数控技术的现状与展望

ＦＡＮＵＣ Ｌ／Ｏ“ｎｋ是ＣＮＣ连结扩展Ｌ／Ｏ的现场总 线系统的总线，而ＦＦＳＢ则是连接ＣＮＣ和伺服系统的 总线。
５ ＰＬＣ功能继续增强
可编程控制器（ＰＬＣ）在数控机床上主要完成ＭｓＴ 功能（辅助功能），即除了主运动以外的辅助功能，但 目前ＰＬＣ在数控机床上的功能正在逐渐扩大，例如： １）可通过报警文本编辑产生个性化的诊断页面。 ２）ＰＬＣ直接控制坐标轴。３）在系统配置和初始化时发 挥作用，这个作用对西门子系统的ＰＬＣ最为明显。
单独的ＰＬＣ可以完成全部的ＣＮｃ功能，这已经 成为现实。但就目前而言，ＰＬＣ主要还是在数控系统 配置到机床上时起一个“接口”作用，包括ＭＳＴ功能， 诊断功能等，这种功能正在不断扩大。
电动机上的编码器将信号直接反馈给ｃＮＣ系统，既作 为位置反馈（半闭环），又作为速度反馈。ｃＮＣ发出的 速度指令送入驱动单元的Ⅳ１Ｂ和Ⅳ２Ｂ。０ｉＣ系统则 采用Ｆ＇ｓｓＢ光纤进行ｃＮｃ和伺服通信，这和三菱伺服 的连结类似。
ＣＮＣ的通讯功能还有一个目的是上传数控机床 的状态及故障信息，以便上位机监控并进行故障诊 断。西门子８４０Ｄ／８１０Ｄ可以通过电话线、ＩＳＤＮ、Ｉｎｔｅｒ． ｎｅｔ、ＧＳＭ或ＬＡＮ、ＷＡＮ、Ｉｎｔ聊１ｅｔ和上位机通讯，进行 远程诊断，但需安装远程诊断软件、调制解调器，并有 电话线或通过网卡进行。ＭＡｚＡＫ公司的ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０等亦具有这种功能。
综述
现代制造工程２００８年第４期
ＰＬＣ的基本程序（非用户梯形图）在机床调整时，激活 机床操作面板ＭＣＰ并设置通道和主轴、坐标轴。通道 相当ＦＡＮＵＣ中的Ｈｅａｄ。４）通过ＰＬＣ提供的参数和 ＣＮＣ系统参数可以在ＰＬＣ和零件加工程序之间传递 信息，以完成某些特定功能。即ＰＬＣ已经渗透到零件 加工程序的编制中。
现场总线（ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ）实质上是工控网络中的低档
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图ｌ 西门子８０２Ｄ用现场总线连接整个系统
ＦＡＧＯＲ公司的ＳＥＲＣＯＳ主要用于ＣＮＣ和伺服系 统的通讯且采用光缆。最高传输速率为４Ｍ ｂａｕｄ。 ＳＥＲＣＯＳ将ＣＮＣ（８０５５，８０７０）和主轴、坐标轴驱动连 结起来，每个节点亦有相应地址。从ＦＡＧＯＲ ８０７０开 始，ＣＮＣ和Ｌ／Ｏ的连结采用ＣＡＮ总线。
１ 数控系统的硬件技术发展迅速
随着集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控 硬件技术的更新换代注入新的活力，现代数控系统普 遍采用超大规模集成电路（ＶＬｓＩ）、专用芯片（ＡＳＩＣ） 及数字信号处理（ＤｓＰ）技术。在电气装联上广泛采用 表面安装（ＳＭＴ）、三维高密度（ｔｌｌｒｅｅ ｄｉ啪璐ｉｏｎａｌ ｈｉｇｈ ｄｅＩｌｓｉｔ）ｒ）技术，极大地提高系统的可靠性。高速高性能 存储技术，比如闪烁存储（ｎ船ｈ ｍｅｍｏｒｙ），移动存储 （ＰｃＭｃＬＡ ｃａｒｄ）等极大地方便用户。薄膜晶底层设备通信有以下特点。 １）通信环境恶劣，可能受到温度、湿度变化、尘
埃、电压波动、机械振动和电磁场干扰等因素影响。 ２）信息传递主要是设备与设备之间，故对通信可
靠性要求高。 ３）通信内容和时间一般可以预先设定，随机、自
发产生的信息相对较少，这可使通信协议大大简化。 ４）由于有较多的监控信息，实时性要求高。 ５）要求有一定的故障诊断和容错能力，以防止不
Ｓｔａｔ吣ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＣＮＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
“Ｃｈｅｎｇ．ｒｅｎ
（ＮＣ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ＸｉＪｉｎｇ ＵＩｌｉｖｅ玛ｉｔｙ，Ｘｉ’肌７１０１２３，ＣＨＮ）
ｈ衲ａ砖ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕ弛、ｏｐｅｍｔｉｎｇ Ａｋ；ｈ薯ｃｔ：Ｄｅ∞ｒｉｂｅｓ ＣＮＣ ｐ佗船ｎｔ ８ｉｔｕａｌｉｏｎ肌ｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ＰＰｌ、ＰＰ２、６ｌｌＵ为从站，并均有节点地址，如图１ 所示。
严格意义上说，数控控制软件中包含着实时操作 系统的思想，例如任务调度、存储器管理、中断处理 等，但这种技术是隐含的，是和数控应用程序比如插 补，伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特 的，不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商 而言带来诸多不便。在开放式数控呼声日益高涨的 今天，研究实时操作系统在ＣＮＣ软件中的应用是顺理 成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术 发展迅猛，这对于数控控制软件的开发将产生革命性 的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统， 将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上 “挂”，最终移植到一个硬件环境中去，形成最终使用 户满意的数控系统，也就是个性化的ＣＮＣ系统，这将 是开放式数控的主要方向。
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世界上一些著名的数控制造商纷纷推出ＰＣ－ ｂ鹊ｅｄ ＣＮＣ系统，例如ＦＡＮＵＣ公司的ＦＡＮＵＣ １６０／ １８０，西门子公司的ｓｉｅｍｅｎｓ ８４０Ｄｉ，ＦＡＧＯＲ公司的 ＦＡＧＯＲ ８０７０。由于采用了工业级ＰＣ机及桌面操作 系统Ｗｉｎｄｏｗｓ，ＤＯＳ等，其丰富的软、硬件资源给用户 带来诸多的方便。
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的问题，一个是ＰＬｃ梯形图的编写。另一个是机床参 数的确定。前者主要解决辅助功能的匹配，比如机床 冷却、润滑、主轴正、反转以及机床操作面板的适配。 而后者主要匹配机床的主运动，例如进给速度，加减 速，行程限制等。这里主要介绍ＰＬＣ梯形图的开发问 题。早期的数控机床的梯形图是由ＣＮＣ工程师根据 机床的功能编写的。编译完以后再插入到数控软件 中去，随着数控技术的普及，原先由数控系统制造商 垄断的接口软件开发已转移到机床厂或数控集成商。 用户可根据ＣＮＣ制造商提供的集成方法和文件自行 开发，大大促进了数控技术的发展和普及。现在为了 减轻机床厂和系统集成商编写梯形图的负担，西门子 公司在８０２Ｄ系统中提供了ＰＬＣ应用程序实例和子程 序库说明，最终用户在编写梯形图时，只要利用参数 调用就可以完成梯形图的编写，大大方便了用户并节 约了时间。
显示器（邢ＣＤ）技术使得显示装置趋于平板化，更
便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系 统核心的处理器广泛采用“位以上的高速ｍｓｃ
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ＣＰＵ，保证高速、高精度的数控加工。 以日本ＦＡＮＵＣ １６∥１８ｉ和１６０∥１８０ｉ为例，已形成
超小、超薄型控制器，主控板仅为名片一样大小，主处 理器采用Ｐｅｎｔｉｕｍ芯片。ＣＮＣ和伺服采用５０Ｍ／Ｓ的 高速串行总线。用光缆连结Ｌ／Ｏ模块，采用分散配 置，便于机电一体化。在通讯方面采用ＰｃＭｃ队存储 卡和外部计算机通讯，或采用调制解调器，用电话和 人机通讯。
未来实时ｕｎｕｘ（ＲＴ ｕｎｕ】【）有望成为ＣＮＣ实时操 作系统的主流。“ｎｕｘ除了具有功能强大、高性能、稳 定性好以及原代码开放等优势以外，其最大的特点是 Ｕｎｕｘ内核具有非常良好的结构，即可由用户根据特 殊的系统需求，对内核进行配置或裁剪，而这一特点 恰恰满足了可开放式数控应用的差异性需求。
４现场总线技术开始广泛使用
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７．３三菱公司数字伺服的连接 与上述ＦＡＮＵＣ系统有所不同是ＣＮＣ仅向伺服驱
动提供位置命令，位置环和速度环均在数字伺服 ＭＤＳ．ＳＶＪ２之中完成，并且驱动单元之间亦为串行联 结，如图３所示，即所谓“位置环下移”现象。伺服系 统具有原数控的部分功能，有利于简化数控系统的结 构，提高数控系统运行的可靠性。
６ ＣＮＣ的通讯、网络功能不断扩大
从早期的ＤＮＣ，ＲＳ２３２、４２２和４８５一直到目前的 ＭＡＰ，ＥｔＩｌｅｍｅｔ等，数控机床的网络通讯功能在不断增 强。为解决大容量零件加工程序的传递和存储，一是 可采用ＤＮＣ中的前端机进行分配和传输，即形成 ＤＮＣ主机一前端机．ＣＮＣ的三层模式。而一台前端机 可控制多台ＣＮＣ。另外一种，对于带ＰＣＭＣ认卡的 ＣＮＣ系统，可利用该存储卡传递加工程序（一张卡为 ５—８Ｍ）。第二种最简单的方法可利用ＣＮＣ和后台编 辑功能，在切削时同时传递零件加工程序。
应该看到，在数控加工这种强实时环境中，使用 商用操作系统Ｗｉｎ，ＤＯＳ’等，还尚未得到业界的完全认 可。在理论上没有证明比现有传统的ＣＮＣ更加优越。
为应对开放式数控未来的发展，我国从２００３年开 始实施开放式数控国家标准ＧＢ／Ｔ１８７５９．１。开放式 数控（ＯＮｃ）就其开放程度可分为三个层次。第一层 次是具有可配置功能，开放的人机界面的通信接口及 协议。第二层次为控制装置在明确固定的拓扑结构 之下允许替换，增加ＮＣ核心中的特定模块以满足客 户的特殊要求。第三层次为拓扑结构的完全可变的 全开放的控制装置。这三个层次中第一层次目前基 本达到。未来的发展主要围绕第二个层次目标展开， 还有很长的路要走。
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数控技术的现状与展望
李诚人 （西京学院数控中心，西安７１０１２３）
摘要：主要叙述了数控技术的现状和发展：硬件技术、体系结构、操作系统、现场总线、ＰＬＣ、网络通讯、交流伺服和开发环 境等。数控技术的研究对我国制造业发展具有重要意义。 关键词：数控技术；现状；展望
中图分类号：ＴＨ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７ｌ＿３１３３ Ｉ ２００８）０４珈１２９—０４
必要的系统故障。 ６）距离短，频度高。 基于上述特点，底层设备互连网络通常采用协议
简单、响应迅速、可靠性高的主．从通信方式，使用工控 网络中的低档产品，如现场总线。
西门子公司的ｐｍ胁ｕｓ首先应用在８０２Ｄ中、低挡 数控系统中。对８０２Ｄ而言，２４Ｖ电源为“心脏”，ＰＣＵ
模块为“大脑”，ｐｍｂｕ８为“神经”。因为ＰＣＵ和Ｌ／Ｏ 以及伺服系统的连结均依靠ｐ础ｂｕｓ。ＰＣＵ为主站，