1　開放的體係結構

 
　　隨著（zhe）機床性能的提高（gāo）、電子技術的迅速發（fā）展以及加工零件形狀日（rì）益複雜，機床數控係統中硬件、軟（ruǎn）件和客（kè）戶化應用所占的價格比例在不斷變化，特別是高檔數控係統的軟件和（hé）客戶化應用占有（yǒu）的比例越來越高，甚至超過了75％。

 
　　客戶化應用是針（zhēn）對特定（dìng）機床和用戶的控製、支持和管理功能，這就要求數（shù）控係統（tǒng）對機床製造商和（hé）最終（zhōng）用戶開放。開放式控製係統以標準化的軟硬件體係結構、便於擴展、聯網和（hé）開發客戶化應用軟件來適應這種潮流。

 
　　近年來，數控係統開放的理念得到了廣泛的認同，拓寬了數控係統的應用範圍。例如，通過對主軸功率和電流、借（jiè）助機床振動和聲頻等檢測方法，實現對加（jiā）工過程的（de）智（zhì）能化控製，大（dà）大（dà）地推動了高端數控裝備的發展。

 
　　數控係統的（de）開放性主要（yào）從（cóng）以（yǐ）下4個方麵來加以評價：①可移植（zhí）性（xìng）；②可剪裁性；③互操作（zuò）性；④易（yì）獲得性。數控係統的開放程度具體表現在人機界麵、控製核（hé）心和（hé）整個係統的開放性，有下（xià）列3種不同形式：

 
　　（1）開放的人（rén）機界（jiè）麵。“開放”僅限於控製係統的（de）非實（shí）時部分，即僅能對麵向用戶的程序作（zuò）修改。

 
　　（2）控製係（xì）統核心（數控和可編程控（kòng）製等）有限度開放（fàng）。雖然控製核心的拓撲結構（gòu）是固定的，但可以嵌入包括實時功能的用戶專用過濾器（qì）。

 
　　（3）開放式控製係統。控製核心（xīn）的拓撲（pū）結構取決（jué）於過程，內部可相互交換、規模可變、可移植和可協同工作。
　　目（mù）前（qián）數控係統的（de）開放性皆以PC架構為基礎，有3種實現（xiàn）方案，如圖1所示。

      方案1：集中式結（jié）構。采用（yòng）多CPU結構，通過總線將這些CPU係統連接在一起，結構緊湊。

 
　　人機界麵CPU以PC平台構建，以體現其開放性。控製核心或PLC可采用不同的CPU係統，但（dàn）集成在（zài）一個機殼中（zhōng），通過數字化總線和伺服係統（tǒng）及I/O通信。這（zhè）種結構僅實現人機界麵的開放（fàng），硬件係統仍取決（jué）於數控係統供應商。典型產品如西門子828D、Fanuc 30i和德龍的Antronic3060（圖2）。

　　方案2：分離式結構（gòu）。人機界麵和（hé）實時（shí）控製功能分別由獨立（lì）的係統承擔。人機界麵在PC硬件平台及Windows或Linux操作係統下開發，相當於一個獨（dú）立完（wán）整的PC機，在數控機床上安裝配置方便、對環境的要求低，通過總線和數控核心控製器進行通信。控製核心硬件係統和伺服控製係統設計成模塊化結構（gòu），安裝在（zài）機床控製櫃（guì）中，提高了數控係（xì）統的抗幹擾能（néng）力和可靠性。這種結構實現（xiàn）了開放的人機界麵和部分控（kòng）製係統核心的開放，被大多數（shù）數控係統所（suǒ）采用。如西門子840D、海德（dé）漢iTNC、開通數控、海納克（kè）數控等。

 
　　方案3：全軟（ruǎn）件式結構。以PC平台為基礎，僅增加總線（xiàn）通信卡（kǎ）（或采用標準（zhǔn）以太網物理結構實現實時以太網）和伺服係統及I/O通訊，軟件在通用（yòng）的Windows或Linux係統上加入實時操作係統內核後開發實現，從而可實現體係結構的全開放。典型產（chǎn）品如德國Power Automation的PA8000、飛陽數控、華中數控等（děng）。一些采用PC加運動控製卡開發的專用（yòng）數控係統也可劃（huá）歸為這種類型。

 
　　2　主流數控係統的技術特點

 
　　目前在中高端數控係統市場中占主導地位的是日本發那科（kē）（FANUC）和德國西（xī）門子（Siemens）公（gōng）司的產品，還（hái）有一些各具特色的數控係統產品（pǐn），如德國的（de）海德漢（hàn）（Heidenhain）公司的（de）iTNC、博世（shì）力（lì）士樂（Bosch Rexroth）公司的IndraMotion MTX、安德龍（Ａｎｄｒｏｎ）公司的Ａｎｄｒｏｎ，　日本三菱公司的M700V等。上述係統反映數控技術發展趨勢的共同點如下：

 
　　（1）高精度納米插（chā）補及運（yùn）動控製。由（yóu）於高（gāo）速高精（jīng）度數控加工對軌跡精度和表麵質量的要求，使得（dé）傳統數控係統以微米為最小控製（zhì）單位（wèi）進行插補和運動控製的方法已經不能滿足要求。西門子828D采用80位浮點（diǎn）計（jì）算精（jīng）度進行插補運算，發那科30i和三菱（líng）M700V等係統都實現（xiàn）了納米插（chā）補功能，Ａｎｄｒｏｎic 3060甚至精化到皮米。

 
　　納米插補不僅僅是（shì）一個軌跡計算精度的問題，它涉（shè）及到（dào）前瞻平（píng）滑處理、插補位控周期和（hé）伺服係統動態響（xiǎng）應及精度的問題。例如，不同（tóng）插補精度對輸出電（diàn）流和加速度的影響如圖3所示。應該指（zhǐ）出，角度編碼器至少要達到每轉百萬線以上（shàng），插補位控周期至少要100 μs級才能實現納米級控製的所期望的（de）效果。

 
　　（2）網絡化全數字係統體係結構。隨著基於總線技術的伺服驅動和I/O技術的不斷發展，在采（cǎi）用64位微處（chù）理器的基礎上，使傳統的伺服係統與控製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時總線。例如，一些（xiē）廠家采用專用（yòng）總線，如FANUC的FSSB、西門子的Drive-CLiQ，海德漢的實時以太網HSCI以及（jí）意（yì）大（dà）利FIDIA的FFB總線，專用總線可使數控核心技術相對（duì）封閉。有些公司係統則采用（yòng）標準的驅動總線，如博世力士樂采（cǎi）用SERCOS，三菱公司采用CC-LINK以及實時（shí）以太網EtherCAT。

 
　　總線技術提高了數控係統的運算能力和柔性，並且將Soft PLC和安全協議整合在一起，簡化了數控係統（tǒng）部件之間的連接，提高了（le）可靠性，是實現機（jī）床多通道多軸聯動複雜控製的技術保障。如（rú）西門子840D可（kě）擴展到控製31軸、10個通道以及（jí）10個方式組（即不同的工作模式集合，如手動方式和自（zì）動方式就屬於不同的方式組）。

　　（3）高效曲麵加工（gōng）。在普遍采（cǎi）用前瞻技術，對加工速度、加速度和加加速度進行優化控製的同時（shí），針對曲麵加工采（cǎi）用NURBS等樣條插補。例如（rú），西門子采用“精優（yōu）曲麵”技術，不但（dàn）提高了曲麵加工質量而且縮短了加工（gōng）時間，FANUC采（cǎi）用納米（mǐ）平滑技術，海德漢（hàn）通過定義加工時間、精度和粗糙度（dù）的不同優先策略來實現高效的曲麵加工。高效曲麵加工借（jiè）助（zhù）樣條插補實現連續的運動控製、不頻繁改變運動（dòng）方向，避免了不必要（yào）的加速和製動過程，從而具有明顯的節能效果。在加工圖4所示的模具複雜曲麵時甚至可（kě）節能60％。

 
　　（4）簡便的（de）編程與豐富的人機界麵。由於（yú）采（cǎi）用了開放性的（de）策略大大地增強了數（shù）控係統人機界麵功能，給（gěi）用戶提供（gòng）了二次（cì）開發的可能性。圖形化的編（biān）程降低了數控編程的難（nán）度。用戶可以（yǐ）在圖形和動畫的引導下方便地進（jìn）行程（chéng）序編製，如西門子（zǐ）的ShopMill/ ShopTurn工步式編程（chéng）。有些係統甚（shèn）至可以直接導入CAD模（mó）型進行CAM輔助編程（chéng）。此外，三維（wéi）加工仿真功（gōng）能提高了（le）編（biān）程的質量以（yǐ）及（jí）對現（xiàn）場加工的監控。

　　（5）快速簡便（biàn）匹配和調（diào）試能力。數（shù）控機床種類繁多，同一類型甚至型號相同的（de）機床也由於各種原因造（zào）成與其所配的數控係統采用不同的配置參數才能使機床的性能得到優化（huà）。西門（mén）子（zǐ）采用Easy Extend、Easy Archive等Easy—XX的策略，在機床的配置、使用和維護中提供簡便輔助甚（shèn）至智能化（huà）的功能，提高（gāo）和完善對機床的配置（zhì）、使用及維護。

 
　　3　數（shù）控係統不（bú）僅是運動控製

 
　　3.1　數（shù）控（kòng）係統（tǒng）麵向機床（chuáng）設計和製造

 
　　近20年來數控技術飛速發展（zhǎn），促進了數控機（jī）床（chuáng）整體功能和（hé）性能不斷提高（gāo），對機床製造商研（yán）製開（kāi）發新產品（pǐn）以及產品的生產都帶來了新的技（jì）術手段和實現（xiàn）方法（fǎ）。

 
　　（1）機床設計的數字化匹配。現代機床結構設計借助有限元（yuán）、多體動力學仿真等技術對機床機械部分進行仿真優（yōu）化與驗證，取得了良好的效（xiào）果。但傳統的方法是在機床製造完成（chéng）後再同數（shù）控係統聯調，如果這（zhè）時出現問題將會造成很大的返工（gōng）和更改費用，嚴重影響新產品的開發周期。特別是高速加工機床，其動態性能由機電耦合共同決定。因此，在機床設計階段就能對多體機電耦合進行仿（fǎng）真具有特別重大的意義。

 
　　德（dé）國斯圖加特大學機床控製研究（jiū）所在主持歐盟的OSACA開放式數控係統研究項目的基礎上，提（tí）出機床硬件在環（Hardware in the Loop）和（hé）多剛（gāng）體耦合的機電一體化仿真技術，將實際數控係統和機床的數字模型集成（chéng）在一起進行仿真。借助Matlab建立機床（chuáng）的控製模型，數（shù）控係統的控製（zhì）指令發送到控製模（mó）型中，通過仿真將（jiāng）運動（dòng）信息和驅動力或力矩傳（chuán）遞到機床多體模型中，並將執（zhí）行部件的位移反饋回數控係統。機床（chuáng）的所有運動及其特性通過三維模型動畫和曲線顯示。這樣（yàng）通（tōng）過仿真分（fèn）析就可得到機床（chuáng）的動態特性，由此可進行數控係統與機床的匹配驗證以及控製參數（shù）的優（yōu）化。進一步還可以將切削加工的物理過程仿真也加入進來，對機床加（jiā）工（gōng）過程進（jìn）行全麵的仿真，預測工件的表麵質量和加工過程的穩（wěn）定性，如圖5所示。

　　（2）用戶功能的擴展和開發。一般數控係統是麵向通用應（yīng）用（yòng）領域機床而（ér）開發（fā）的，麵對（duì）日益豐富的客戶化（huà）及新產品的要求，開放式數控係（xì）統提供了這樣的軟硬件平台，使機（jī）床製造廠商能夠將客戶的需求直（zhí）接通過在數控係統上（shàng）的二次（cì）開發來實現，而（ér）不需要再增加其他的控製器和軟件（jiàn）。除了通常的客（kè）戶化人機界麵定製，進一步可進行核心算法的（de）客戶化開發（fā），使係（xì）統實現對（duì）並聯機（jī）床或特（tè）殊功能機床（chuáng）的控製。例如，進行多（duō）軸同步驅動的複合加工機床，借助傳感器進（jìn）行加工過程監（jiān）控等。此（cǐ）外，Soft PLC帶來方便的過程（chéng）控（kòng）製的（de）開發（fā）與調試，在數控係統上就可進行可編（biān）程控製程序的開發。

 
　　（3）簡（jiǎn）化機床的安裝調試。由於采用（yòng）了數字總（zǒng）線技術，通過一根總線通信電纜（lǎn）將數控係統各部件之間連接起來，大大地減輕了布線和抗幹擾的難度，同時節省電纜和接插件的使用量，特別是高速實（shí）時總線的使用，使位置環（huán）可下移到伺服驅動中（zhōng）完成，這不但減輕了NC的計算負擔，而且取消了編碼器（qì）電纜到NC的連（lián）接。

 
　　隨著總線安全協議（yì）逐漸推廣，具有安全（quán）協議的伺（sì）服驅動和I/O的使用以及滿足安全（quán）完整性等級SIL3的安全一體化總線（xiàn）的應用，將原來由另外一套安全電氣係統組成的（de）機床安全保護係統，如急停、安全防護等信號也納入總線之中傳遞（dì），從（cóng）而進一步減少（shǎo）了電纜和連接。

 
　　簡便及圖形化的調試與診斷工具軟件成（chéng）為電氣技術人（rén）員的有力幫手，並且隨著（zhe）數（shù）字示波器等信號顯示與分析工具（jù）在數控（kòng）係統中集（jí）成，不借助其他測試儀（yí）器，僅僅依靠數控係（xì）統就可完成機床調試工（gōng）作。

 
　　3.2　數（shù）控係統提升機床的應用（yòng）與維護

 
　　數控係統的數據處理能力、係統功能和性（xìng）能的提高，極大地方便了操作者使用機床。

 
　　（1）數控編程和數（shù）字化驗證。雖然傳統的CAD/CAM係統一般都提供（gòng）加工軌跡的模擬仿（fǎng）真（zhēn），但僅是理論上的軌（guǐ）跡，沒有考慮到具體機床的動態（tài）特性和數控係統（tǒng）的特點，所以無法進（jìn）行加工精度（dù）的仿真。西門子UG將SINUMERIK數控核心移植到CAM中，使仿（fǎng）真軌跡特性如同數控係統真實運行的一樣。DMG協同西門子公司將這種技術直接在數控係統中加以實現，這樣就可在數控係統中進行相應的編程和虛擬機床的仿真加工（gōng）。

 
　　（2）在線過程監控。通過在機（jī）床中增加傳感器（qì）和執行器來對（duì）加工過程進行監控，采集（jí）的信號通過開放式數控（kòng）係統（tǒng）進行處理，並且許多研究與應用加入了智能化的算（suàn）法，將數控機床從被動的“動作”執行者向自主的“任（rèn）務”承擔者轉變。如通過在主軸中增加振動傳感器並從（cóng）伺服控製器得到速度、加速度和電流信（xìn）號，就可對切削加工過程的狀態進行判斷，進而采用優化（huà）的參數和方法完成加工任務。如海（hǎi）德漢數控係統通過動態碰撞監控（kòng）DCM功（gōng）能，解決了多軸加工複（fù）雜的幹涉碰撞（zhuàng）在線檢查問題。

 
　　（3）機床的維護（hù）與管理。目前數控程序主要通（tōng）過網絡化（huà）和USB介質（zhì）存（cún）儲，數控係統本身也跨出了存儲容量的限製，加工程序都可在係統中存儲。如SINUMERIK 828D采用封閉結構，沒有硬盤和風扇，摒棄了這些易於磨損的部件，采用基（jī）於NV-RAM技術的數據備份，無（wú）需安裝（zhuāng）電池。

 
　　維護管理（lǐ）功能也集成在數控係統中，通過設定機床、刀具等的維（wéi）護條件，數控係統到時自（zì）動提示換刀和進行機床維護工作，並且通過網絡將報警維護等（děng）信（xìn）息通過互聯網、短信等形式傳遞給相關人員或機床服務商（shāng），就可進行遠程服（fú）務和診斷。有（yǒu）了這些網絡化的接（jiē）口和協議，使（shǐ）機床（chuáng）成組成線工作大大簡（jiǎn）化。

 
　　機（jī）床的（de）精度保持工作也是使用者一項重要的工作，通常通過誤差檢測和補償來維護機床的加工精度。以前這些工作（zuò）需要昂（áng）貴的測試（shì）設備和人員，進行專業的測試和分析（xī），然後通（tōng）過手工的方式形成補償文件，送入數控係統中進行補償。現（xiàn）在數（shù）控係（xì）統中（zhōng）開發測試分析軟件，通過測試儀器（如球杆儀、測量頭）及數控係（xì）統，自動對數據進行分（fèn）析和處理，生成（chéng）補償（cháng）數據。如海德（dé）漢通過KinematicsComp以及KinematicsOpt軟件功（gōng）能方便地實現機床誤差檢測與補償工作。

 
　　4　基於（yú）STEP-NC的集成

 
　　基於（yú）ISO6983 G代碼數控編程語言對數控技術發展的製約越來越明顯，以（yǐ）零件加工特征為基礎的STEP-NC技術使人們看（kàn）到了將數控係統從被動的軌跡和（hé）邏輯命令的執行者向加工（gōng）任務的自主規劃的智能化方向發展的曙光。基於STEP-NC的係統集（jí）成如圖6所示。

　從圖中可見，CAD係統輸出STEP文檔，借助AP203接口將數據轉化（huà）為STEP-NC後作為CAM係統的輸入，借助零件加工（gōng）特（tè）征及工藝模型生成STEP-NC加工程序（xù），它隻向機床（chuáng）下達（dá）“加（jiā）工什麽”，而由數（shù）控機床決定“如何加（jiā）工”。數控係統接收STEP-NC程序，生（shēng）成高層控（kòng）製數（shù）據和加工（gōng）軌跡，最後（hòu）通過（guò）總線接口傳送至開放的智能驅動模塊，驅（qū）動進給（gěi）和主軸。機床運動部件的工（gōng）況反饋給數控，數控根據這（zhè）些工況信息來調整加工參數和策略。並可將信息反饋給CAM係統，從（cóng）而對STEP-NC編程產（chǎn）生影響，所以（yǐ）CAM到CNC的信息和數據流是雙向的。

 
　　5　結語（yǔ）和展望

 
　　機床數控係統的（de）客戶化和智能化是大勢所趨，軟件（jiàn）在數控係統所占比重日益增加，使數控係統不（bú）僅控製機床運動，也為機床的優化設計和（hé）合理使（shǐ）用提供眾（zhòng）多的可能（néng）。開放式數控係統明顯拓寬了（le）這一發展的空間，使數控係統能夠方便及時地利用計算機和電子技術的新成（chéng）果，在提升數（shù）控係統（tǒng）的速度、精度（dù）和智能化（huà）水平的同時，做到操作使用更加方便和（hé）簡化。