數控系統的新進展

陸啟建 劉明燈 祁 欣

（①南京四開電子技術發展有限公司，江蘇南京 210000；②鄂爾多斯生態環境職業學院，內蒙古鄂爾多斯 017010）

1 數控系統發展的歷程

有關數控系統發展的文章比較多，被普遍認可的論述是中國機床工具協會的周延祐老先生在1999年左右提出數控系統發展的“3階段論”：1946年世界上第一臺計算機在美國誕生[1]；1952年世界上第一臺數控機床也在美國誕生；自此，數控技術的發展緊跟著電子技術和計算機技術的發展而發展。

數十年來，數控技術經歷了4個階段和6個時代的發展歷程。自1970年小型計算機出現，很快開始用于數控系統，這是第四代數控系統；此后，數控技術進入發展的第二個階段，叫做CNC階段。

從1974年微處理器出現開始用于數控系統，數控系統發展到第五代，從這時候開始數控機床才逐漸大量地應用于工業化生產制造，大大地提高了生產效率和制造質量。在20世紀80年代初，南京微分電機廠的“單片機改造數控機床”項目轟動全國，大大地推動了我國計算機數控技術應用。

從20世紀90年代開始，隨著個人計算機的發展，在美國首先出現了在PC機平臺上開發的數控系統，即PC數控系統，就是所謂開放式數控系統，也就是第六代數控系統[2]。西門子840 Di數控系統、發那科的160i系列數控系統、華中數控系統和大連光洋數控系統等都是屬于第六代數控系統。

德國西門子的高檔數控系統是購買了德國PA公司的數控系統之后形成了自己的高端產品。西門子840 Di是在20世紀90年代推出的系列高性能數控系統，它采用三CPU核心結構：（1）人機通訊(MMC-CPU)。（2）數字控制(NC-CPU)。（3）可編程邏輯控制(PLC-CPU)。在物理結構上，NC-CPU和PLC-CPU合為一體，合成在NCU（numerical control unit）中，在邏輯功能上相互獨立。人機通訊中央處理單元MMC-CPU的主要作用是完成機床與外界及與PLC-CPU、NC-CPU之間的通信，內帶硬盤，用以存儲系統程序和參數等。

日本FANUC成立于1956年，FANUC系統早期有3系列系統及6系列系統，后來發展為新一代NGC系列數控系統，有0i系列、16i系列和30i系列。在FANUC-NGC系列數控系統中，FS16i-MODEL B、FS18i-MODEL B5、FS30i-MODEL A、FS31i-MODEL A5均 可 以 進 行5軸 加 工。FANUC 160i/180i/210i和300i/310i/320i是與Windows對應的開放式數控系統。它是在16i/18i/21i和30i/31i/32i系統的基礎上，增加了PC機，該PC機通過CNC的獨有高速接口連接起來，能高速傳輸大量數據，形成了最佳的融合。

國內華中數控的系統也是屬于第六代數控系統：它采用了以工業PC機為硬件平臺，實現了PC-NC的技術路線，以PC+軟件完成全部的NC功能。因而以國外低檔數控系統的價格，實現了國外高檔數控系統的功能，具有優良的性能/價格比。其優勢在于：（1）直接利用通用工業PC，以軟代硬，避硬重軟，硬件最簡，自制最少，易生產組織。（2）自主版權、PC兼容，系統開放，可充分利用PC資源，升級容易，易于派生，利于發展延續。（3）高集成度設計，提高可靠性。全部半長小卡，體積小至可整體放入懸掛操作箱中。（4）獨創的SDI曲面插補高級功能，經濟地實現了高效高質量曲面加工。

大連光洋的數控系統也是引進了德國PA公司數控系統技術，在此基礎上發展了自己的系列高檔數控系統產品。它的系統架構：（1）工業PC+伺服驅動器+電機。（2）工業PC+一體化伺服電機+I/O+GLINK全數字串行伺服總線（一種傳統工業現場總線技術，相當于SercosI或者SercosII國際標準，數據傳輸介質可以使用光纖傳輸)。

隨著電子信息及網絡技術和集成電路技術的不斷發展，數控技術的發展也進入了新的發展階段。2010年左右，南京四開公司推出了基于SoC(system on chip)的新型數控系統，從系統的架構上來看，這應該是屬于第七代數控系統了。

SKY_SoC（專用系統集成芯片）EMBEDDED（嵌入式）數控系統是江蘇省科技成果轉化專項資金項目，經過6年時間的攻關，在2012年12月份通過了江蘇省科技廳組織的專家驗收。其首次成功采用了數百萬門級別的超大規模可編程邏輯芯片(FPGA)，用HDL編程方式，融合運動插補邏輯控制、開關邏輯控制、高速數字通訊及CPU/FPU綜合管理控制等多個控制核心為一體，形成了具有數控系統專用芯片級別的完全自主知識產權的CNC融合處理器控制核心(參見圖1及圖2)[3]。

圖1 SoC數控系統邏輯框圖

圖2 SKY_SoC數控芯片

系統多軸運動的實時性由FPGA的精細插補軟核并行完成，以保證數控軌跡的高精密性。

FPGA的可編程、SoC的硬實時設計大幅度提高了數控系統插補與驅動控制的響應確定性，可達納秒級。

由于SoC可以充分利用已有的設計積累，所以發展非常迅速。SoC是集成電路發展的必然趨勢，SKY_SoC數控系統也標志著其核心技術已經處于數控系統行業的領先水平。開發擁有自主知識產權的CNC處理器核、核心IP和總線架構，可大大地提高我國數控技術在世界上的競爭能力，從而帶動國內CNC產業往深度、廣度方向發展。

2 SKY_SoC數控系統的3個重要特點

（1）SKY_SoC數控系統比原來的PC數控系統前進了一大步:PC數控的大部分運算工作量是由PC機來完成的，包括大量的多軸插補運算、PLC的邏輯運算及高速實時通訊的控制運算都是通過PC計算機用軟件來進行的。在SoC數控系統中，這些運算都是用SoC硬實時的插補IP、邏輯控制IP和通訊IP分別完成的，所以數控系統的實時性和可靠性都大大地提高。由于系統外圍的微處理器由PC計算機變成了ARM微處理器（可參見圖3）等，以后甚至（大概率的）采用手機的微處理器芯片，已經大大地超出了PC機的范疇，所以說SoC數控系統已經不是PC數控系統了。

圖3 內部數據運算與交換分辨率達0.001 ns

（2）SoC稱為系統級芯片,也稱為片上系統，是一個有專用目標的超大規模集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件（EMBEDDED）的全部內容。SoC關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術和超深亞微米電路實現技術，并且還包含做嵌入式軟件移植、開發研究的工作，是一門跨學科的新興研究領域。

（3）SKY_SoC數控系統的另一個重要特點是控制系統主站與伺服驅動器、IO從站的連接采用了高速實時串行通訊技術即天空通訊協議（SKYLINK Bus），SKYLINK Bus的FPGA通 訊核心IP通過發送接收配置和協議棧支持Ethercat、Metrolink III、Powerlink等 工 業 以 太 網 實 時 通 訊協議[4]。

SKYLINK Bus采用全雙工模式，通訊周期從31.25μs到10 ms，數據傳輸速率1 000 Mbit/s，主站可根據不同的需求對相應從站的傳輸周期進行不同的設定，SKY_SoC數控系統的架構，參見圖4。

圖4 SOC數控系統架構

Sky_SoC數控系統分為軟實時應用層和硬實時通用控制層。其中軟實時需要考慮應用擴展性，硬實時通用控制層主要考慮可靠性、安全性和實時性[5]。軟實時應用層可伸縮架構可應用于各種機床、機器人等特殊多軸設備應用開發，硬實時FPGA有可編程運動控制IP，PLC邏輯控制IP、實時通訊IP，其中硬件可編程實時通訊，高同步，不確定性小于1 μs。

3 SKY_SoC數控系統的主要性能平臺和功能模塊

數百萬門規模的系統級芯片設計，需要將設計建立在較高的層次上，需要盡可能更多地采用IP復用技術，本節討論了原SKY數控系統中可供復用的主要性能平臺和功能模塊。

3.1 FPGA平臺

（1）實時插補模塊

實現X、Y、Z、a、b、c多軸聯動切削進給速度達到10 m/min時，仍然可達0.001 mm小線段的可靠插補能力,由于通道間采用TCP/IP RELTIME UDP通訊架構，系統支持8通道（8軸/每通道）64軸。

（2）數據交換模塊

實現FPGA平臺與XP平臺之間高速、高可靠性的實時數據通訊能力和需求。

（3）邏輯模塊

實現可靠的、穩定的、數據接口標準的、易于升級和改進的、功能強大的FPGA平臺中各種基礎邏輯模塊。

3.2 XP平臺

（1）XP平臺源代碼的升級與改進

SKY2006數控系統是南京四開公司的老產品（PC數控系統），也是SKY_SoC系統的源系統。SKY2006模塊可重用性分析：原SKY2006數控系統XP平臺部分的代碼進行可重用性分析與研究，并基于源代碼進行進一步的升級與改進，實現SKY_SoCEMBEDDED數控系統更加穩定可靠、兼容性和可移植性更好、功能更強的新一代平臺。

（2）XP平臺與SKY_SoC嵌入式FPGA平臺通過TCP/IP數據交換

基于現有的TCP/IP網絡通訊技術，并對其進行進一步的改進，實現SKY_SoC嵌入式數控系統FPGA平臺與XP平臺之間高可靠性、高實時性、高速度的通訊能力，滿足SKY_SoC嵌入式數控系統FPGA平臺與XP平臺之間信息通訊的需求。

3.3 人機界面模塊

基于原SKY2006數控系統的人機界面模塊進行進一步的改進與升級，對原SKY2006數控系統人機界面模塊進行可重用性分析與研究，實現更易操作、更加簡明、功能更強的人性化人機界面。

3.4 G代碼預處理模塊

基于SKY2006數控系統的前瞻控制技術，對原SKY2006數控系統的G代碼預處理模塊進行可重用性分析與研究，對源代碼進行改進、創新和升級，實現更加可靠的5 000～20 000程序段以上的預處理能力。

3.5 TCP/IP數據通訊模塊

基于SKY2006數控系統的TCP/IP數據通訊模塊的通訊技術，對原SKY2006數控系統的TCP/IP數據通訊模塊進行可重用性分析與研究，對原代碼進行改進與創新，實現通訊速度更快、通訊能力更強、通訊可靠性更高的新的計算機網絡之間的數據通訊模塊。

3.6 CNC與驅動器之間的連接

考慮到系統的最終安全和知識產權以及制造成本等問題，筆者仔細地研究和對比了Ethercat/Profi Bus /Sercos及Sercos III等工業以太網通訊協議后，在基于實時性、同步性和開放性基礎之上，自主研發了高速實時工業以太網協議即天空通訊協議(SKYLINK Bus)。SKYLINK Bus協議基于FPGA邏輯單元，時間槽與載波監聽結合，解決了實時性和同步性的問題，其控制模式兼容:力矩模式、速度模式和位置曲線細插補模式，也充分考慮了未來在世界上競爭和發展的問題。

SKYLINK Bus協議的特點:（1）短通訊帖優化效率高，時間槽與載波監聽結合無沖突。（2）不占CPU周期，通訊數據鎖定由邏輯單元自動實現。（3）總線站點間通訊間隔由時間槽與載波監聽結合，時間不確定性小于0.1μs。（4）SKYLINK定義了主站同步帖（MST）、主站數據帖（MDT）和伺服帖（AT）3種電報，主站以廣播形式發送MST給所有從站并開始一個通訊周期。MST作為時間的參考，以確保各從站開始其控制周期，采樣實際值。

4 SKY_SoC數控系統特點分析

（1）SKY_SoC系統具有完全的自主知識產權：其多軸插補采用硬實時邏輯完成，FPGA的可編程SoC的硬實時設計大幅度提高了數控系統插補與驅動控制響應確定性，可達納秒級。

（2）系統采用雙精度64位浮點運算：插補精度達10-12m，內部數據運算和交換的最小單位達到了皮米(千分之一納米)級別，皮米插補運算使電機電流控制量更平穩，曲面加工質量更高（參見圖4）[6]。

（3）前瞻控制功能

①軌跡規劃是數控系統的重要功能之一,包括速度規劃和軌跡插補兩個環節,良好的軌跡規劃算法可以提高數控系統的加工性能。傳統的CNC軌跡規劃在單段NC程序上完成,加工效率較低。

②在SKY_SoC數控系統中采用基于實軸空間的運動規劃（參見圖5）：對每個電機軸運動數據進行速度、加速度、沖擊檢測,整體提前尋優保證插補空間復合精度與速度，動態自適應的前瞻控制能力達到5 000～20 000段，實軸運動空間前瞻優化與控制對象結構無關，本系統可兼容非直角坐標機床如虛擬軸機床、多自由度機械手等。

圖5 實軸空間的LOOK AHEAD

前瞻控制的原理：首先為不同半徑的圓弧設定一個最大允許進給速度，當數控系統發現待加工的某段圓弧的最大允許進給速度小于其編程速度時，它將自動把進給速度降低到該段圓弧的最大允許進給速度。如果數控系統發現待加工的路徑比較平直，則立刻將進給速度提高到所允許的最大理論允許進給速度，由機床數控系統在保證加工精度的條件下使機床盡可能在最大理論速度下進行工作，它可以在每秒鐘內通過2 000～10 000次的改變進給速度來達到上述目的。

在數控系統中，前瞻控制能力大小是用程序段的數量大小來衡量的。世界主要先進數控系統前瞻控制（提前預處理）能力對比，見表1。

表1 世界主要先進數控系統前瞻控制能力對比（程序段數）

（5）基于刀具接觸點向量法的3D刀具補償

①3D刀具半徑補償

多軸空間刀具補償采用刀具“控制點+刀具工件接觸點法向量”，使系統補償與刀具形狀無關[7]，擴展定義補償矢量方向ijk。

3D半徑補償與刀具形狀無關，該功能用在大型螺旋槳葉面加工上，可以使用多刃盤形刀替代原來的球頭刀加工，大大地提高了刀具的切削線速度，加工效率提高5～10倍以上，而且加工精度和加工表面粗糙度也大大提高(參見圖6)。

圖6 3D刀具半徑補償

②3D刀具長度補償

刀具空間姿態矢量K x、K y、K z可由機床結構和G代碼中(a/b,a/c,b/c)求得，hoffset與標準G43H兼容并與RTCP(旋轉刀具中心點)功能結合（參見圖7）。

圖7 3D刀具長度補償

（6）斜平面加工命令：在對工件上的某個傾斜面進行鉆孔或銑槽等形狀加工時，通過指定加工面為XY平面，編程工作就會變得很簡單。傾斜面加工命令可以實現這種指定方式，同時，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于傾斜的加工面的方式自動地定位刀具。這個功能使得在五面體加工或者多面體加工時的編程變得很簡單，可以在一次裝卡中除了裝卡面把其他所有的加工面（5個面以上）全部完成加工，省去了多次裝卡，大大提高了加工的效率，同時也大大提高了零件各個面的相對位置精度，在高精度批量復雜零件加工制造時特別有用。

（7）具有30 M的SKYLINK內部協議與模擬驅動擴展模塊相連，便于已有的機床進行系統升級。

（8）SKYLINK與四開驅動器高速實時串行通訊協議，控制運動軸數可達64軸以上，聯動控制軸數8軸以上。

5 系統的功能及應用

該項目在驗收時，合同規定不低于西門子840 Di五軸聯動數控系統具備的功能和性能，共計大約132項，其中完成相同功能的102項，另有30項左右能達到相同效果，但功能定義不同[8]。最終結果經過江蘇省有關專業機構（第三方）的評測，全部達到要求,這里不再贅述。此處僅介紹1個實際使用案例：

加工對象為典型的微波管柵網是一個球形柵，網孔呈向心輻射分布，毛坯材料為金屬鉬，其厚度為0.1 mm，形狀為小半球形，需要加工成為網格，筋寬≤0.15 mm的球形柵網（如圖8），原要求環向絲同軸度≤0.01 mm（電火花機床加工），工件的理想形態是所有球形柵格的加工都是沿著球面法線矢量方向進行的，即加工過程中刀軸方向始終指向工件的球心。以前柵網加工采用的是電火花電極近似成型法，加工出的柵網斷面形狀存在理論誤差，加工過程中電極變形，柵絲尺寸精度經常超差，致使微波管的流通率降低，柵流增大，工作不穩定。

圖8 金屬鉬球形柵網柵格寬0.15 mm

筆者公司專門設計了小型五軸聯動的光纖激光加工中心，采用了IPG200W的固體激光器和高精度(μ級別)的激光頭，光斑直徑小于10μs，還可以選配同軸CCD相機，加工時在屏幕上實時地顯示加工工件的狀態。

由于激光切割在物理上幾乎沒有切削力，所以該機床的5個運動坐標都采用了直接驅動技術，具有極高的運行速度和加速度（機床外形如圖9），其進給速度達到60 m/min、加速度可達到1g以上。X/Y/Z直線運動坐標采用直線電機直接驅動，配以高精度精密光柵尺進行位置反饋；A軸和C軸采用力矩電機直接驅動，配以高精度圓光柵，可達到秒級的定位精度和很高的旋轉速度（120 r/min）以及實現了零反沖（即換向間隙為零）。

圖9 五軸光纖激光加工中心

機器在設計時充分考慮到零件的特點，A軸、C軸以與零件的卡具配合，使得加工時零件的球心始終在A軸回轉軸線上，激光頭的中心始終在C軸回轉軸線上，這樣能夠保證加工時激光束沿著球形的法線進行（參見圖10）。沿球形法線切割加工中電12所的球形微波柵網，現場加工，2.5 min加工完成1個。

圖10 沿球形法線加工零件

6 結語

本文簡單介紹了數控技術的發展歷程[9]，因為第六代PC數控系統自20世紀90年代初推出后，至今已經過去了30多年，在IT技術飛速發展的時代，其硬件、軟件、應用以及周邊環境都發生了太大的變化[10]，外圍的微處理器也由PC變成ARM或RISC等微處理器，所以數控系統也從量變到質變，發展到了第七代。

筆者認為，第七代數控系統的特征主要有兩個方面：一是系統的架構采用SoC嵌入式的多CPU核心的集成芯片形式；二是數控系統與伺服驅動器等功率部分之間的連接采用高速實時串行通訊的工業以太網數字通訊方式。

本文提出的具有中國技術知識產權的天空通訊協議SKYLINK是一種基于工業以太網的高速實時串行通訊協議，它在性能指標上相當于或優于德國SERCOSⅢ，其通訊時間的不確定性小于0.1μs，希望以后有機會能夠將SKYLINK升級為行業專業標準或者國際標準。

關于數控系統的功能，文章中沒有過多的討論，只是敘述了一下項目驗收時，通過了第三方檢驗。實際上，只要是用戶相對合理要求（系統中不具備）的功能，一段時間后，系統都可以充分滿足，即需要依靠用戶的支持來不斷地發展。

本文作者水平有限，提出新一代數控系統的觀點主要是想拋磚引玉，引發關注，以推動具有我國自主知識產權的數控系統不斷地向前發展。