數控系統的發展趨勢及若干問題的探討

孫若承

（福建省計量科學研究院閩南工作部 361000）

在20 世紀70 年代，微處理器被應用于數控系統中，計算機數控系統屬于機場控制新技術，結合計算機技術、微電子技術、機械制造技術以及傳感測試技術。數控技術屬于計算機集成制造系統的技術，能夠不斷提升制造業的競爭實力。隨著計算機技術和微電子技術的發展，計算機功能日益增多，成本逐漸低下，出現了以計算機為平臺的數控系統，即開放式計算機數控系統。

1 數控系統的發展趨勢

1.1 開放式體系結構發展趨勢

在計算機技術快速發展過程中，相應促進了數控技術的發展，多數數控系統開始利用計算機的硬件資源與軟件資源，開發新型數控系統。開放式體系結構能夠提出庫系統的適應性和通用性，并且逐漸向網絡化和智能化方向發展。近年來多數國家都致力于研究開發式體系結構，該結構主要應用通用微機技術，以此簡化編程操作以及技術升級的難度。作為新一代數控系統，開放式體系結構的軟件與硬件都呈開放狀態，制造商和用戶可按照開放資源進行系統集成。同時，開放式結構體系為用戶提供靈活配置的便利性，可以推動數控系統的多品種與多檔次開發，相應縮短開發生產周期。隨著中央處理器的升級，數控系統的升級速度也日益提升，然而卻不會改變基本結構框架。

1.2 軟數控發展趨勢

應用于工業生產的數控系統類型比較多，能夠代表數控技術的各發展階段。通過分析不同類型的數控系統能夠看出，數控系統不僅朝著開放體系結構發展，并逐漸朝著軟數控方向發展。第一，傳統數控系統。主要包括，sinumerIk 810M/T/G系統，Fanuc0 系統。此種數控系統屬于封閉式結構，占據制造業的多數市場。然而隨著開放體系結構的數控系統發展，相應減小了該類系統的市場占比。第二，PC 嵌入NC 結構的開放式系統，主要包括sinumerIk 810M/T/G 系統、Fanuc18i 系統。該類數控系統有效結合了計算機軟件資源和數控軟件技術，具備開放性特點。然而NC 部分屬于傳統數控系統，用戶不能深入到系統核心，系統結構較為復雜，且成本造價高。第三，NC 嵌入PC 結構的開放式系統。該類系統構成包括PC 機和運動控制卡，其中運動控制卡一般采用高速數字信號處理器作為中央處理器，自動化控制能力與運動控制能力均比較強大。運動控制卡本身屬于系統范疇，能夠獨立運行。其開放的數據庫可以為用戶提供自行開發的控制系統，因此被廣泛應用于自動化控制領域。第四，SOFT 型開放式數控系統，電力系統屬于開放體系結構的系統，選擇性與靈活性均比較高。CNC 軟件裝設在計算機內部，硬件主要是計算機、伺服驅動以及外部輸入輸出的標準化通用接口。用戶可以在計算機平臺上通過開放式CNC 內核開發其他功能，建立高性能數控系統。相比于其他數控系統來說，這種開放式數控系統的性價比高。當代數控系統發展趨勢逐漸采用軟件智能代替復雜硬件。

1.3 智能化發展趨勢

在制造技術發展過程中，智能化屬于大的發展方向。計算機領域開始不斷滲透和發展人工智能技術，數控系統也引入神經網絡控制機理、模糊系統以及自適應控制系統，包含運動參數動態補償功能、工藝參數，自動生成功能學習控制功能，自動編程功能，三維刀具補償，功能模糊，控制功能，自適應控制功能以及錢柜控制功能等，同時具有良好的人機界面，不斷優化和完善自診斷功能以及故障監控功能。私服系統中包含智能化進給伺服裝置以及主軸交流驅動裝置，能夠對裝置負載進行自動化識別。

1.4 網絡化發展趨勢

數控系統的網絡化主要是數控系統與外部控制系統進行網絡連接與控制。在網絡技術成熟發展過程中，逐漸提出數字制造概念，已經成為機械制造企業的現代化標志。在信息化技術應用過程中，多數用戶都要求數控機床具備遠程通訊功能。數控系統的網絡化發展，能夠在一定程度上推動柔性自動化制造技術發展。柔性自動化技術發展目標在于聯網與集成，注重開拓和完善單元技術。數控技術能夠朝著信息集成方向發展，且網絡系統能夠朝著智能化、開放化方向發展。

2 數控系統發展的若干問題分析

在數控技術快速發展過程中，數控系統也進入到普及應用階段。傳統數控系統的復雜度日益提升，自身所具備的缺陷與不足影響了應用推廣。傳統數控技術不具備靈活性，必須在專有設計上完成，并且具有不同的編程語言、多種實時操作系統以及非標準人機接口，因此屬于封閉式系統，缺乏體系結構給予支撐。

系統封閉性也會帶來較多問題，例如軟硬件透明度不足、先進技術的適應度低下、軟件不可再用性等缺陷。系統無法進行功能擴展、軟件可移植性、組網通訊能力差。，對于機床制造以及用戶使用的要求均比較高。在開發控制軟件時缺乏開發能力，無法進行軟件擴展，也不能滿足二次開發要求。

針對上述問題，個國家開始研發開放式控制系統，致力于解決系統標準平臺軟件問題、高性能應用系統問題、高精度伺服控制器問題。

2.1 基于核心技術的跨平臺通訊系統

由于跨平臺通訊系統屬于核心技術，研發內容主要包括以下方面：第一，參考開放式通信系統互聯模型。由于開放式控制系統對于通訊平臺具有一定需求，需要對平臺網絡模型進行功能化與層次化分類，以此確保通訊平臺的可靠性和開放性。第二，通訊機制。由于軟件獨立于供應商的信息交換，需要定義通訊規則與方法，為異構網絡軟件平臺以及多硬件提供通訊服務，并且對每一層的具體功能進行規定。第三，分析不同操作系統與通訊協議的信息傳輸層協議，深入分析應用程序之間的數據交換。

2.2 基于開發控制器平臺的數控系統

第一，多軸插技術。該技術基于高性能計算機平臺，主要為五軸聯動數控系統，相應影響了航空航天技術的發展。

第二，增加高精度控制技術。對于誤差補償技術來說，可以借助實時誤差補償技術，使誤差反映到數控系統當中。通過改變坐標驅動量實現誤差修正，以此提升機床定位精度。在確保加工指標基礎之上，通過系統對加工參數進行優化配置，以此優化加工全過程。

2.3 數控接口技術與系統標準

第一，開放結構控制器平臺主要是在功能軟件基礎上開發，以此滿足功能需求。在開發過程中，應當滿足制造車間與制造單元的組織結構要求，并且制定網絡結構與協議標準。

第二，對于開放結構控制器平臺來說，應當研發網絡接口軟件、遠程功能軟件，以此實現遠程控制診斷功能、網絡服務功能。

2.4 開發數字化、軟件化伺服控制器

應用微處理器和數字信號處理器，聯合現代智能控制技術。在神經源智能位置控制算法基礎之上，開發數字化軟件化私服控制器，以此形成自動化系統多機控制效果。其次，通過先進算法提升伺服系統的控制精度，將誤差補償技術添加到伺服控制系統中，以此降低系統運行的誤差。

3 結束語

綜上所述，傳統數控系統不滿足現代制造業的生產需求，數控系統應當朝著智能化、網絡化和開放化方向發展，在發展過程中，還需要解決網絡制造接口問題、跨平臺運行通訊機制以及先進控制算法問題，以此促進數控系統的全新發展，從根本上提升現代制造業的發展水平。