數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及若干問(wèn)題的探討

孫若承

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院閩南工作部 361000）

在20 世紀(jì)70 年代，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)屬于機(jī)場(chǎng)控制新技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)以及傳感測(cè)試技術(shù)。數(shù)控技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的技術(shù)，能夠不斷提升制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)功能日益增多，成本逐漸低下，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)，即開(kāi)放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.1 開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展過(guò)程中，相應(yīng)促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)的硬件資源與軟件資源，開(kāi)發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)能夠提出庫(kù)系統(tǒng)的適應(yīng)性和通用性，并且逐漸向網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。近年來(lái)多數(shù)國(guó)家都致力于研究開(kāi)發(fā)式體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用通用微機(jī)技術(shù)，以此簡(jiǎn)化編程操作以及技術(shù)升級(jí)的難度。作為新一代數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的軟件與硬件都呈開(kāi)放狀態(tài)，制造商和用戶可按照開(kāi)放資源進(jìn)行系統(tǒng)集成。同時(shí)，開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系為用戶提供靈活配置的便利性，可以推動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的多品種與多檔次開(kāi)發(fā)，相應(yīng)縮短開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期。隨著中央處理器的升級(jí)，數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)速度也日益提升，然而卻不會(huì)改變基本結(jié)構(gòu)框架。

1.2 軟數(shù)控發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)類型比較多，能夠代表數(shù)控技術(shù)的各發(fā)展階段。通過(guò)分析不同類型的數(shù)控系統(tǒng)能夠看出，數(shù)控系統(tǒng)不僅朝著開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)發(fā)展，并逐漸朝著軟數(shù)控方向發(fā)展。第一，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)。主要包括，sinumerIk 810M/T/G系統(tǒng)，F(xiàn)anuc0 系統(tǒng)。此種數(shù)控系統(tǒng)屬于封閉式結(jié)構(gòu)，占據(jù)制造業(yè)的多數(shù)市場(chǎng)。然而隨著開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展，相應(yīng)減小了該類系統(tǒng)的市場(chǎng)占比。第二，PC 嵌入NC 結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式系統(tǒng)，主要包括sinumerIk 810M/T/G 系統(tǒng)、Fanuc18i 系統(tǒng)。該類數(shù)控系統(tǒng)有效結(jié)合了計(jì)算機(jī)軟件資源和數(shù)控軟件技術(shù)，具備開(kāi)放性特點(diǎn)。然而NC 部分屬于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，用戶不能深入到系統(tǒng)核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且成本造價(jià)高。第三，NC 嵌入PC 結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式系統(tǒng)。該類系統(tǒng)構(gòu)成包括PC 機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡，其中運(yùn)動(dòng)控制卡一般采用高速數(shù)字信號(hào)處理器作為中央處理器，自動(dòng)化控制能力與運(yùn)動(dòng)控制能力均比較強(qiáng)大。運(yùn)動(dòng)控制卡本身屬于系統(tǒng)范疇，能夠獨(dú)立運(yùn)行。其開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)可以為用戶提供自行開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。第四，SOFT 型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，電力系統(tǒng)屬于開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，選擇性與靈活性均比較高。CNC 軟件裝設(shè)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，硬件主要是計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)以及外部輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。用戶可以在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上通過(guò)開(kāi)放式CNC 內(nèi)核開(kāi)發(fā)其他功能，建立高性能數(shù)控系統(tǒng)。相比于其他數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比高。當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)逐漸采用軟件智能代替復(fù)雜硬件。

1.3 智能化發(fā)展趨勢(shì)

在制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，智能化屬于大的發(fā)展方向。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域開(kāi)始不斷滲透和發(fā)展人工智能技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)也引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)理、模糊系統(tǒng)以及自適應(yīng)控制系統(tǒng)，包含運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能、工藝參數(shù)，自動(dòng)生成功能學(xué)習(xí)控制功能，自動(dòng)編程功能，三維刀具補(bǔ)償，功能模糊，控制功能，自適應(yīng)控制功能以及錢(qián)柜控制功能等，同時(shí)具有良好的人機(jī)界面，不斷優(yōu)化和完善自診斷功能以及故障監(jiān)控功能。私服系統(tǒng)中包含智能化進(jìn)給伺服裝置以及主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置，能夠?qū)ρb置負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別。

1.4 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化主要是數(shù)控系統(tǒng)與外部控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接與控制。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟發(fā)展過(guò)程中，逐漸提出數(shù)字制造概念，已經(jīng)成為機(jī)械制造企業(yè)的現(xiàn)代化標(biāo)志。在信息化技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，多數(shù)用戶都要求數(shù)控機(jī)床具備遠(yuǎn)程通訊功能。數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，能夠在一定程度上推動(dòng)柔性自動(dòng)化制造技術(shù)發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展目標(biāo)在于聯(lián)網(wǎng)與集成，注重開(kāi)拓和完善單元技術(shù)。數(shù)控技術(shù)能夠朝著信息集成方向發(fā)展，且網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠朝著智能化、開(kāi)放化方向發(fā)展。

2 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的若干問(wèn)題分析

在數(shù)控技術(shù)快速發(fā)展過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)也進(jìn)入到普及應(yīng)用階段。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)雜度日益提升，自身所具備的缺陷與不足影響了應(yīng)用推廣。傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)不具備靈活性，必須在專有設(shè)計(jì)上完成，并且具有不同的編程語(yǔ)言、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及非標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口，因此屬于封閉式系統(tǒng)，缺乏體系結(jié)構(gòu)給予支撐。

系統(tǒng)封閉性也會(huì)帶來(lái)較多問(wèn)題，例如軟硬件透明度不足、先進(jìn)技術(shù)的適應(yīng)度低下、軟件不可再用性等缺陷。系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行功能擴(kuò)展、軟件可移植性、組網(wǎng)通訊能力差。，對(duì)于機(jī)床制造以及用戶使用的要求均比較高。在開(kāi)發(fā)控制軟件時(shí)缺乏開(kāi)發(fā)能力，無(wú)法進(jìn)行軟件擴(kuò)展，也不能滿足二次開(kāi)發(fā)要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，個(gè)國(guó)家開(kāi)始研發(fā)開(kāi)放式控制系統(tǒng)，致力于解決系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)軟件問(wèn)題、高性能應(yīng)用系統(tǒng)問(wèn)題、高精度伺服控制器問(wèn)題。

2.1 基于核心技術(shù)的跨平臺(tái)通訊系統(tǒng)

由于跨平臺(tái)通訊系統(tǒng)屬于核心技術(shù)，研發(fā)內(nèi)容主要包括以下方面：第一，參考開(kāi)放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型。由于開(kāi)放式控制系統(tǒng)對(duì)于通訊平臺(tái)具有一定需求，需要對(duì)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行功能化與層次化分類，以此確保通訊平臺(tái)的可靠性和開(kāi)放性。第二，通訊機(jī)制。由于軟件獨(dú)立于供應(yīng)商的信息交換，需要定義通訊規(guī)則與方法，為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)以及多硬件提供通訊服務(wù)，并且對(duì)每一層的具體功能進(jìn)行規(guī)定。第三，分析不同操作系統(tǒng)與通訊協(xié)議的信息傳輸層協(xié)議，深入分析應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2 基于開(kāi)發(fā)控制器平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)

第一，多軸插技術(shù)。該技術(shù)基于高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)，主要為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，相應(yīng)影響了航空航天技術(shù)的發(fā)展。

第二，增加高精度控制技術(shù)。對(duì)于誤差補(bǔ)償技術(shù)來(lái)說(shuō)，可以借助實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù)，使誤差反映到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中。通過(guò)改變坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)量實(shí)現(xiàn)誤差修正，以此提升機(jī)床定位精度。在確保加工指標(biāo)基礎(chǔ)之上，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置，以此優(yōu)化加工全過(guò)程。

2.3 數(shù)控接口技術(shù)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

第一，開(kāi)放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)主要是在功能軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，以此滿足功能需求。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)滿足制造車間與制造單元的組織結(jié)構(gòu)要求，并且制定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

第二，對(duì)于開(kāi)放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)研發(fā)網(wǎng)絡(luò)接口軟件、遠(yuǎn)程功能軟件，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制診斷功能、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。

2.4 開(kāi)發(fā)數(shù)字化、軟件化伺服控制器

應(yīng)用微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器，聯(lián)合現(xiàn)代智能控制技術(shù)。在神經(jīng)源智能位置控制算法基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)數(shù)字化軟件化私服控制器，以此形成自動(dòng)化系統(tǒng)多機(jī)控制效果。其次，通過(guò)先進(jìn)算法提升伺服系統(tǒng)的控制精度，將誤差補(bǔ)償技術(shù)添加到伺服控制系統(tǒng)中，以此降低系統(tǒng)運(yùn)行的誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不滿足現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)需求，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放化方向發(fā)展，在發(fā)展過(guò)程中，還需要解決網(wǎng)絡(luò)制造接口問(wèn)題、跨平臺(tái)運(yùn)行通訊機(jī)制以及先進(jìn)控制算法問(wèn)題，以此促進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的全新發(fā)展，從根本上提升現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展水平。