。此外，三維加工仿真功能提高了編程的質(zhì)量以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的監(jiān)控。

圖4 高效曲面加工

（5）快速簡便匹配和調(diào)試能力。數(shù)控機(jī)床種類繁多，同一類型甚至型號(hào)相同的機(jī)床也由于各種原因造成與其所配的數(shù)控系統(tǒng)采用不同的配置參數(shù)才能使機(jī)床的性能得到優(yōu)化。西門子采用Easy Extend、Easy Archive等Easy—XX的策略，在機(jī)床的配置、使用和維護(hù)中提供簡便輔助甚至智能化的功能，提高和完善對(duì)機(jī)床的配置、使用及維護(hù)。

3 數(shù)控系統(tǒng)不僅是運(yùn)動(dòng)控制

3.1 數(shù)控系統(tǒng)面向機(jī)床設(shè)計(jì)和制造

近20年來數(shù)控技術(shù)飛速發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床整體功能和性能不斷提高，對(duì)機(jī)床制造商研制開發(fā)新產(chǎn)品以及產(chǎn)品的生產(chǎn)都帶來了新的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方法。

（1）機(jī)床設(shè)計(jì)的數(shù)字化匹配?，F(xiàn)代機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借助有限元、多體動(dòng)力學(xué)仿真等技術(shù)對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行仿真優(yōu)化與驗(yàn)證，取得了良好的效果。但傳統(tǒng)的方法是在機(jī)床制造完成后再同數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，如果這時(shí)出現(xiàn)問題將會(huì)造成很大的返工和更改費(fèi)用，嚴(yán)重影響新產(chǎn)品的開發(fā)周期。特別是高速加工機(jī)床，其動(dòng)態(tài)性能由機(jī)電耦合共同決定。因此，在機(jī)床設(shè)計(jì)階段就能對(duì)多體機(jī)電耦合進(jìn)行仿真具有特別重大的意義。

德國斯圖加特大學(xué)機(jī)床控制研究所在主持歐盟的OSACA開放式數(shù)控系統(tǒng)研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，提出機(jī)床硬件在環(huán)（Hardware in the Loop）和多剛體耦合的機(jī)電一體化仿真技術(shù)，將實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的數(shù)字模型集成在一起進(jìn)行仿真。借助Matlab建立機(jī)床的控制模型，數(shù)控系統(tǒng)的控制指令發(fā)送到控制模型中，通過仿真將運(yùn)動(dòng)信息和驅(qū)動(dòng)力或力矩傳遞到機(jī)床多體模型中，并將執(zhí)行部件的位移反饋回?cái)?shù)控系統(tǒng)。機(jī)床的所有運(yùn)動(dòng)及其特性通過三維模型動(dòng)畫和曲線顯示。這樣通過仿真分析就可得到機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，由此可進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的匹配驗(yàn)證以及控制參數(shù)的優(yōu)化。進(jìn)一步還可以將切削加工的物理過程仿真也加入進(jìn)來，對(duì)機(jī)床加工過程進(jìn)行全面的仿真，預(yù)測(cè)工件的表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性，如圖5所示。

圖5 機(jī)床、工件和加工過程的集成仿真

（2）用戶功能的擴(kuò)展和開發(fā)。一般數(shù)控系統(tǒng)是面向通用應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)床而開發(fā)的，面對(duì)日益豐富的客戶化及新產(chǎn)品的要求，開放式數(shù)控系統(tǒng)提供了這樣的軟硬件平臺(tái)，使機(jī)床制造廠商能夠?qū)⒖蛻舻男枨笾苯油ㄟ^在數(shù)控系統(tǒng)上的二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)，而不需要再增加其他的控制器和軟件。除了通常的客戶化人機(jī)界面定制，進(jìn)一步可進(jìn)行核心算法的客戶化開發(fā)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)床或特殊功能機(jī)床的控制。例如，進(jìn)行多軸同步驅(qū)動(dòng)的復(fù)合加工機(jī)床，借助傳感器進(jìn)行加工過程監(jiān)控等。此外，Soft PLC帶來方便的過程控制的開發(fā)與調(diào)試，在數(shù)控系統(tǒng)上就可進(jìn)行可編程控制程序的開發(fā)。

（3）簡化機(jī)床的安裝調(diào)試。由于采用了數(shù)字總線技術(shù)，通過一根總線通信電纜將數(shù)控系統(tǒng)各部件之間連接起來，大大地減輕了布線和抗干擾的難度，同時(shí)節(jié)省電纜和接插件的使用量，特別是高速實(shí)時(shí)總線的使用，使位置環(huán)可下移到伺服驅(qū)動(dòng)中完成，這不但減輕了NC的計(jì)算負(fù)擔(dān)，而且取消了編碼器電纜到NC的連接。

隨著總線安全協(xié)議逐漸推廣，具有安全協(xié)議的伺服驅(qū)動(dòng)和I/O的使用以及滿足安全完整性等級(jí)SIL3的安全一體化總線的應(yīng)用，將原來由另外一套安全電氣系統(tǒng)組成的機(jī)床安全保護(hù)系統(tǒng)，如急停、安全防護(hù)等信號(hào)也納入總線之中傳遞，從而進(jìn)一步減少了電纜和連接。

簡便及圖形化的調(diào)試與診斷工具軟件成為電氣技術(shù)人員的有力幫手，并且隨著數(shù)字示波器等信號(hào)顯示與分析工具在數(shù)控系統(tǒng)中集成，不借助其他測(cè)試儀器，僅僅依靠數(shù)控系統(tǒng)就可完成機(jī)床調(diào)試工作。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)提升機(jī)床的應(yīng)用與維護(hù)

數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)功能和性能的提高，極大地方便了操作者使用機(jī)床。

（1）數(shù)控編程和數(shù)字化驗(yàn)證。雖然傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)一般都提供加工軌跡的模擬仿真，但僅是理論上的軌跡，沒有考慮到具體機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，所以無法進(jìn)行加工精度的仿真。西門子UG將SINUMERIK數(shù)控核心移植到CAM中，使仿真軌跡特性如同數(shù)控系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行的一樣。DMG協(xié)同西門子公司將這種技術(shù)直接在數(shù)控系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)，這樣就可在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的編程和虛擬機(jī)床的仿真加工。

（2）在線過程監(jiān)控。通過在機(jī)床中增加傳感器和執(zhí)行器來對(duì)加工過程進(jìn)行監(jiān)控，采集的信號(hào)通過開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行處理，并且許多研究與應(yīng)用加入了智能化的算法，將數(shù)控機(jī)床從被動(dòng)的“動(dòng)作”執(zhí)行者向自主的“任務(wù)”承擔(dān)者轉(zhuǎn)變。如通過在主軸中增加振動(dòng)傳感器并從伺服控制器得到速度、加速度和電流信號(hào)，就可對(duì)切削加工過程的狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而采用優(yōu)化的參數(shù)和方法完成加工任務(wù)。如海德漢數(shù)控系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)控DCM功能，解決了多軸加工復(fù)雜的干涉碰撞在線檢查問題。

（3）機(jī)床的維護(hù)與管理。目前數(shù)控程序主要通過網(wǎng)絡(luò)化和USB介質(zhì)存儲(chǔ)，數(shù)控系統(tǒng)本身也跨出了存儲(chǔ)容量的限制，加工程序都可在系統(tǒng)中存儲(chǔ)。如SINUMERIK 828D采用封閉結(jié)構(gòu)，沒有硬盤和風(fēng)扇，摒棄了這些易于磨損的部件，采用基于NV-RAM技術(shù)的數(shù)據(jù)備份，無需安裝電池。

維護(hù)管理功能也集成在數(shù)控系統(tǒng)中，通過設(shè)定機(jī)床、刀具等的維護(hù)條件，數(shù)控系統(tǒng)到時(shí)自動(dòng)提示換刀和進(jìn)行機(jī)床維護(hù)工作，并且通過網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警維護(hù)等信息通過互聯(lián)網(wǎng)、短信等形式傳遞給相關(guān)人員或機(jī)床服務(wù)商，就可進(jìn)行遠(yuǎn)程服務(wù)和診斷。有了這些網(wǎng)絡(luò)化的接口和協(xié)議，使機(jī)床成組成線工作大大簡化。

機(jī)床的精度保持工作也是使用者一項(xiàng)重要的工作，通常通過誤差檢測(cè)和補(bǔ)償來維護(hù)機(jī)床的加工精度。以前這些工作需要昂貴的測(cè)試設(shè)備和人員，進(jìn)行專業(yè)的測(cè)試和分析，然后通過手工的方式形成補(bǔ)償文件，送入數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償。現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)測(cè)試分析軟件，通過測(cè)試儀器（如球桿儀、測(cè)量頭）及數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)。如海德漢通過KinematicsComp以及KinematicsOpt軟件功能方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)床誤差檢測(cè)與補(bǔ)償工作。

4 基于STEP-NC的集成

基于ISO6983 G代碼數(shù)控編程語言對(duì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的制約越來越明顯，以零件加工特征為基礎(chǔ)的STEPNC技術(shù)使人們看到了將數(shù)控系統(tǒng)從被動(dòng)的軌跡和邏輯命令的執(zhí)行者向加工任務(wù)的自主規(guī)劃的智能化方向發(fā)展的曙光。基于STEP-NC的系統(tǒng)集成如圖6所示。

從圖中可見，CAD系統(tǒng)輸出STEP文檔，借助AP203接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STEP-NC后作為CAM系統(tǒng)的輸入，借助零件加工特征及工藝模型生成STEP-NC加工程序，它只向機(jī)床下達(dá)“加工什么”，而由數(shù)控機(jī)床決定“如何加工”。數(shù)控系統(tǒng)接收STEP-NC程序，生成高層控制數(shù)據(jù)和加工軌跡，最后通過總線接口傳送至開放的智能驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和主軸。機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的工況反饋給數(shù)控，數(shù)控根據(jù)這些工況信息來調(diào)整加工參數(shù)和策略。并可將信息反饋給CAM系統(tǒng)，從而對(duì)STEP-NC編程產(chǎn)生影響，所以CAM到CNC的信息和數(shù)據(jù)流是雙向的。

5 結(jié)語和展望

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的客戶化和智能化是大勢(shì)所趨，軟件在數(shù)控系統(tǒng)所占比重日益增加，使數(shù)控系統(tǒng)不僅控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，也為機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理使用提供眾多的可能。開放式數(shù)控系統(tǒng)明顯拓寬了這一發(fā)展的空間，使數(shù)控系統(tǒng)能夠方便及時(shí)地利用計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的新成果，在提升數(shù)控系統(tǒng)的速度、精度和智能化水平的同時(shí)，做到操作使用更加方便和簡化。