【正文】 控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。(2)PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。開放結構在90年代初形成；對于許多熟悉計算機應用的系統(tǒng)廠家，往往采用第(2)方案。但目前主流數控系統(tǒng)生產廠家認為數控系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，象PC機存在的死機現象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經生產大量的數控系統(tǒng)：體系結構的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服務和可靠性產生不良的影響。因此不把開放結構作為主要的產品，仍然大量生產原結構的數控系統(tǒng)。為了增加開放性，主流數控系統(tǒng)生產廠家往往采用(1)方案，即在不變化原系統(tǒng)基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機界面的功能比較典型的如FANUC的150/160／180／210系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusion system)。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎。 2 軟件伺服驅動技術 伺服技術是數控系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，采用計算機控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為“軟件伺服”。它有以下優(yōu)點：(1)無溫漂，穩(wěn)定性好。(2)基于數值計算，精度高。(3)通過參數對設定，調整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了直流力矩伺服電機，從此開始大量采用直流電機驅動。開環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。但直流電機存在以下缺點：(1)電動機容量、最高轉速、環(huán)境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護不方便。交流異步電機雖然價格便宜、結構簡單，但早期由於控制性能差，所以很長時間沒有在數控系統(tǒng)上得到應用。隨著電力電子技術的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，數控機床逐漸采用異步電機為主軸的驅動電機。如果把直流電機進行“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子，轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，這就構成了永磁無刷電機。這種電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數控系統(tǒng)的進給驅動裝置上。為了實現更高的加工精度和速度，90年代，許多公司又研制了直線電機。它由兩個非接觸元件組成，即磁板和線卷滑座：電磁力直接作用于移動的元件而無需機械連接，沒有機械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴于直線反饋系統(tǒng)和分級的支承，由全數字伺服驅動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。但由于它的推力還不夠大，發(fā)熱，漏磁及造價也影響了它的廣—泛應用。對現代數控系統(tǒng)，伺服技術取得的最大突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統(tǒng)，應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，特別是DSP的應用，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。這些技術的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強。大大推動了高精高速加工技術的發(fā)展。 3 CNC系統(tǒng)的連網 數控系統(tǒng)從控制單臺機床到控制多臺機床的分級式控制需要網絡進行通信；網絡的主要任務是進行通信，共享信息。這種通信通常分三級：(1)工廠管理級。一般由以太網組成。(2)車間單元控制級。一般由DNC功能進行控制。通過DNC功能形成網絡可以實現對零件程序的上傳或讀、寫CNC的數據：PLC數據的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM/CAPP以及CNC的程序進行傳送和分級管理。CNC與通信網絡連系在一起還可以傳遞維修數據，使用戶與NC生產廠直接鴀?通信：進而，把制造廠家連系一起，構成虛擬制造網絡。(3)現場設備級?，F場級與車間單元控制級及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設備單機及I／0控制、連線控制、通信連網、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現場設備生產、運行數據的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執(zhí)行之。因此，現場級與車間級是實現工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎。傳統(tǒng)的現場級大多是基于PLC的分布式系統(tǒng)。其主要特點是現場層設備與控制器之間的連接是一對一，即一個I/0點對設備的一個測控點。所謂I／0接線方式為傳遞4—20ma(模擬量信息)或24VDC(開關量信息)。這種系統(tǒng)的缺點是：信息集成能力不強、系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強、可靠性不易保證、可維護性不高?，F場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。因此，現場總線是面向：工廠底層自動化及信息集成的數字網絡技術?，F場總線技術的主要特點為：它是數控系統(tǒng)通信向現場級的延伸、數字化通信取代4—20ma模擬信號、應用現場總線技術，要求現場設備智能化(可編程或可參數化)：它集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體：由于現場總線具有開放性、互操作性、互換性、可集成性，因此是實現數控系統(tǒng)設備層信息集成的關鍵技術。它對提高生產效率、降低生產成本非常重要。目前在工業(yè)上采用的現場總線有ProfibusDP，SERCOS，JPCN1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco等。有的公司還有自己的總線，比如FANUC的FSSB，I／OLINK(相當于JPCN—1)，YASKAW^的MOTIONLINK等。目前比較活躍的是Prof主busDP，為了允許更快的數據傳送速度，它由0S工的七層結構省去37層構成。西門子最新推出802D的伺服控制就是由ProfibusDP控制的。 4 功能不斷發(fā)展和擴大 NC技術經過50年的發(fā)展，已經成為制造技術發(fā)展的基礎。這里以FANUC最先進的CNC控制系統(tǒng)15i／150i為例說明系統(tǒng)功能的發(fā)展。這是一臺具有開放性，4通道、最多控制軸數為24軸、最多聯(lián)動軸數為24軸、最多可控制4個主軸的CNC系統(tǒng)。其快移速度與分辨率關系如下表11。 表11 快移速度與分辨率 快速移動速度m／min 分辨率 L1m 240 1 100 0．1 10 0．01 l 0．001 它的技術特點反映了現代NC發(fā)展的特點： a. 開放性：系統(tǒng)可通過光纖與PC機連接，采用Window兼容軟件和開發(fā)環(huán)境。功能以高速、超精為核心，并具有智能控制。特別適合於加工航空機械零件，汽車及家電的高精零件，各種模具和復雜的需5軸加工的零件。15i／150主具有高精納米插補功能；即使系統(tǒng)的沒定編程單位為1um，通過納米插補也可提供給數字伺服以lnm為單位的指令，平滑了機床的移動量，提高了加工表面光潔度，大大減少加工工表面的誤差。，快速可達240m/min速度；系統(tǒng)還具有高速高精加工的智能控制功能：(1)預計算出多程序段刀具軌跡，并進行預處理。(2)智能控制，計及機床的機械性能，可按最佳的允許進給率和最大的允許加速度使機床的功能得到最大的發(fā)揮。以便降低加工時間，提高效率，同時提高加工精度。(3)系統(tǒng)可在分辨率為1nm時工作，適用於控制超精機械。 b . 高級復雜的功能：15i／150i可進行各種數學的插補，如直線、圓弧、螺旋線、漸開線、螺旋漸開線、樣條等插補。也可以進行NURBS(Non uniform rat主ona!B spline)插補。采用NURBS插補可以人人減少NC程序的數據輸入量，減少加工時間，特別適用模具加工。NURBS插補不需任何硬件。 c . 強力的聯(lián)網通信功能。適應工廠自動化需要，支持標準FA網絡及DNC的連接。（1）工廠干線或控制層通信網絡：由PC機通過以太網控制多臺15i／150i組成的加工單元，可以傳送數據、參數等。(2)設備層通信網絡：15㈠150i采用I／0 LINK(與日本標準JPCN—1相對應的一種現場總線。（3）通過RS—485接口傳送I／0信號：或且也可采用Prellbus—DP(符合歐洲1標準EN50170)以12Mbps進行高速通信。d. 具有高速內裝的PMC(有的廠商稱為PLC)， 以減少加工的循環(huán)的時間： (1)梯形圖和順序程序由專用的PMC處理器控制，這種結構可進行快速大規(guī)模順序控制。(2)基本PMC指令執(zhí)行時間為：0．085ps；最大步數：32，000步。(3)可以用C語言編程；32位的C語言處理器可作為實時多任務運行；它與梯形圖計算的PMC處理器并行工作。(4)可在PC機上進行程序開發(fā)。 e. 先進的操作：性和維修性。(1)具有觸摸面板，容易操作。(2)可采用存儲卡改變輸入輸出。數控技術的發(fā)展趨勢數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領域，年產30萬輛的生產節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使構件的強