机床数控系统的新趋势

　　【编者按】随着机床性能的提高、电子技术的迅速发展以及加工零件形状日益复杂，机床数控系统中硬件、软件和客户化应用所占的价格比例在不断变化，特别是高档数控系统的软件和客户化应用占有的比例越来越高，甚至超过了75％。

　　1　开放的体系结构
　　
　　客户化应用是针对特定机床和用户的控制、支持和管理功能，这就要求数控系统对机床制造商和最终用户开放。开放式控制系统以标准化的软硬件体系结构、便于扩展、联网和开发客户化应用软件来适应这种潮流。
　　近年来，数控系统开放的理念得到了广泛的认同，拓宽了数控系统的应用范围。例如，通过对主轴功率和电流、借助机床振动和声频等检测方法，实现对加工过程的智能化控制，大大地推动了高端数控装备的发展。
　　数控系统的开放性主要从以下4个方面来加以评价：①可移植性；②可剪裁性；③互操作性；④易获得性。数控系统的开放程度具体表现在人机界面、控制核心和整个系统的开放性，有下列3种不同形式：
　　（1）开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，即仅能对面向用户的程序作修改。
　　（2）控制系统核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。
　　（3）开放式控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。
　　目前数控系统的开放性皆以PC架构为基础，有3种实现方案，如图1所示。

图1　不同开放式系统的实现方案

　　方案1：集中式结构。采用多CPU结构，通过总线将这些CPU系统连接在一起，结构紧凑。
　　人机界面CPU以PC平台构建，以体现其开放性。控制核心或PLC可采用不同的CPU系统，但集成在一个机壳中，通过数字化总线和伺服系统及I/O通信。这种结构仅实现人机界面的开放，硬件系统仍取决于数控系统供应商。典型产品如西门子828D、Fanuc 30i和德龙的Antronic3060（图2）。

图2　Ａｎｄｒｏｎic 3060系统的框图人

　　方案2：分离式结构。人机界面和实时控制功能分别由独立的系统承担。人机界面在PC硬件平台及Windows或Linux操作系统下开发，相当于一个独立完整的PC机，在数控机床上安装配置方便、对环境的要求低，通过总线和数控核心控制器进行通信。控制核心硬件系统和伺服控制系统设计成模块化结构，安装在机床控制柜中，提高了数控系统的抗干扰能力和可靠性。这种结构实现了开放的人机界面和部分控制系统核心的开放，被大多数数控系统所采用。如西门子840D、海德汉iTNC、开通数控、海纳克数控等。
　　方案3：全软件式结构。以PC平台为基础，仅增加总线通信卡（或采用标准以太网物理结构实现实时以太网）和伺服系统及I/O通讯，软件在通用的Windows或Linux系统上加入实时操作系统内核后开发实现，从而可实现体系结构的全开放。典型产品如德国Power Automation的PA8000、飞阳数控、华中数控等。一些采用PC加运动控制卡开发的专用数控系统也可划归为这种类型。
2　主流数控系统的技术特点
　　目前在中高端数控系统市场中占主导地位的是日本发那科（FANUC）和德国西门子（Siemens）公司的产品，还有一些各具特色的数控系统产品，如德国的海德汉（Heidenhain）公司的iTNC、博世力士乐（Bosch Rexroth）公司的IndraMotion MTX、安德龙（Ａｎｄｒｏｎ）公司的Ａｎｄｒｏｎ，　日本三菱公司的M700V等。上述系统反映数控技术发展趋势的共同点如下：
　　（1）高精度纳米插补及运动控制。由于高速高精度数控加工对轨迹精度和表面质量的要求，使得传统数控系统以微米为最小控制单位进行插补和运动控制的方法已经不能满足要求。西门子828D采用80位浮点计算精度进行插补运算，发那科30i和三菱M700V等系统都实现了纳米插补功能，Ａｎｄｒｏｎic 3060甚至精化到皮米。
　　纳米插补不仅仅是一个轨迹计算精度的问题，它涉及到前瞻平滑处理、插补位控周期和伺服系统动态响应及精度的问题。例如，不同插补精度对输出电流和加速度的影响如图3所示。应该指出，角度编码器至少要达到每转百万线以上，插补位控周期至少要100 μs级才能实现纳米级控制的所期望的效果。
　　（2）网络化全数字系统体系结构。随着基于总线技术的伺服驱动和I/O技术的不断发展，在采用64位微处理器的基础上，使传统的伺服系统与控制核心之间的模拟指令接口逐渐被淘汰，取而代之的是各种实时总线。例如，一些厂家采用专用总线，如FANUC的FSSB、西门子的Drive-CLiQ，海德汉的实时以太网HSCI以及意大利FIDIA的FFB总线，专用总线可使数控核心技术相对封闭。有些公司系统则采用标准的驱动总线，如博世力士乐采用SERCOS，三菱公司采用CC-LINK以及实时以太网EtherCAT。
总线技术提高了数控系统的运算能力和柔性，并且将Soft PLC和安全协议整合在一起，简化了数控系统部件之间的连接，提高了可靠性，是实现机床多通道多轴联动复杂控制的技术保障。如西门子840D可扩展到控制31轴、10个通道以及10个方式组（即不同的工作模式集合，如手动方式和自动方式就属于不同的方式组）。

　　　　　　　　　　　　　
图3　插补精度对输出电流和加速度的影响

　　（3）高效曲面加工。在普遍采用前瞻技术，对加工速度、加速度和加加速度进行优化控制的同时，针对曲面加工采用NURBS等样条插补。例如，西门子采用“精优曲面”技术，不但提高了曲面加工质量而且缩短了加工时间，FANUC采用纳米平滑技术，海德汉通过定义加工时间、精度和粗糙度的不同优先策略来实现高效的曲面加工。高效曲面加工借助样条插补实现连续的运动控制、不频繁改变运动方向，避免了不必要的加速和制动过程，从而具有明显的节能效果。在加工图4所示的模具复杂曲面时甚至可节能60％。
　　（4）简便的编程与丰富的人机界面。由于采用了开放性的策略大大地增强了数控系统人机界面功能，给用户提供了二次开发的可能性。图形化的编程降低了数控编程的难度。用户可以在图形和动画的引导下方便地进行程序编制，如西门子的ShopMill/ ShopTurn工步式编程。有些系统甚至可以直接导入CAD模型进行CAM辅助编程。此外，三维加工仿真功能提高了编程的质量以及对现场加工的监控。

　　　
图4　高效曲面加工

　　（5）快速简便匹配和调试能力。数控机床种类繁多，同一类型甚至型号相同的机床也由于各种原因造成与其所配的数控系统采用不同的配置参数才能使机床的性能得到优化。西门子采用Easy Extend、Easy Archive等Easy—XX的策略，在机床的配置、使用和维护中提供简便辅助甚至智能化的功能，提高和完善对机床的配置、使用及维护。
　　3　数控系统不仅是运动控制
　　3.1　数控系统面向机床设计和制造
　　近20年来数控技术飞速发展，促进了数控机床整体功能和性能不断提高，对机床制造商研制开发新产品以及产品的生产都带来了新的技术手段和实现方法。
　　（1）机床设计的数字化匹配。现代机床结构设计借助有限元、多体动力学仿真等技术对机床机械部分进行仿真优化与验证，取得了良好的效果。但传统的方法是在机床制造完成后再同数控系统联调，如果这时出现问题将会造成很大的返工和更改费用，严重影响新产品的开发周期。特别是高速加工机床，其动态性能由机电耦合共同决定。因此，在机床设计阶段就能对多体机电耦合进行仿真具有特别重大的意义。
　　德国斯图加特大学机床控制研究所在主持欧盟的OSACA开放式数控系统研究项目的基础上，提出机床硬件在环（Hardware in the Loop）和多刚体耦合的机电一体化仿真技术，将实际数控系统和机床的数字模型集成在一起进行仿真。借助Matlab建立机床的控制模型，数控系统的控制指令发送到控制模型中，通过仿真将运动信息和驱动力或力矩传递到机床多体模型中，并将执行部件的位移反馈回数控系统。机床的所有运动及其特性通过三维模型动画和曲线显示。这样通过仿真分析就可得到机床的动态特性，由此可进行数控系统与机床的匹配验证以及控制参数的优化。进一步还可以将切削加工的物理过程仿真也加入进来，对机床加工过程进行全面的仿真，预测工件的表面质量和加工过程的稳定性，如图5所示。

图5　机床、工件和加工过程的集成仿真

　　（2）用户功能的扩展和开发。一般数控系统是面向通用应用领域机床而开发的，面对日益丰富的客户化及新产品的要求，开放式数控系统提供了这样的软硬件平台，使机床制造厂商能够将客户的需求直接通过在数控系统上的二次开发来实现，而不需要再增加其他的控制器和软件。除了通常的客户化人机界面定制，进一步可进行核心算法的客户化开发，使系统实现对并联机床或特殊功能机床的控制。例如，进行多轴同步驱动的复合加工机床，借助传感器进行加工过程监控等。此外，Soft PLC带来方便的过程控制的开发与调试，在数控系统上就可进行可编程控制程序的开发。
　　（3）简化机床的安装调试。由于采用了数字总线技术，通过一根总线通信电缆将数控系统各部件之间连接起来，大大地减轻了布线和抗干扰的难度，同时节省电缆和接插件的使用量，特别是高速实时总线的使用，使位置环可下移到伺服驱动中完成，这不但减轻了NC的计算负担，而且取消了编码器电缆到NC的连接。
　　随着总线安全协议逐渐推广，具有安全协议的伺服驱动和I/O的使用以及满足安全完整性等级SIL3的安全一体化总线的应用，将原来由另外一套安全电气系统组成的机床安全保护系统，如急停、安全防护等信号也纳入总线之中传递，从而进一步减少了电缆和连接。
　　简便及图形化的调试与诊断工具软件成为电气技术人员的有力帮手，并且随着数字示波器等信号显示与分析工具在数控系统中集成，不借助其他测试仪器，仅仅依靠数控系统就可完成机床调试工作。
3.2　数控系统提升机床的应用与维护
　　数控系统的数据处理能力、系统功能和性能的提高，极大地方便了操作者使用机床。
　　（1）数控编程和数字化验证。虽然传统的CAD/CAM系统一般都提供加工轨迹的模拟仿真，但仅是理论上的轨迹，没有考虑到具体机床的动态特性和数控系统的特点，所以无法进行加工精度的仿真。西门子UG将SINUMERIK数控核心移植到CAM中，使仿真轨迹特性如同数控系统真实运行的一样。DMG协同西门子公司将这种技术直接在数控系统中加以实现，这样就可在数控系统中进行相应的编程和虚拟机床的仿真加工。
　　（2）在线过程监控。通过在机床中增加传感器和执行器来对加工过程进行监控，采集的信号通过开放式数控系统进行处理，并且许多研究与应用加入了智能化的算法，将数控机床从被动的“动作”执行者向自主的“任务”承担者转变。如通过在主轴中增加振动传感器并从伺服控制器得到速度、加速度和电流信号，就可对切削加工过程的状态进行判断，进而采用优化的参数和方法完成加工任务。如海德汉数控系统通过动态碰撞监控DCM功能，解决了多轴加工复杂的干涉碰撞在线检查问题。
　　（3）机床的维护与管理。目前数控程序主要通过网络化和USB介质存储，数控系统本身也跨出了存储容量的限制，加工程序都可在系统中存储。如SINUMERIK 828D采用封闭结构，没有硬盘和风扇，摒弃了这些易于磨损的部件，采用基于NV-RAM技术的数据备份，无需安装电池。
　　维护管理功能也集成在数控系统中，通过设定机床、刀具等的维护条件，数控系统到时自动提示换刀和进行机床维护工作，并且通过网络将报警维护等信息通过互联网、短信等形式传递给相关人员或机床服务商，就可进行远程服务和诊断。有了这些网络化的接口和协议，使机床成组成线工作大大简化。
机床的精度保持工作也是使用者一项重要的工作，通常通过误差检测和补偿来维护机床的加工精度。以前这些工作需要昂贵的测试设备和人员，进行专业的测试和分析，然后通过手工的方式形成补偿文件，送入数控系统中进行补偿。现在数控系统中开发测试分析软件，通过测试仪器（如球杆仪、测量头）及数控系统，自动对数据进行分析和处理，生成补偿数据。如海德汉通过KinematicsComp以及KinematicsOpt软件功能方便地实现机床误差检测与补偿工作。
4　基于STEP-NC的集成
　　基于ISO6983 G代码数控编程语言对数控技术发展的制约越来越明显，以零件加工特征为基础的STEP-NC技术使人们看到了将数控系统从被动的轨迹和逻辑命令的执行者向加工任务的自主规划的智能化方向发展的曙光。基于STEP-NC的系统集成如图6所示。

图6　基于STEP-NC的系统集成

　　从图中可见，CAD系统输出STEP文档，借助AP203接口将数据转化为STEP-NC后作为CAM系统的输入，借助零件加工特征及工艺模型生成STEP-NC加工程序，它只向机床下达“加工什么”，而由数控机床决定“如何加工”。数控系统接收STEP-NC程序，生成高层控制数据和加工轨迹，最后通过总线接口传送至开放的智能驱动模块，驱动进给和主轴。机床运动部件的工况反馈给数控，数控根据这些工况信息来调整加工参数和策略。并可将信息反馈给CAM系统，从而对STEP-NC编程产生影响，所以CAM到CNC的信息和数据流是双向的。
　　5　结语和展望
　　机床数控系统的客户化和智能化是大势所趋，软件在数控系统所占比重日益增加，使数控系统不仅控制机床运动，也为机床的优化设计和合理使用提供众多的可能。开放式数控系统明显拓宽了这一发展的空间，使数控系统能够方便及时地利用计算机和电子技术的新成果，在提升数控系统的速度、精度和智能化水平的同时，做到操作使用更加方便和简化。

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