数控系统的发展现状及趋势

摘要：根据现代数控系统的特点对其进行了分类。阐述了开放概念的产生和开放式体来结构数控来统出现景；综述了未来数控系统发展的七大方向；重点总结了以PC机为基础的开放式数控系统的特点；归纳了目前研究开放式体系结构数控系统的主要形式。

关键词：数控系统的网络化；计算机数控系统；开放式体系结构；控制系统智能化

0 概述

从1952年美国麻省理工学院研制出{dy}台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经 非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，是一个国家经济发展和综合国力的体现，而数控系统是数控技术和数控装备的核心。近年来，国内外数控系统在柔性、xx性、可靠和集成性等方面取得了飞速的发展，许多理论与技术问题得到了较好的解决。我国的数控产业经过了10余年的攻关，在许多关键技术和核心技术上，已达到国外先进水平，拥有了具有我国版权的数控系统。数控系统的技术发展近年来十分迅猛，国外各大数控系统公司如F A N U C、S I E M E N S、A - B、MITSUBISHI、YASKAWA 等纷纷进入我国市场，竞争异常激烈，我国的数控产业所面临的形势非常严峻。市场的竞争归根到底是技术的竞争，研究现代数控技术的发展方向，建立与发展符合我国国情的技术体系和数控产品，才能进一步扩大数控机床的市场份额，使我国的数控技术和数控产业在整个国际大市场中拥有一定的地位1]。

20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。

数控技术是当代集微电子技术、计算机技术、自动控制技术于一体的一种先进制造技术.数控系统作为数控技术的核心部件,其性能的改进及技术的发展给予机械加工设备以“质”的变化,奠定了现代柔性制造技术、计算机集成制造技术及未来的智能制造技术的基础.自1952年美国人帕森斯研制成功了数控系统后,50年来机床数控系统比任何一种用于机床的控制技术发展都快.特别是过去的10年,为了满足市场和科学技术发展的需求,现代制造技术对数控设备提出了更高的要求.从性能上而言,除了高速、高精度、高可靠性和柔性化之外,集成化、智能化与网络化已成为新一代数控发展的必然趋势2];从市场适应性而言,加工的多样化和专业化对加工“个性化”的要求日益增强.只有开发研制能较方便地增加专用功能的带有个性化的数控系统,才能切实地满足多样化、专业化市场的需求.综上所述,传统的数控系统由于其结构体系上的封闭性已面临极大的挑战.要实现数控设备进线、联网、高柔性化、智能化和个性化,研究数控系统结构体系的开放性、智能化已势在必行.总的来说，数控系统可以归结七大发展方向，下面具体展开介绍，其中着重介绍数控系统的开放式体系结构发展方向、数控系统网络化发展方向，其余方向做次要介绍，具体如下：

1 数控系统的分类

首先，我们可以将数控系统分类，事实上，目前国际及国内使用和研究中的数控系统可以分为3类：专用式、通用式和开放式。专用控制系统是控制器制造商针对特定的机床开发的，它是封闭、不兼容和不可扩展的，很难二次开发和更新换代3]。但作为大批量生产数控系统的二些公司，仍在大量生产专用CNC系统。因为这些产品是在传统的专用CNC系统上发展的，为用户所熟悉，因而容易被用户接受。而且这些厂还利用大批量生产的优势，不断降低产品的成本，所以这类产品目前仍然是生产量{zd0}的。标准式控制系统对许多机床的特性不能xx支持，没有解决问题的自由度，不具备某些机床或工艺特征所期望的特性。但由于批量大，价格适中，应用面宽，仍有一定的需求，特别是后组配的数控系统。

开放式控制系统的基本特征是以通用的个人计算机(PC)的硬件和软件为基础。开放式应具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性。开放式能带给控制器制造商、机床制造商和用户{zd0}的利益。控制器制造商可以对系统功能任意剪裁和组配以满足不同用户的需求。机床制造商不用公开他们的技术秘密就能把他们的功能加入到控制系统中，用户可进行再开发，系统的维修和升级都很方便。

2数控系统向开放式体系结构发展

2.1 开放式控制系统的基础

其次，PC成为开放式控制系统的基础正是由于PC机的开放性。PC的开放性吸引了大量的技术人员投入软件开发，使得PC的软件极为丰富，发展极为迅速。利用个人计算机的软件及硬件资源来构造CNC系统已成趋势。优越性如下[3]：

封闭式数控系统的硬件和软件都是专用的，可看作专用计算机；开发制造费用极大，技术难度高。采用PC机软硬件平台直接作为数控系统的软硬件平台，硬件不需要重新开发，软件也只需要开发CNC应用软件系统，适合我国国情。

使用PC部件和开放构架的设计，可以充分利用PC的完备硬件，充分利用计算机领域的先进技术，提高CNC一系统的可靠性。可以在很大范围内选择硬件.避免了专用CNC在更换硬件和服务时间的限制。

·有一个完整的操作系统环境，可以运行各种应用软件，可以利用操作系统提供的各种资源和功能调用。利用PC的网络连接功能，使自动化生产系统能有效地组织、使用具有开放特征的数控系统。CNC加工程序的生成和验证可以离线运行，节省宝贵的加平时间。可享受PC硬件和软件发展的成果，与PC同步发展。

2.2 开放概念的提出与开放式体系结构

数控系统的出现开放的概念首先是由美国提出的。1994年底，GM、Ford租Chrysler首次提出了OMAC(Open Modular Architecture Controllers)即开放式、模块化体系结构控制器的概念。1994年12月13日，一个公认的定义开放化就是容许把流行的硬件和软件集成为控制器的基础结构，它支持一个“事实上的标准环境”4]。OMAC的基本自的是规定控制器制造商所生产的产品应符合开放化、模块化体系控制器的要求，并使用羚受惠。使用本结构，可使制造者减少最初投资，缩短开发时间，得到{zd0}的机器可使用时间，减少维护费用，容易把使用者的专业技术集成在系统上；可插入运行各种硬件和软件，可有效的重新构架控制器以适应新过程，并且能结合新技术。

尽管世界各大控制器厂商都声称他们的产品具有开放性质，但根据美国通用电机制造控制研究所Jerry Yen的观点，目前还没有CNC系统能xx履行OMAC计划的要求，但有许多控制器正沿此轨道前进。它们包括:NIST的提高型机床控制器、Delta Tau控制器、Viekers ESD公司的Az100控制器、Boseh控制器、ASIC100和ASAP软件包、OASIS第三工程以及ICON工程。与此同时，欧洲也提出了自动化控制系统中的开放式体系结构(OSACA)的概念。1981年11月，在德国机床制造厂联合会(VDW)的支持下，由司徒加特大学的制造控制技术研究所(ISW)开始了对比未来控制技术”的研究。提出了新型控制器的原则是:可组配、智能化和开放式。1991年11月，ESPRIT Ⅲ开始的一项整个欧洲的控制系统计划OSACA其目标是研制出自动化控制系统中的开放式体系结构。

VDW在总结多年科研成果的基础上，提出了对未来控制方案的要求，也就是对开放式控制系统体系结构的要求:模块化结构，连续性，公用的标准化接口，生产时间和费用的优化，满足工业应用环境下的质量标准，操作界面简易，类型大小可变且装配灵活，开放固化的控制接口(硬件和软件)，提供项目规划和设计的辅助工具，服务、维护、诊断、修改和培训，优秀的性能价格比等。IEEE(国际电气和电子工程师协会)总结了对开放式系统的定义是:开放式系统应能使应用程序在不同厂商的各种平台上运行，能够与其它系统的应用程序相互操作，并具有用户界面的一贯形式。由此可见，开放式系统必须提供接口能力、相互操作能力和界面的一致性。本着这种思想得出了工业控制中开放系统的定义，也就是OSACA的主题:开放式系统由一组逻辑上相互分离的成分组成。系统明确定义了这些成分之间的接口以及这些成分和实现平台之间的接口，以便在构成一个完整、正确的功能化控制时，不同厂家的成分能相互合作，进行有意义的组合，并且能在各种平台上运行。系统的接口具有统一的标准5]。

开放式控制系统的提出是控制系统发展到一定阶段的必然产物.面对市场全球化导致的激烈竞争,制造行业迫切需要能够在产品多样化和产品更新换代频繁的情况下,提高生产效率、提高产品质量、降低产品成本,同时更人性化地符合用户的需求.对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系统的需求已逐步超过对大型单元功能的制造系统的需求.正是这一需求导致了对模块化、可重构、可扩充、可升级的新一代数控系统的研究.然而,各生产厂家和科研单位由于各自采用不同的标准、不同的封闭结构、不同的通信协议和数据结构,导致了不同厂家的数控设备之间无法实现信息交换,不同软件之间无法实现信息传输,不同的数据库间无法实现数据共享.在这样的背景下,各国都在制订自己的行业标准。美国、欧共体、日本等都投入大量的人力物力,进行新一xx放式智能数控系统的研究。制定了统一的标准,并对其机构体系进行研究。尽管各国的标准不尽相同,但普遍认为开放式数控系统可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,形成系列化,并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。IEEE关于开放式系统的定义是：开放式系统能有效地运行于不同的平台之上,可以与其他应用系统相互操作,并提供与用户交互的统一风格,即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展,目前对开放式系统{zx1}的具体的看法包括：

1)开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的,它允许改变硬件的基本配置,而软件更在所有控制级别上可以改变。

2)开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的，如果产品必须被“召回”以安装新的硬件和软件，那就不是真正的开放。

3)控制器必须是标准化的，以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软件的开发。

4)开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来，也就是说它是一个标准系统，在这个标准上系统能在部件级别上与其他部件集成，并能共享数据。

5)一个开放式控制系统能在系统的级别上同其他系统协同工作。

2.3　开放式控制系统的现状

我们认为，目前国际国内研究的开放式控制系统概括起来有3种模式：

第1种叫做衍生式，是专用NC+PC，将Pc作为专用控制器的前端接口。在传统的非开放式的CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板.使传统的专用CNC带有个人计算机的特点。这里，传统CNC没有改变，进行实时插补、伺服控制、电源控制以及I/0控制等一些实时控制;PC部分执行前端管理等非实时控制，例如人机界面、存储和通讯等。此种模式的控制器主要出自CNC控制器制造商。其原因一方面是，许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用；另一方面.控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用CNC技术厂。因此这是一种折衷方案:在他们专用CNC系统中PC的前端接口，使其具有PC处理的柔性。也就是说，这种模式只具有部分的开放性，它不能实现Ne内核的开放。

第2种叫嵌入式、是PC+NC控制卡。PC机作为系统的核心，将控制卡插入到PC的标准扩展槽中完成各种标准数控功能。一般用PC机处理各种非实时任务，由硬件扩展卡处理实时任务。这种模式中，PC部分能提供一定意义上的开放，控制卡能保证实时性，是目前研究以PC为基础的CNC控制器的主流。美国Delta Tau Data System公司的PU入C-NC、德国PA公司的PAs000、美国Omee System公司Orion、德国的Indramat公司的MTC200都是类似这种模式。

第3种叫做扩展式，是PC+CNC接口板。将CNC接口板插入到PC机的标准插槽中，这里的PC是不需要改造的通用PC，整个系统由PC扩展而成。个人计算机既完成前端管理等非实时任务，又完成如实时插补、伺服控制、电源控制以及I/O控制等一些实时任务；CNC接口板只担任沟通PC接口和物理驱动器接口的任务。这种模式的控制器是真正意义上的开放式数控系统，能实现NC内核的开放、用户操作界面的开放。CNC可以直接地、或通过网络运行各种应用软件，因而能满足机床制造商和用户的最终要求。它能{zd0}限度地利用PC的软硬件资源，适应未来先进制造技术的要求。

近些年来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术、通信技术及计算机技术等支撑技术的快速发展,交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进,开放式的结构体系也取得了很大的进步.主要表现在以下几个方面：

1) 模块化集成化模块化和集成化是对立统一的，模块化是对系统进行分块,块分得越细，系统的开放性就越好，但块分得太细就影响了系统集成度，整个系统的性能就会下降。为了兼顾模块化与集成化的缺点，合理地对系统进行分块就显得很关键。现在一般的做法是根据功能进行分块：

①硬件模块

硬件模块分为CNC模块、伺服驱动模块、驱动模块、执行模块、反馈模块.要求每个模块在功能上相互独立，都能独立完成一定的任务，不同厂家或同一厂家的不同产品可以随意互换，各个模块高度集成化，只要是实现这一功能的都要集成进去。例如，CNC模块负责接收用户的控制命令(如G命令)，并且把这些命令发给伺服驱动单元,开放式的结构要求CNC可以接收不同格式的用户命令，也可以和不同厂家的伺服系统进行通信与控制。在运动控制中CNC可以控制多轴的联动，也可以通过网络实现互相联结与控制。开放式的CNC以PC机为平台,使用Windows或Linux操作系统；伺服驱动模块式用来执行CNC发来的指令，一个开放式的伺服单元，要求它可以实现速度、位移、转矩的控制，也可以实现各种控制策略，包括智能控制。它可以自动识别电机的类型,也可以自动识别反馈量类型，还可以与不同的CNC实现连接，接收各个不同厂家CNC的控制命令，反馈模块，即传感器模块。一个开放式的传感器模块可以自动接收各种信号，如光电的、磁的、温度的、压力的等，并进行信号的调理，然后用标准接口传到上位机。

②软件模块

为了做到{zd0}程度的开放,软件结构也采取模块化的设计思想，有利于软件的升级和不同产品间的相互调用。如输入输出模块、显示模块、控制模块、通讯模块等。开放式的软件模块能够实现不同厂家或同一厂家不同产品之间的相互调用。

2)开放式网络化

网络数控就是通过网络、Internet/Intranet将制造单元和控制部件相连，或将制造过程所需资源(如加工程序、机床、工具、检测监控仪器等)共享6]7]。网络化包括两个方面：内部网络(现场总线网络)和外部网络。

①内部网络

内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接.对于数控系统硬件，开放性主要是指计算机、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元,应该具有统一的互联标准,以实现互换性.为使数控系统硬件具有互换性,目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS(Serial Real-time Communi-cation System，一种适于高速伺服控制的网络接口协议,于1995年成为IEC 1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口，采用ProfiBus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口。

②外部网络

外部网络指的是数控系统与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接.通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务,并提高机床生产率.网络生产管理系统通过企业内部网(Intranet)随时监视生产现场情况进行{zy}计划和调度;操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形成的技艺数字化,不断积累并与全公司共享,实现高效、高质量加工,并依此创造新工艺、新知识和新诀窍;新的CAD/CAM系统可将CAD数据立即转变为加工程序、工具清单、工艺卡和加工工艺图样,实现并行工程来缩短生产周期.此外通过因特网与外界联接,可为每一个客户设立一个窗口,快速反应客户的要求.在多品种小批量的条件下,将机床联网,能将切削时间由25%提升至65%.远程诊断产品可以在个人电脑前轻松地操纵远在车间里的机床设备,诸如编辑修改零件程序和PLC程序、监控各轴当前状态、进行文件传输等。不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断,而且还可用作用户的定期预防性诊断。

3)智能化

智能化是数控系统发展的方向之一，包括控制上的智能化、接口上的智能化及自诊断功能.它是实现系统开放的必要手段。国立台湾大学刘天华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同步电动机伺服驱动。电机在运行过程中,模型和参数是不断变化的，参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能.因此，将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域，可以大大提高调速系统的性能.在这方面，运用得较为成功的控制技术主要有：自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能,N.Matsui J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统.仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似,并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。随着人工智能技术的发展,智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统(Expert System)；基于模糊集合理论(Fuzzy Logic)的模糊控制;基于人工神经网络(Artificial Neural Network)的神经控制.接口智能化。开放式数控系统，其接口具有如下重要技术特征：

①用户可以在较大范围内根据需要选择和配置硬件，如主轴轴数、伺服轴数和PLC-IO点数等；

②用户可以在开放式环境下扩充系统的功能,例如开发最适合自己用途的人机界面,或者利用标准NC控制功能开发自己的专有控制功能；

③系统能够直接运行其他标准的应用软件,例如CAD、数据库等,利用现有软件开发出能{zj0}满足自己产品要求的控制系统。

为了满足上述{dy}项要求,{zh0}采用数字伺服系统并用数字通讯技术连接CNC平台和机床驱动部分.数字伺服系统具有高速、高精度和无漂移等特点,发展非常迅速并且已经在数控机床上获得广泛应用.由于数字伺服系统本身具有位置反馈和位置控制功能,CNC系统可以直接将位置指令传递给数字伺服系统,独立完成位置控制。开放式数控系统通常通过数字通讯接口(同轴电缆或光缆)和通讯协议控制伺服轴、主轴和PLC-IO接口,具有如下技术优越性：

①CNC与伺服之间采用光缆或同轴电缆连接,大大减少电缆布线,便于系统安装,提高可靠性；

②系统扩充和精简方便,在同一硬件平台上,可以开发多种控制系统；

③系统控制和诊断功能丰富,如控制方式切换和伺服参数设定等，便于系统安装和维护。

目前，各种外部接口都有相应的国际标准或行业标准，如NC程序接口标准有ISO6983和STEP-NC；与伺服系统接口的标准有+/-10 V模拟电压,SERCOS，MACRO和FireWire等；与I/O设备的接口标准有Profibus Interbus和CAN总线等；与企业管理网的接口主要采用局域网，基于以太网和TCP/IP协议。至于内部接口，还没有关于组件API的标准，但国际上很多大的开放式数控系统工作组，如OMAC(Open Modular Architecture Controls)、OSACA(Open System Architecture for Controls Within Automation Systems)、OSEC(Opens System Environment for Controllers)等，都在为尽快形成国际标准而努力。自诊断功能要求系统可以自己查找故障，并在没有人参与或很少有人参与的情况下来完成系统的自我修复工作。目前的控制系统能够给出简单的故障提示，还不能进行自我修复。

4)柔性化软件化

柔性是指机床适应加工对象变化的能力.是开放式系统的具体体现。传统的自动化设备和生产线,由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象变换时,调整很困难,甚至是不可能的，有时只得全部更新或者更换。开放式数控系统对满足加工对象变换有很强的适应能力，具有下列特性:

①高度的灵活性和多品种生产的快速适应性。

②高效的生产能力,包括:高生产率,借助于高速化和提高金属切除率等途径；高稳定性，对于光机电集成的数控机床，着重要求其降低故障率，提高可靠性,以提高制造装备及系统的开动率(利用率)。柔性化的实现是通过硬件的柔性化与软件的柔性化来完成的。硬件方面采用可编程器件，只要改变程序就可以改变硬件的功能,如DSP、FPGA等,从而使得硬件不硬；软件是控制系统的主要部分，以前用硬件来实现的功能，逐步用软件来代替,能用软件实现的就不用硬件来实现，大大地减少了硬件电路，增加了系统的柔性。目前,各个厂家都在向这一方向努力，在设计时都尽量考虑软硬件的柔性。

2.4　开放式控制系统发展趋势

从以上分析不难看出，高度的集成化、小型化智能化是未来控制系统的走向,随着各功能模块的高度集成化、智能化,以及计算机技术、通信技术、微电子技术的进一步发展，未来的控制系统必将把数据的采集、处理、伺服驱动、执行单元、反馈单元等都集成在一起,形成一个完整的系统，基本上是一台机器人.但由于对标准化还缺少统一的认识，现有的软硬件科学的发展还不够完备，因此，开放式数控系统的彻底实现还有很长的路要走。

    3数控系统向软数控方向发展

    现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。传统数控系统，如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。

    “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。

    “NC嵌入PC”结构的开放式数控系统　它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。

     SOFT型开放式数控系统　这是一种{zx1}开放体系结构的数控系统。它提供给用户{zd0}的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有{zg}的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。

    4数控系统控制性能向智能化方向发展

    智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。

世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

    5数控系统向网络化方向发展

数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。

随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。

    数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

   6数控系统向高可靠性方向发展

    随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

    7数控系统向复合化方向发展

    在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

    柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。

    普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。

    8数控系统向多轴联动化方向发展

由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。

    最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。

   电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。

9综述现代数控系统的技术特点与发展趋势

 (1) 大规模PLD 器件广泛采用，硬件集成度进一步提高现代CNC 系统的体积进一步缩小，功耗降低，硬件的集成度和可靠性大大提高，FPGA、CPLD 等ISP器件、采用二次封装技术的厚膜电路以及专用大规模集成电路ASIC 的大量采用，从硬件上进一步提高了系统的数据处理能力，并有效地实现了技术保密和垄断。

(2) CPU 数据处理速度加快，多CPU 结构广泛采用C N C 系统功能的不断增强，对数据处理的实时性提出了更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，32 位与64 位CPU 在国内外CNC 系统中广泛采用，软件的信息处理速度大大加快。同时，由于CPU 及外围器件的价格不断下降,多CPU 结构所带来的硬件成本上升几乎可以忽略,目前多CPU 结构仍然是现代数控系统的典型结构。高性能多CPU结构与大规模集成电路的采用使得高速度、高精度的加工，特别是模具加工中微小线段的高速度、高精度加工成为可能。如FANUC 系统采用远程缓冲Remote Buffer 技术，加工1mm 的连续微小线段速度可达60m/min。

(3) 高速PMC 功能进一步增强PMC 基本指令执行速度可达0.1 μ s/step，对外部信号响应的实时性大大提高。而且其不仅可完成常规的开关逻辑控制，更增加了针对数控机床应用的控制功能。现代CNC 系统PMC 的编程方式更加灵活，不但可使用梯形图PMC 语言编程，还可使用C 语言编程。PMC 与CNC 的信息交换与控制功能也更加强大，大大增强了用户针对不同数控机床进行二次开发的灵活性。

（4）现场总线技术开始广泛采用

现代数控系统的一个发展趋势是采用模块化、分布式控制结构，采用连接工业低层设备的局域网——现场总线可进一步提高系统的可靠性和易维护性，避免信号线的混乱和传输干扰。如SERCOS、Profibus、FANUC I/O LINK、FSSB 等,这些现场总线可将一台数控机床的CNC 装置、伺服系统、主轴驱动系统、操作面板、机械手以及本地与远程I/O单元等通过一根铜缆或光缆连接在一起,从而使复杂的系统连线变得简洁、可靠和易维护。

（5）开放性数控系统受到重视

开放性数控系统近年来在国内外受到重视,较典型的有美国的OMAC 计划、欧洲的OSACA 计划和日本的OSEC 计划。其基本特征是建立一个规范的硬软件公共平台,然后通过扩充，使其适用于不同的控制对象。目前国内主要发展的是基于工业PC 的开放性平台，利用其低廉的硬件价格和成熟的软件开发环境,从而弥补了我国在计算机硬软件技术上的不足。数控系统的系统软件最重要的两个特征是实时和多任务,它需要实时多任务操作系统的支持，而目前基于PC 平台的主要软件环境是支持多任务、GUI界面的WINDOWS 操作系统和V C + + 、Delphi 、P o w e r B u i l d e r 等开发工具。实时操作系统与WINDOWS、UNIX 等操作系统的主要区别在于实时操作系统能为在其上运行的多任务应用程序提供快速、实时的响应, WINDOWS 操作系统线程切换的沙漏现象所造成的等待在实时控制系统中通常是难以接受的。目前许多应用转向源代码开放自由操作系统Linux 的实时版，如RT Linux。Linux 操作系统源代码的免费自由获取、可裁剪、类似于WINDOWS 的图形界面以及其微秒级的任务切换和中断延时时间的确很有吸引力,是开放性数控系统的一个发展方向。

（6）CNC 系统的通讯与网络功能受到重视

作为与上位C A D / C A M / C A P P 计算机点对点信息交换的接口，RS232C（或20mA 电流环）已成为CNC 系统的必备接口。由于常规的一次性通信传输无法满足C A D / C A M 设计所生成超大数控程序的加工要求，利用RS232C（或专用的DNC）接口实现通讯缓冲无缝隙联机DNC 加工愈来愈受到重视。要实现该功能，数控系统在硬软件设计上要解决好多任务应用程序的信息交换问题。现代CNC 系统不但要有单机自动化功能,更要具备自动化信息网络功能, 这是其进入FMC、FMS和CIMS 等大型自动化控制与管理系统的基础。作为设备控制层的CNC 系统,通常须具备局域网功能(如MAP、Ethernet 等),数控机床可与办公室的个人计算机一样并入企业局域网,并可进一步进入互联网。管理人员在控制室甚至家中即可了解每一台机床的工作状况,客户、公司或协作单位可方便地对零件图纸及加工工艺进行CAD 设计、讨论,并迅速准确地编制加工程序,材料、库存、交货期等一目了然,技术咨询及基于互联网的远程故障诊断变为现实。

（7）现代全数字交流伺服系统成为市场主流

全数字交流伺服系统彻底取代直流伺服系统，成为市场主流。由于伺服系统的全数字化，其功能已十分强大,不但具有常规的0～±10V模拟电压控制速度环,而且具有脉冲控制的位置环和现场总线控制接口。有些全数字交流伺服系统还具有可编程定位、内置PLC 功能,成为典型的单轴数控系统。通过数字设定可进行转矩限制值、电子齿轮、调节器参数、升降速时间等几乎所有的控制功能的灵活设定,其结构上具有独立式、模块单元式多种结构,电压由3 相165V、220V 发展380V。在大功率的伺服系统中可实现制动能量电网回馈。随着CPU 运算速度的不断加快,与分布式控制结构相对应的另一个发展趋势是全数字交流伺服系统的数字部分与数控装置中的计算机部分进一步融合，形成内装式伺服系统，这有利于简化数控系统的结构，降低成本，提高数控系统运行的可靠性。

（8）现代控制理论广泛应用于数控系统中

随着数控系统的全数字化和计算机技术的发展，适用于高速、高精度数控机床的传感器性能不断提高（0.1 μ m 分辩率的线位移传感器已超过60m/min，而角位移传感器已达100 万脉冲/ 转），许多从前很难实现或根本无法实现的控制算法已被应用。前馈控制、高精度轮廓控制（High-precision Contour Control）大大减小了高速加工的轮郭误差；通过对数控机床静磨擦的非线性补偿，改善了圆弧加工的圆度；现代CNC 系统还引入了自适应控制技术 、自学习功能、专家系统等；通过对数控机床传动间隙、螺距误差、热变形和空间误差的补偿进一步提高了数控机床的加工精度。

(9)人机交互界面与二次开发环境进一步完善

人机交互界面更加友好,用户甚至可自行定义画面。现代CNC 系统将许多自动编程系统的功能植入CNC 系统,通过高分辨率彩色显示器的三维图形显示功能和帮助功能，实现前台控制，后台人机对话语言编程或图形编程。有些CNC 系统还装有小型的工艺数据库，可根据零件的加工要求自动选择{zj0}刀具和切削用量等工艺参数。三维图形模拟加工显示功能更能有效地帮助编程者检查加工程序的对错及是否有刀具干涉现象。此外，用户宏功能的增强和C 语言的应用使二次开发环境进一步完善，成百上千个控制参数的设定熟悉起来虽然麻烦，但这使每一台数控机床有可能具有更多的个性化功能。

(10)故障自诊断技术进一步发展

现代CNC 系统都具有很好的故障自诊断功能，能够实时地进行自我诊断，有些系统还具有故障自诊断的人工智能功能（专家诊断系统），根据专家系统知识库推理从而进行故障定位，更高级的系统还具有联入互联网进行远程诊断的功能。不仅如此，CNC 系统还可与安装在机床上的各种检测装置（如红外、声发射AE 等）相连，对工件和刀具进行异常情况的检测，从而保证了数控机床的长期稳定可靠地运行。交流伺服系统的全数字化也使其故障自诊断功能增强，除了常规的故障自诊断外，交流伺服系统的CPU 可对驱动级提供更好的过载与异常保护，更令调试人员方便的是不需要其它的设备，在CNC 系统的显示器上就可以显示出伺服系统各关键点的波形，因而调试更加准确和有针对性。有些伺服系统甚至具有自动高速功能，通过在一个很小的范围内的阶跃运动和振动，自动测量出负载的大小和特性，然后自动将控制器的参数调节至{zj0}状态，从而保证了伺服系统的动态性能。

10 结束语

本文对现代数控系统几个典型的技术特点和发展趋势做了介绍。事实上，近年来现代数控系统的技术发展远不止这些，不同公司数控系统的技术各有其特点。了解和掌握国外先进的数控技术，对我国数控产业的发展至关重要，只有不断地学习并进行创新，我国的数控技术和数控产业才有可能在21世纪走在世界的前列。

[1] 李宏胜 . 现代数控系统的技术特点与发展趋势 . 制造业自动化 .2002(11)：1～2

2] 王成元等 . 开放数控系统的发展现状及趋势 . 沈阳工业大学学报 .2007(1)：1～2

3] 郭艳玲等 . 数控发展的趋势---结构数控系统 . 东北林业大学学报 .2000(5)：3～4

4] Golden  E  Herrin. Open. Modular  Architecture  Control1ers (OMAC). Modern  Machine shop. 1996(4):160 ～262

5] 叶佩青.李光耀，廖文和.数控技术的现状及发展策略.机械科学与技术1997(6):6~9

6]  Soft Servo Systems Inc. Servo works with versio bus setup and integration manual  [Z]. [S. l.]: Soft Servo Systems Inc, 2002.

7]  Soft Servo Systems Inc. Reference manual for servo works parameters [Z]. [S. l.]: Soft Servo Systems Inc, 2002.