時間：2023-05-30 10:34:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇數控系統，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關鍵詞】數控系統;維修技術;故障
隨著微電子、計算機、信息處理、自動檢測和自動控制技術的發展,數控系統的應用越來越廣泛。它給工業生產的發展創造了機會，提高了社會生產率與產品質量，為社會創造出巨大的財富！數控技術廣泛應用到各個領域，特別是工業生產中。出現故障后若不能及時維修處理，將影響正常生產，從而造成經濟損失。本文從現代數控系統的基本構成入手，探討數控系統的故障診斷方法與維修技術。
一、數控系統的構成與特點
1.構成
當前，工廠所使用的數控系統種類繁多，包括有西門子、FANUC、NUM、Heidenhain、華中、廣州、航天數控系統等等。生產廠家不同，在設計上各有區別。但無論哪種系統，它們的基本原理和構成是非常相似的。數控系統一般由系統程序、輸入輸出設備、通信設備、數控裝置、可編程控制器、伺服驅動裝置和測量裝置等構成。
2.特點
（1）數控系統發生故障若得不到及時維修，將影響生產，造成經濟損失。因而對數控系統的維修人員的技能水平有更高的要求。
（2）數控系統的工作環境一般為工廠，要求數控系統具有在抗噪音、震動、高溫、粉塵、金屬屑等惡劣環境條件下工作的能力。
（3）數控系統要與各種數控設備及外部設備通信，通常接口電路復雜、可靠性要求高。
二、數控系統維修工作的基本條件
1.在維修手段方面應具備的條件
必要的參考資料,包括維修手冊、線路圖、說明書及元器件分配表格等；常備易損壞配件，方便及時更換故障配件，保證設備正常運轉； 必要的檢測維修工具、儀器、儀表、編程器、計算機。最好有便攜式編程器，用以現場修改參數，編寫程序，節省維修時間； 建立起技術交流小組，對疑難雜癥進行會診，實現資源的共享。
2.維修工作人員應具備的基本條件
具有嚴謹的工作態度與良好的職業素養；具有較強的動手操作能力；會使用測試儀器、儀表等維修工具；掌握微機原理與接口技術、模擬與數字電路基礎、自動控制與電機拖動、檢測技術、可編程控制器原理、編程語言等基礎知識和一定的外語水平；并經過專業的數控系統知識的培訓。
三、數控系統的故障診斷方法
1.直觀檢查法
（1）向現場操作人員詢問故障產生的現象。故障發生時（或故障發生后）是否有異響、火花亮光出現，它們來自何方，何處發熱異常，何處有異常震動等，就能判斷故障產生的主要部位。然后，進一步觀察可能產生故障的每塊電路板或是各種電控元件（繼電器、熱繼電器、斷路器等）的表面狀況。是否有燒焦、煙熏黑處或元件、連線斷裂，從而進一步縮小檢查范圍；再者，檢查系統的各種連接電纜是否有松脫、斷開、接觸不良等現象，這些也是處理數控系統故障時首先需要想到的。而后，觀察指示燈的變化情況：觀察各部件有無報警指示(如數控系統、溫控裝置、裝置、變頻裝置等)；觀察顯示屏上有無提示的故障信號。通常在說明書上有報警信號的處理方法。一般來講，溫控、裝置的報警故障比較容易處理。而對于數控系統等部件的報警，維修人員需根據說明書上報警信號的處理方法仔細分析，判斷故障點出現的位置，逐步圈定范圍，對癥處理。也可以利用操作面板或編程器根據電路圖和PLC程序，查出相應的信號狀態，按邏輯關系找出故障點進行處理。
（2）用手摸。停電檢查時可用手輕輕搖撥接線是否有松動、燒壞現象，端子和導線之間結合是否緊固，旋轉部件軸是否過緊，電氣元器件是否發熱及焊接點是否牢固等。各插頭座的插接狀況、各功率及信號導線(如伺服與電機接觸器接線)的聯接狀況，查看是否有異常情況等
（3）用耳聽。聽電動機旋轉時有無噪聲和異常聲響，變壓器有無蜂鳴聲。查看設備各部件工作狀態是否正常。振動異常及振動聲音過大等應引起注意，這些都會成為故障的因素。
2.儀器測量法
儀器測量法是查找數控機床故障的基本方法。當機床發生故障時，利用手中的儀器、儀表（示波器、萬用表等）參照電氣原理圖和控制系統的邏輯圖等資料，沿著發生故障的通道，一步一步地測量，直到找到故障點為止。
用儀器測量法找故障不一定要從起點一直測量到終點，可采用優選法進行，并要求維修人員不但要較好地掌握電路圖和邏輯圖，而且要較熟悉地了解電氣元器件的實際位置，才能迅速地排除故障。
3.接口狀態檢查法
現代數控系統多將PLC集成于其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的，這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示，有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示，而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法，對于診斷動作復雜的機構故障起到極大作用，但要求維修人員既要熟悉本設備的接口信號，又要熟悉PLC編程器的應用。
4.參數調整法
數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置有可修改的參數以適應不同設備、不同工作狀態的要求。通過參數調整，既可以讓電氣系統與具體設備相匹配，也可以使設備各項功能達到最佳化。系統參數變化會直接影響到機床的性能，甚至使整機不能正常工作。在設計和制造數控系統時，雖已考慮到系統的可靠性問題，但不可能排除外界的一切干擾，而這些干擾有可能引起存儲器內個別參數的變化。這類故障便是我們所說的“軟”故障，在維修時是很難克服的。此類故障需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。
5.模板互換法
數控系統大都采用模塊化設計，按功能不同劃分不同模塊，隨著現代技術的發展，電路的集成規模越來越大技術也越來越復雜，按常規方法，很難把故障定位到一個很小的區域，而一旦系統發生故障，為了縮短停機時間，我們可以根據模塊的功能與故障現象，初步判斷出可能的故障模塊，用好的備件交換診斷出壞的線路板，并做相應的初始化啟動，而后將壞板修理或返修，對于現代數控的維修，越來越多的情況采用這種方法進行診斷，使系統正常工作，敏捷投入正常運轉。盡最大可能縮短故障停機時間，使用這種方法在操作時注意一定要在停電狀態下進行，還要仔細檢查線路板的版本，型號，各種標記，是否相同，對于有關的機床數據和電位計的位置應做好記錄并做好標志。 否則不僅達不到目的，反而會把故障擴大。
通過對數控系統的了解，維修技術，診斷方法的認識，在實際中應靈活應用。在維修方法上可能用一種方法就能排除故障，亦可能需要多種方法同時進行。我們在實際的維修工作中應根據情況，運用了各種診斷方法，養成記錄的習慣，并進行深層次分析故障原因，并采取適當措施避免故障再次發生，保證設備正常運行。必要時可根據現場條件使用成熟技術對設備進行改進。同時在運用故障診斷的過程中發現自己欠缺的知識,制定學習計劃,最終充實自己。
參考文獻：
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關鍵詞：FANUC數控系統；參數；設置；應用
中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0065-02
FANUC數控系統的參數很多，其中每一位型參數又有八位，因此一套FANUC系統配置的數控機床少說也有近萬個CNC參數需要設定，這些參數的合理設置將會直接提升數控機床性能的發揮，提高其使用水平。大量的生產實踐證明了只有了解數控系統參數的含義，才能給數控機床的故障診斷和維修帶來方便，從而縮減機床故障診斷的時間，最終實現提高機床利用率的目的。此外，對數控機床系統參數的設置也是了解數控系統相關軟件設計的窗口。在某些條件下，修改系統參數可以開發數控系統在訂購時某些沒有表現出來的功能，有助于機床功能的二次開發。因此，對于任一型號系統的數控機床，了解并掌握系統參數的含義顯得尤為重要。機床生產廠家在數控機床出廠前，為了配合、適應相配套的數控機床的具體功能情況對數控系統進行了許多初始參數設置，但有些參數需要經過調試來進一步確定。在數控機床故障診斷與維修過程中，有時可以利用某些系統參數來調整機床，根據機床的實際運行狀況對部分參數進行適當的修正，故專業的數控維修人員要充分了解機床的這些系統參數，并將已設定好的系統參數進行備份，妥善保管，方便在維修時使用，另外參數調整后要采取相應的保護措施，以防非專業維修人員的誤操作引起機床故障。
1 FANUC數控系統參數的設置
FANUC系統參數的更改方法很多，其中比較常用的方法有參數的手動設定方法、通過閱讀機/穿孔機接口用計算機傳輸軟件輸入參數；使用存儲卡輸入參數；使用USB口輸入參數；在引導系統（BOOT SYSTEM）下用存儲卡備份和復原SRAM（參數、程序、刀補等）。以手動設定方法為例說明參數更改的步驟。
將NC置于MDI方式下或按下急停按鈕，按功能鍵[OFS/SET]一次或幾次后，再按軟鍵[SETTING]，可顯示參數設定頁面。將光標移至“參數寫入”處，設定“參數寫入”=1，按軟鍵[ ON：1]，或者直接輸入1，再按軟鍵[輸入]，這樣參數成為可寫入的狀態。此時CNC產生P/S100報警（允許參數寫入）。解除此報警的方法：按下RESET+CAN或只按下RESET（設置參數No.3116#2=1）。參數修改后：若出現000號報警，需關系統電源；對軸參數進行設置后，需要關設備總電源。按MDI面板上的功能鍵[SYSTEM] 一次或幾次后，再按軟鍵[參數]，選擇參數頁面。從鍵盤輸入想顯示的參數號，然后按軟鍵[搜索]。可以顯示指定的參數所在頁面，光標在指定的參數位置上。參數設定完畢，需將參數設定頁面的“參數寫入=”設定為0，禁止參數設定。
2 FANUC數控系統參數的備份與恢復
FANUC數控系統中的數據有加工程序、CNC參數、螺距誤差補償值、宏變量、刀具補償值、PMC程序、PMC數據、工件坐標系數據等，在機床不使用時這些數據是依靠控制單元中的電池進行保存的。如果控制單元損壞、電池更換或電池失效時出現差錯，將會造成這些重要的數據丟失。因此在數控機床的使用中，必須做好上述數據的備份工作，當出現數據丟失時，可以選取一定的方法來恢復這些數據，從而使得機床能夠正常的運行。
常用數據備份和加載有兩種方法：開機時通過數據備份及加載引導畫面進行；數控系統工作時通過數據輸入輸出方式進行。前者備份的數據是系統數據的整體，下次恢復或調試其他相同機床時，可以迅速的完成，但是數據為機器碼且為打包形式，不能在計算機上打開；而后者在備份和恢復數據時首先要將20號參數設定為4，然后要在編輯方式下選擇要傳輸的相關數據的畫面。若要給備份的數據起自定義的名稱，則可以通過[ALL IO]畫面進行。
3 FANUC數控系統參數的保護方法
數控系統參數的設置正確與否會直接影響機床能否正常運行。在數控機床總故障數中，約10%的故障是由系統參數引起的，因此數控系統參數故障也是機床的一種常見故障。而大多情況下這些參數故障是由于操作者的誤操作，改變了數控機床的某些系統參數造成的。對數控系統參數等重要文件進行保護，以防機床操作者或其他人員的的誤操作，也是數控機床在日常維護工作中一個極其重要的環節。本文簡要介紹FANUC 0i系統的數控機床在故障診斷與維修中幾個常用的系統參數保護方法。
3.1 數控系統參數修改法
方法1：通過面板上的[OFFSET/SETTING]按鍵，顯示參數設定界面，將“參數寫入”一欄寫入0即可。此方法主要適用于對系統參數不是很了解的機床操作者。
方法2：將3299號參數的第0位（PKY）更改為1，則上述方法1參數設定界面中的“參數寫入”無法修改。此方法主要是由于參數的寫入保護是由數控系統PMC信號中的“KEYPRM”信號（G46.0）狀態決定的，更改上述參數可禁止系統參數寫入。
方法3：要想進入系統的參數界面，就必須先按面板上的[SYSTEM]按鍵，所以把3208號參數的第0位（SKY）更改為“0”，MDI面板的功能鍵[SYSTEM]將無效，系統也將無法進入參數的設定界面，也就無法對參數進行修改。
由于方法2和方法3在一般的數控機床維修資料中較少提及，所以大部分人員并不清楚這些參數的作用，更不知道如何解除參數的保護，從而起到較好的保護系統參數的目的。
3.2 系統參數修改與系統PMC梯形圖結臺法
只需查閱相關的資料就可以解除采用上述三種方法的參數保護，因此就需要采用深層次的保護方法來保證系統參數的安全性。由于大部分一線的專業維修人員都無法做到系統PMC梯形圖的編寫，因此通過更改系統參數和修改系統的PMC梯形圖相結合的方法可達到很好保護系統參數的作用。
首先將3299號參數的第0位修改為1，然后把系統的PMC梯形圖修改如圖1所示，即通過系統的一個“邏輯0”可編程序控制器信號R9091.0來控制G46.4（KEY 2），使該信號一直處于0的狀態，用鑰匙開關信號X13.1來控制G46.3（KEY 1）、G46.5（KEY 3）和G46.6（KEY 4）3個信號，這樣就可以實現對系統參數這一重要數據的保護。
4 系統參數在維修中的應用
數控系統的參數都是經過一系列的理論計算并通過大量的試驗、調整而獲得的。參數通常情況下存放于數控系統的靜態隨機存儲器（SRAM）中，當受到外界的干擾、電池電量不足以及數控系統長期不通電等情況時，都可能導致部分參數發生變化或丟失，對機床和數控系統的運行產生直接的影響。尤其當數控機床長期的閑置不使用時，系統參數丟失的現象更會容易出現。因此，維修數控機床行之有效、也是一個常用的方法就是檢查數控系統并恢復機床的系統參數。此外，由于數控機床經過長時間的運行后，機床的某些運動部件會產生磨損、電器元件的性能也隨之發生一定的變化等原因，也需要維修人員對相關的系統參數進行適當的調整。
4.1 參數類故障的維修思路
系統參數在數控系統中占據非常重要的位置，對其設置的是否恰當將會對機床的工作性能和工件的加工精度產生很大的影響。在調試階段，如果參數設置的不合理或人為不恰當的參數更改，都有可能使得數控系統出現失控現象、加工誤差大等故障發生，甚至還會出現一系列的報警或一些無顯示信息的報警故障現象。因此，一定要先清楚地掌握系統參數的含義和其對應的功能之后再進行參數的設置。
4.2 參數類故障維修案例
4.2.1 手輪進給方式下搖動手輪無作用的維修
某一FANUC 0i mate D系統的數控車床，在手輪進給方式下搖動手輪不起作用。直接檢查8131號參數的第0位（HPG）和7113號參數的數值，發現7113號參數（手輪進給倍率）的設定值正確，而8131號參數的第0位數值不知什么原因變為0了，0狀態是取消使用手能，搖動手輪時當然不會有信號輸出。修改該參數為1，并把參數設定界面中的“參數寫入”一欄寫入0即可或將寫保護參數8900的第0位改成0后，關掉系統電源并重新啟動手輪使用恢復正常。
4.2.2 風扇損壞的維修
一臺FANUC 0i系統的數控機床，開機一段時間后畫面顯示ALM701報警信息。通過查閱FANUC數控機床維修材料，得到是控制單元上部的風扇由于過熱的原因而引起的報警。打開該機床后側的電氣柜，發現控制單元上部的其中一個冷卻風扇停止工作，用萬用表測得風扇的電源正常，因而可以斷定是該冷卻風扇損壞。考慮到短時間內購買不到同一類型的風扇，只好將8901號參數的第0位更改為“1”先解除上述的報警，然后再用外部冷風進行強制冷卻，等待風扇購到后，再將8901參數的第0位數值更改為“0”。
4.2.3 解除軟限位超程報警故障的方法
某FANUC 0i mate D數控系統的機床在工作過程中，無故斷電，再次通電后界面顯示500#報警信息，報警內容為“Z軸方向出現了軟限位超程”。
故障產生后，機床的兩個軸都被鎖定。從十字滑臺上分析Z軸停止的位置，得到其停在滑臺的中間，由此可判斷Z軸不可能超出行程。再查找機床的兩個軟限位參數――1320號（各軸正方向儲存的行程極限）參數和1321號（各軸負方向儲存的行程極限）參數，發現這兩個參數并沒有被改動。當用手左右轉動Z軸的絲杠時，向左轉動會出現501#報警（即負方向超出行程），向右轉動會出現500#報警（即正方向超出行程），由此可判定報警信息來自于Z軸丟失了零點信息。將1320、1321這兩個軟限位參數分別修改為極限值999999和-999999，并按下系統的復位鍵，超程報警信息消失，重新使Z軸返回零點后，該故障解除。
4.2.4 解除SV5136 FSSB：放大器數不足的報警
某FANUC 0i系統的數控車床閑置一段時間后再開機，出現SV5136 FSSB：放大器數不足的報警，維修說明書的解釋內容為與控制軸的數目比較時，FSSB識別的放大器數目不足。軸數的設定或放大器的連接有誤。通過放大器設定畫面查找到Z軸的伺服放大器未連接到機床，檢查FSSB（FANUC 伺服串行總線）連接正常，且24 V電源供電也正常。將系統的1902號參數的第0位設置為0后，關閉系統電源，再次啟動機床后發現報警消失，故障解除。
5 結 語
數控系統參數的設置在機床故障診斷與維修中有著廣泛的應用。機床操作者如果能了解并掌握這些參數的含義和作用，將會為數控機床的維護維修帶來極大的方便，縮減故障維修的時間，從而提高機床的使用率。需要強調的是，如需更改系統的某些參數，首先要了解該參數的含義，明確該參數發生變動時會產生的現象，以及對其他的參數是否有影響，同時做好詳細的記錄，以便對比不同參數產生的結果，并選取其中最佳的數值設定到對應的表中；其次在參數修改前，要做好參數備份工作；最后修改好參數后要對其進行必要的保護，以防誤操作帶來不必要的麻煩。
參考文獻：
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【關鍵字】數控系統；主流系統；認識體會
當前，西門子（SIEMENS）與發那科（FANUC）都是很好的數控系統，占據了大多數的數控系統市場，都為中國的數控機床業的發展做出了貢獻。兩相比較，西門子（SIEMENS）對環境要求比較高，發那科（FANUC）能更好的用于工業環境。另一方面，從易用性的角度出來，西門子（SIEMENS）的數控系統一般功能較多，西門子840D是20世紀90年代后期的全數字化高度開放式數控系統，它的人機界面更易操作，更易掌握，軟件內容更加豐富，具有高度模塊化及規范化的結構。840D的計算機化、驅動的模塊化和驅動接口的數字化，這三化代表著當今數控的發展方向。應用于眾多數控加工領域，能實現鉆、車、銑、磨等數控功能。其采用32位微處理器，實現CNC控制，可完成CNC連續軌跡控制以及內部集成式PLC控制。最多可控制31個軸（最多31個主軸）。其插補功能有樣條插補、三階多項式插補、控制值互聯和曲線表插補，這些功能為加工各類曲線曲面類零件提供了便利條件。840D系統提供有標準的PC軟件、硬盤、奔騰處理器，用戶可在Window98/2000下開發自定義的界面。此外，2個通用接口RS-232可使主機與外設進行通信，用戶還可通過磁盤驅動器接口和打印機并行接口完成程序存儲、讀入及打印工作。通過RS-232接口可方便地使840D與西門子編程器或普通的個人電腦連接起來，進行加工程序、PLC程序、加工參數等各種信息的雙向通訊。它的硬件結構更加簡單、緊湊、模塊化，軟件內容更加豐富，功能更強大，其軟件系統開放式系統理念的一個重要特點是，可以在數控核心部分，使用標準的開發工具對用戶指定的系統循環和功能宏進行調整，代表并引領著當今數控技術的發展方向。因此， SEIMENS數控系統最突出的優勢在于功能非常豐富和強大，它是一個全數字化、高度開放的系統，因此，設備制造商可以比較容易地在進行二次開滿足不同的應用需求。
發那科（FANUC）數控系統也很典型，其系統穩定易用，操作界面友好，實用性很強，發那科更加容易上手， 應用非常廣泛。常見的FANUC O系列，系統各系列總體結構非常的類似，具有基本統一的操作界面。FANUC系統可以在較為寬泛的環境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應性很強。FANUC系統具有主軸控制回路為位置閉環控制，主軸電機的旋轉與攻絲軸（Z軸）進給完全同步，從而實現高速高精度攻絲。復合加工循環可用簡單指令生成一系列的切削路徑。比如定義了工件的最終輪廓，可以自動生成多次粗車的刀具路徑，簡化了車床編程。適用于切削圓柱上的槽，能夠按照圓柱表面的展開圖進行編程。可直接指定諸如直線的傾角、倒角值、轉角半徑值等尺寸，這些尺寸在零件圖上指定，這樣能簡化部件加工程序的編程。可對絲杠螺距誤差等機械系統中的誤差進行補償，補償數據以參數的形式存儲在CNC的存儲器中。CNC內裝PMC編程功能，PMC對機床和外部設備進行程序控制。機床隨機存儲模塊可在CNC上直接改變PMC程序和宏執行器程序。由于使用的是閃存芯片，故無需專用的RAM寫入器或PMC的調試RAM。
國內中高端用戶大多采用的即是SEIMENS、FANIC等這些國際知名公司的數控系統，尤其是在制造業這樣的生產線上，這些品牌的數控系統占據著中高端的主流市場，主流數控系統以SEIMENS 840D和820D數控系統為代表，我所在的公司于2006年全面啟動新廠搬遷建設，一期、二期購置了多臺當今主流數控系統的進口數控設備，設備非常先進，目前共有數控機床幾十臺，其中有大約1/3的數控機床是歐洲一些國家的廠商生產的，所配備的數控系統大部分是當今主流的SEIMENS 840D系統，占整個車間數控系統的70%以上，還有部分是FANIC數控系統，從2008年投產使用到現在，單從數控系統來看，我認為：SEIMENS 840D系統技術先進、功能較強、程序比較完善；發那科數控系統的穩定性發揮得特別好，而且NC程序也比較容易理解。SEIMENS 840D數控系統顯著的技術優勢在于計算機化，驅動的模塊化，控制與驅動接口的數字化，這也代表著當今數控技術的發展方向。它的硬件結構更加簡單、緊湊、模塊化；軟件內容更加豐富，功能更強大。SEIMENS 840D可用于完成CNC連續軌跡控制以及內部集成式PLC控制，其典型特征是德國NILES公司的N40、N50車銑復合加工中心，其數控系統具有大量的控制功能，如鉆削、車削、銑削、磨削以及特殊控制，這些功能在使用中不會有任何相互影響。
當然，相對來說，西門子數控系統價格較高，在我廠的實際生產運行中穩定性不夠好，特別是系統報警故障、電源模塊和伺服驅動模塊容易燒壞等出現的故障，對我們的生產尤其是維修工作影響較大，有時要花費大量費用用于請外國專家修理和更換部件，費用比較工時比較大。一年少則一次多則大約會發生多次此類情況。能盡量將所有技術資料進行漢化，這樣更有利于其技術和產品的推廣。
在這幾年的大批量生產工作中，數控系統的穩定性發揮得特別好是日本的FANIC系統的數控設備，而且其使用的年數比這些新購置的設備早，NC程序也比較容易理解，價格也較便宜。FANIC數控系統的特點是性能穩定，操作界面友好，系統在設計中大量采用模塊化結構，各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。其數控系統具有很強的抵抗惡劣環境影響的能力，其工作環境可以在較為寬泛的環境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，對自身的系統采用了比較好的保護電路，因此可以說適應性很強，很潑辣。
在實際生產中，生產單位工作現場的數控機床、數控系統的維修和調整問題還是比較頻繁的，這些問題帶來的維修費用和停產損失一直是生產單位十分頭痛和無法承受的損失，生產單位也迫切希望供應商、商能積極地幫助解決這些問題，特別是加強技術和應用方面的培訓，包括操作、編程、調整和維修等。另外，用戶對備件儲備、快速響應服務等也提出了一些期望。相信數控系統將來也會進一步降低成本價格，提高集成性、可靠性和操作的舒適性，體積更加密集型、系統柔性和開放性及拓寬功能會更加全面，最終將大大提高數控機床生產能力的效率。
【參考文獻】
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在計算機系統中，總線接口對整個系統的性能和功能都有直接影響，有關專家預測，在下一世紀里，串行總線將逐漸取代并行總線。
在數控系統中，個人計算機技術與數控技術越來越緊密地結合，由此而產生的具有開放性的PCNC數控系統，正在取代傳統形式的數控系統，并成為市場的主流產品。計算機總線結構的變革，必將影響數控系統的體系結構，串行總線的應用將極大地改變現有的傳統數控系統的結構形式。
2 串行總線的優點
同并行總線相比，串行總線具有許多優點。串行總線連接引腳數量少，連接簡單，成本較低，系統可靠性高。串行總線對系統體系結構具有重大的影響，它的應用有助于數據流計算機體系結構的實現。
對于高速計算機系統，串行總線比并行總線更容易使用。在并行總線中，傳輸數據的各個位必須處于一個時鐘周期內的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結構要求越嚴格，系統設計難度加大，致使系統成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行總線時，數據的各個位是串行傳輸的。在串行總線設計時，既可以嵌入時鐘信號作為同步信號，也可以采用鎖相環的時鐘恢復方式；同并行總線相比，串行總線的傳輸線效應比較容易處理，從而降低設計難度和系統成本。
另外，以串行信息包為基礎的系統，不需要編寫驅動程序。當斷開任何一根互連線，對全部信息包進行解碼時，串行總線將這些信息包移入存儲器并中斷處理器，這是一種局部的中斷或事件。隨后微處理器將查看這些信息包，而不需要用驅動程序進行上述工作。系統將成為一種信息傳遞系統，而不是事件驅動系統。
外圍串行總線方式，如IEEE-1394/火線和USB(通用串行總線)，已能成功應用。某些供應商準備采用某種串行總線方式替代PCI(外圍器件互連)系統總線。例如，Intel公司在1998年秋季披露，下一代I/O(NGI/O)串行總線能替代個人計算機中的PCI總線。
為了適應串行總線系統的要求，一些從事前沿技術研究的計算機公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光學底板及光學接口等技術。可以預料，光學鏈路將會在串行總線系統中發揮重要作用。
3 國外數控系統總線接口的發展概況
在數控系統行業中，世界上最大的數控系統生產廠日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數控系統，便是一種串行總線結構形式的數控系統。該系列數控系統以其獨特的結構、優良的性能引起了關注。其中配備18i系統的鉆削中心已在我國銷售。
根據日本FANUC公司提供的資料，我們以15i系統為例進行簡要介紹。
15i系統是目前世界上最高性能的CNC數控系統，最多可進行24軸控制，可控制5軸機床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插補精度為1nm(被稱為NANO插補)，改進加減速控制(Fine HPCC)，適應高速、高精度加工的要求。
傳統數控系統和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統連接比較復雜。15i系統與各軸伺服單元是通過高速串行總線連接的，僅需一根光纜就可以連接8臺伺服單元。另外通過一根電纜即可與I/O模塊相連，I/O模塊可以擴展。操作單元采用14＂彩色液晶顯示觸摸屏，用戶的機床操作可在觸摸屏上進行，大大簡化了電氣配線，整個系統連接非常簡單，從而降低了成本和維修難度，提高了可靠性和靈活性。
該系列產品在市場中具有很強的競爭力，在未來幾年中FANUC i系列數控系統將逐漸取代FANUC 0系列數控系統，成為該公司的主導產品。
1990年德國一些著名的CNC系統和伺服系統制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，與科研機構共同發起成立了SERCOS協會，并制訂了串行實時通訊協議(Serial Real Time Communication Specification)，以便在德國建立一個統一的CNC系統與數字伺服系統接口標準，并開發相應的產品。1992年4月，該協議已經被建議作為新的德國標準和國際標準DIN/IEC44。目前該協議已經被歐洲主要CNC系統和伺服系統制造商所接受，引起國際同行業的重視。THOMSON公司已經取得SERCOS接口硬件的生產許可，生產出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系統和伺服系統生產廠家使用。1997年日本也成立了SERCOS協會。
另外，歐洲的一些公司已推出具有CAN總線接口的伺服控制單元，并投入實際應用。
4 我國的現狀和對策
在我國市場上，國外數控系統仍占統治地位，傳統數控系統還占據著市場的絕大部分份額，中國市場成為其落后技術及庫存的傾銷地。
雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統相繼推出，但總體設計仍未擺脫傳統數控系統的框架，成本較高，目前還難以取代傳統數控系統的市場地位。但隨著個人計算機及網絡技術在數控系統中的應用，傳統數控系統不可避免地將被更具有競爭力的串行總線計算機數控系統(SCNC)所取代。串行總線計算機數控系統將成為數控系統未來發展的方向，對串行總線系統結構的研究應引起我們的高度重視。
在學習消化國外先進技術的基礎上，盡快研究、建立有關的標準和協議，選擇適用的實時操作系統，開發相應的數控軟件、串行接口芯片和伺服系統，推出我國自主版權的新一代數控系統，為參與國際市場競爭打下良好的物質基礎。
5 結束語
串行總線計算機數控系統(SCNC)是數控系統的發展方向，我們不能完全依賴國外進口，應加強對新技術、新方法的研究。國內同行應團結一致，共同努力，聯合相關行業，尋求發展，振興我國數控系統產業。
作者單位
鄭立新，北京朝陽區東直門外望京路4號，北京機床研究所數控工程中心，郵編：100102
參考文獻
PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應性強和與計算機接口方便等優勢在工業測控領域廣泛運用,已大量替代由中間繼電器和時間繼電器等組成的傳統電器控制系統。近年來,PLC技術發展迅猛,新產品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關量檢測和邏輯控制,而且能夠處理模擬信號、進行位置控制和回路控制,還可以連接各種觸摸屏人機界面并具有強大的網絡功能。高端PLC配備適當的位置控制單元和觸摸屏人機界面,并根據計算機集成制造系統(CIMS)或柔性制造系統(FMS)的具體要求,配置相應的網絡模塊或網絡單元,即可實現網絡互連,構成開放的數控系統。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數控系統,這種數控系統裝備的位置控制單元可以實現兩軸聯動,并可根據實際需要,任意擴展控制軸數;觸摸屏人機界面可以根據操作需要靈活設計;還可通過DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協議單元進行多層次的網絡互連。這種數控系統目前已在3MZ2120磨床數控技術改造中獲得成功應用。
1.數控系統的開放特征與典型模式
開放式數控系統一般基于PC平臺,具有模塊化、標準化、平臺無關性、可二次開發和適應聯網工作等特征。基于PC平臺的開放式數控系統目前有3種典型模式。第一種為衍生型(專用NC+PC),在傳統CNC中插入專門開發的接口板,使傳統的專用CNC帶有PC的特點。此種模式是由于數控系統制造商不能在短期內放棄傳統的專用CNC技術而產生的折中方案,尚未實現NC內核的開放,只具有初級開放性;第二種為嵌入型(PC+NC控制卡),將基于DSP的高速運動控制卡(NC控制卡)插在PC的標準擴展槽中,由PC機執行各種非實時任務,NC控制卡處理實時任務。是目前基于PC平臺的開放式數控系統的主流;第三種為全軟件數控系統,PC機不僅能夠完成管理等非實時任務,也可以在實時操作系統的支持下,執行實時插補、伺服控制、機床電器控制等實時性任務。這種模式的數控系統實現了NC內核的開放和用戶操作界面的開放,可以直接或通過網絡運行各種應用軟件,是真正意義上的開放式數控系統。與PC平臺開放式數控系統相比,基于高端PLC的數控系統的開放性主要體現在網絡層面和系統擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結構和面向操作的梯形圖語言編程,模擬量處理單元、位置控制單元、回路控制單元、網絡模塊或網絡單元等高端部件都有專用控制語句,具有系統構建靈活、擴充能力強、應用軟件設計便捷等優點。編程語言標準化和部件可互換性的不斷增強,現場總線技術和工業以太網絡標準的普遍采用,都使基于高端PLC的數控系統變得更加開放,將成為面向CIMS或FMS的設備層的重要組成部分。
2.基于高端PLC的磨削數控系統
2.1開關信號監測與邏輯控制
當前系統輸入輸出單元是PLC的基本組成部分,在磨削數控系統中承擔所有開關信號的監測和全部邏輯控制功能。監測信號主要有:機械手進出、機械手上下、料盤正反轉、修整器起落等動作的位置信號,磨削設備和輔助裝置上的各種工作狀態信號和異常報警信號。系統輸出單元控制磨削設備上所有電磁閥和機床電器系統等,通過磨削設備上的液壓系統,控制機械手、料盤、工件卡盤、砂輪軸、床身、修整器等基本部件和冷卻、、過濾等輔助裝置按照磨床動作和磨削工藝要求工作,實現磨削加工過程的自動化。
2.2工件與砂輪運轉速度控制
保持工件與砂輪轉動速度恒定,對提高磨削加工質量十分有利。為此系統配備了2臺帶RS-485串口變頻器,分別驅動工件軸和砂輪軸。PLC采用聯機隨動控制保證兩者之間速度的配合與穩定。操作人員依據磨削加工要求設定工件軸變頻器速度參數,PLC接收該參數后,參照砂輪直徑(設定或記憶值)和轉動速度比例關系,計算并自動設定砂輪軸變頻器的速度參數。在磨削加工過程中,PLC對砂輪在磨削及修整過程中的損耗給予速度自動補償。PLC最多可以控制32臺變頻器,不同廠家的變頻器可采用協議宏通信聯接。PLC按照變頻器地址(0-31)、指令代碼和相關數據順序向變頻器傳送命令,對變頻器運行、停止、正轉、反轉等實施控制;PLC還可以監視變頻器運行狀態,當變頻器發生過電流、過電壓、變頻器過載、硬件異常、電機過載、過力矩檢測、電源異常、通信超時等情況,可將異常參數傳輸給PLC,由PLC作出相應處理。
2.3位置控制單元(PCU)與位置控
制高端PLC配備單軸位置控制單元,與步進電機或交流伺服電機驅動器配套使用,可以完成開環或半閉環位置控制及速度控制,配備兩軸聯動位置控制單元可以進行實時插補控制,實現直線和圓弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出與高端PLC配套的PCU,具備高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU自帶PCU的位置脈沖速度為1kBPS,高級PCU的速度可達到500kBPS,松下PP2或PP4系列的位置控制速度高達1MBPS。采用高端PLC設計數控系統,需根據控制精度、運行速度和運行軌跡要求選擇適合的位置控制單元(PCU)。磨削數控系統控制精度要求較高(F1μm),一般選擇數字交流伺服系統。OMRON高端PLC專用高級指令控制脈沖輸出,可選擇梯形、S形或三角形速度曲線運行,實現定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。程序設計可選擇相對坐標系或絕對坐標系,按照圖2所示的梯形圖編程運行,可實現各種磨削加工所應遵循的運行曲線。圖3表示該數控系統準確實現鐵路軸承內套擋邊粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。
2.4觸摸屏人機界面設計
基于高端PLC的磨削數控系統可選用觸摸屏人機界面(ProgrammableTer2minal,PT),采用組態工具軟件和圖形庫(開關、燈、棒圖等)以及動畫功能等,按照磨削工藝流程要求進行系統操作界面設計。下面以3MZ2120磨削數控系統操作界面為例介紹設計過程和效果。根據磨削數控操作和顯示的需要,該系統主界面下設8個子畫面(圖4)。系統上電自動進入主界面,核對操作密碼后彈出主菜單,在主界面上點擊操作可轉移相應的子界面。加工參數和修整參數設置界面提供設置數控磨削相關參數提示;手動操作和手動修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手動位置控制和手動修整砂作,為設備調試提供便利;自動報警界面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設計,對油霧、液壓系統、機床電器系統、料槽狀態、冷卻系統和伺服電機等實施監測和自動報警,當發生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(報警時間、故障代碼及應對措施等);自動運行界面(圖5)采用棒圖顯示當前磨削余量值;采用動畫方式實時顯示加工狀態和加工位置等。還設有“緊急停車”等應急按鈕。PT有RS232/422/485通訊口,能夠兼容眾多廠家的PLC。人機界面應用程序可脫機編制和調試,然后下載到PT上運行,PLC一般通過RS232接口與PT相連。許多PT還配備并行接口,可直接與打印機連接,實時打印數據或進行屏幕拷貝。
2.5網絡結構與聯網功能靈活的網絡結構和強大的聯網功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有標準RS232接口連接觸摸屏人機界面、上位機或編程工作站。還可擴展DeviceNet通信單元,使各種符合DeviceNet通信協議的產品都可以連入系統中,以構成基于DeviceNet開放式現場總線的數控系統;系統與車間管理層計算機及車間其它高端PLC的連接可以采用ControllerLink方式,在PLC中擴展ControllerLink通信單元,車間管理層計算機裝備ControllerLink支持卡即可實現互連,由底層DeviceNet設備、基于高端PLC的數控系統或其它測控設備和車間管理層計算機構成3層遞階結構的網絡測控系統。高端PLC一般都可配置符合TCP/IP協議標準的以太網單元,全面支持遠程監控等應用。
【關鍵詞】氣體壓力 數控系統 精確控制
一、引言
近年來，用于切割金屬板材的數控激光切割機床得到快速發展。數控激光切割機床加工金屬板材時，需要氣體（如氧氣、氮氣等）來輔助進行切割。這種方式的加工具有高速高效性，輔助氣體氣壓的精確與穩定，直接影響著板材的切割效率與質量。因此數控激光切割機床精確控制氣體壓力的大小至關重要。
二、氣體壓力控制描述
氣體壓力由電磁比例閥通過電信號控制，電信號是系統向模擬量模塊發送指令傳輸出來的。電磁比例閥接收到電壓信號后，開啟相應量的閥門使氣體流過，從而輸出氣壓。理論上氣壓大小應與電磁比例閥上接收的電壓大小成正比，但由于氣體受到管路限制和電路內電壓的衰減，氣體壓力與電磁比例閥電壓值大小不是簡單的比例關系。
盡管如此，但對于一套固定的氣路裝置來說，管路對氣體的限制，電路內電壓的衰減都是有規律性的。我們在實際中需要反復多次測量，從而找出氣體壓力與電磁比例閥電壓值之間的關系。
三、原理分析
經過我們的多次測量，發現氣體壓力與電壓具有多線型關系。因此我們可以進行以下研究。
此處假定電磁比例閥內通過的氣體壓力值是P，其接收的電壓V是范圍值0-10V。給定電壓值V1，V2，…，V10共10個值，使用氣壓表測定出實際的氣壓值P1，P2， …，P10。通過對氣體壓力和電壓的實際測量分析，發現兩者之間多線型關系圖（見圖一）。
圖一
從圖中可以看出，氣體壓力和電壓在局部線段內仍具有線性關系。因此，我們可以得出下面的運算程式，給出相鄰兩點之間氣壓P與電壓V的關系。
設前點為（P1，V1），后點為（P2，V2）。
兩點之間的線段斜率為K，則 K= （V2-V1）/（P2-P1）。
線段的常量為M，則M=V2-（K*P2）。
因此，兩點之間氣壓P與電壓V的關系式為，V=（K*P）+M。
四、系統實現方式
我們首先要做的是在數控系統的PLC內編寫一個氣壓函數，此函數需要準確的寫出之前得到的氣壓P與電壓V的關系。此函數的調用要具有即時性，當外部變量氣體壓力P發生變化時，系統快速地會根據此函數計算出指令電壓V。
我們在系統數據庫內建立一個數據模塊，記錄實際采集的10組氣壓與電壓的數據值。
表一
我們按照表一所列的內容，實際采集10組數據。而后將這10組數據，錄入到數據庫內。其中數據庫錄入條目舉例如下：
*gas.table.volt1 ： 0.25
*gas.table.pressure1 ： 0.3
依次將10組數據寫入數據庫內，從而完成數據模塊的建立。
數控系統從工件程序內讀取所需的氣壓值P，而后系統將氣壓值P與數據庫采集數據進行比較，從而找到P所處于范圍的兩個端點。下一步系統會從數據庫內調用這兩個端點的數據，使用氣壓函數得出所需的電壓值V。
系統發出指令信號到模擬電壓模塊，模擬電壓模塊根據指令輸出相應的電壓模擬量信號。此電壓信號經過電纜傳送到電磁比例閥，從而電磁比例閥輸出所需的氣壓。
[關鍵詞]數控系統伺服電機直接驅動
近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。本文對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。
一、數控機床伺服系統
（一）開環伺服系統。開環伺服系統不設檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數控裝置發出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結構簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環控制系統多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。
（二）全閉環伺服系統。閉環伺服系統主要由比較環節、伺服驅動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動部件。可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。系統的直線位移檢測器安裝在移動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產生的加工精度比較高。但機械傳動裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對系統穩定性有很大影響，使閉環進給伺服系統安裝調試比較復雜。因此只是用在高精度和大型數控機床上。
（三）半閉環伺服系統。半閉環伺服系統的工作原理與全閉環伺服系統相同，同樣采用伺服電動機作為驅動部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無刷旋轉變壓器或測速發電機作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，其系統的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進給系統中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統穩定性沒有影響，安裝調試比較方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關，而數控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償等項功能，在傳動裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿意的程度。故半閉環伺服系統在數控機床中應用很廣。
二、伺服電機控制性能優越
（一）低頻特性好。步進電機易出現低速時低頻振動現象。交流伺服電機不會出現此現象，運轉非常平穩，交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
（二）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
（三）過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。
（四）速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統的速度響應較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。
（五）矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時轉矩會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩。三、伺服電機控制展望
（一）伺服電機控制技術的發展推動加工技術的高速高精化。80年代以來，數控系統逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。在當代數控系統中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術的發展趨勢。由此產生了應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數字驅動系統。隨著微處理器和全數字化交流伺服系統的發展，數控系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變為軟件伺服控制后，大大地提高了伺服系統的性能。例如OSP-U10/U100網絡式數控系統的伺服控制環就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的發展，使伺服系統性能改善、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展。
另外，先進傳感器檢測技術的發展也極大地提高了交流電動機調速系統的動態響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。
（二）交流直線伺服電機直接驅動進給技術已趨成熟。數控機床的進給驅動有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動”兩種類型。傳統的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應用直線電機直接驅動進給驅動方式。它比滾珠絲杠驅動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態響應性能更佳，運行更平穩、位置精度更高等優點。且直線電機直接驅動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅動與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發展余地。當前，在高速高精加工機床領域中，兩種驅動方式還會并存相當長一段時間，但從發展趨勢來看，直線電機驅動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。
參考文獻：
[1]《交流伺服電機控制技術的研究》，中國測試技術，鄭列勤，2006.5.
隨著國民經濟快速的發展，汽車、船舶、工程機械、航空航天等行業將為我國機床行業提供巨大的需求。預計到2015年，我國數控機床所需的數控系統需求將達到40萬臺套以上（不包含進口機床所配套數控系統），其中中高檔占比預計在60％左右，數控系統市場需求將超過92億元。
《高檔數控機床與基礎制造裝備》國家科技重大專項要求，到2020年，我國將實現高檔數控機床主要品種立足于國內：航空航天、船舶、汽車、發電設備制造所需要的高檔數控機床與基礎制造裝備80％實現國產化；國產中、高檔數控機床用的國產數控系統市場占有率達到60％以上：高檔數控系統市場占有率將從現在的1％提高到20％。
正是基于這些需求，中國機床工具工業協會副理事長、數控系統分會理事長陳吉紅表示，數控系統行業“十二五”努力的方向是：抓住行業發展的重要戰略機遇，以發展數控機床為主導、主機為龍頭、完善配套為基礎，重點突破數控系統和功能部件薄弱環節，加快高檔數控機床產業化。依托科技重大專項，堅持科技進步和自主創新。加強創新人才隊伍建設，提升企業核心競爭力，推動我國由機床工具生產大國向強國轉變。
數控系統的三種發展模式
長期以來，我國數控系統與數控機床的發展呈現“兩張皮”的現象比較突出。兩者沒有形成互相支持、互相促進和共同進步的局面，也沒有形成開發與應用產業聯盟和利益共同體的戰略合作關系，這不僅制約我國數控機床產業的發展和市場競爭力，更制約了我國數控系統行業的發展。
陳吉紅介紹說，目前，國際上發展數控系統產業有三種模式，每種模式各有優劣。
西門子模式：系統廠專業生產各種規格的數控系統，提供各種標準型的功能模塊，為全世界的主機廠提供批量配套。這種模式的優點是：主機廠和系統廠發揮各自的優勢，有利于形成專業化、規模化生產。缺點是：系統廠和主機廠主要是買賣關系，雙方結合不夠緊密主機廠為了保護自己的知識產權，不太愿意將這些特色技術提供給系統廠。
哈斯模式：主機廠獨立開發數控系統，并與其自產的數控機床配套銷售。這種模式的優點是：主機銷售帶動系統推廣；其缺點是：主機廠獨有品牌的數控系統很難被其他主機廠選用。
馬扎克模式：主機廠在系統廠提供開發平臺上，研發自主品牌的數控系統，并與所自產的數控機床配套銷售。這一模式既避免了“西門子模式”和“哈斯模式”可能出現的缺點，又發揚了其自身的優點。這使得主機廠所需要的特殊控制要求、加工工藝和使用特色要求可方便地融入到數控系統中：主機廠用較少的投入，形成了自己的特色技術、知識產權和數控系統產品；主機廠自主品牌的數控系統的推廣，還可以進一步強化主機廠的機床品牌，增加用戶對主機廠的忠誠度；降低主機廠采購數控系統的成本同時帶動數控系統產業的發展。
“根據多年經驗分析，馬扎克模式是主機廠發展數控系統產業最適合的模式，數控系統廠和機床廠以資產為紐帶，建立戰略合作關系，實現主機廠、系統廠、用戶多方共贏。”陳吉紅舉例說，“十一五”期間，華中數控積極與大連機床、北一機床、武重集團、南通機床等重點機床企業建立戰略合作關系，大大促進了中高檔國產數控機床和數控系統發展。如華中數控與大連機床以資產為紐帶，建立戰略合作伙伴關系，在華中數控系統開放式平臺的基礎上，大連機床集成了用戶工藝，開發特色功能和界面，研制了“大連數控”品牌的數控系統。這使得大連機床的整機性價比得到提高，用戶得到了實惠，也改變了大連機床以往中、高檔機床全部配置國外系統的狀況。
為與主機全面配套奠定基礎
“十一五”期間，國家啟動實施《高檔數控及基礎制造裝備》國家科技重大專項，國產數控系統技術水平和可靠性都取得了顯著提升。陳吉紅說，數控系統的研制與開發在關鍵技術方面取得了明顯突破，已在國產機床上得到應用，為與主機全面配套奠定了基礎。
例如，“十一五”期間，華中數控研制的五軸聯動高檔數控系統填補國內空白，打破國外封鎖，300臺五軸系統在軍工等重點行業使用。基于“高檔數控裝置”、“國產CPU”、“全數字驅動及電機”三個重大專項課題研制而成的華中HNC-8型總線式高檔數控系統，采用開放式軟硬件體系結構及總線技術。目前，華中8型數控系統已與10類44臺重大專項高檔數控機床配套應用，主要技術指標已與國外高檔數控系統相當。
廣州數控研制的全數字高檔數控系統具有高速程序預處理、多通道多軸聯動控制、多通道及復合加工控制、等功能，系統基于工業以太網，具有自主知識產權的高速實時串行總線協議GSK—Link，支持EtherCAT，NCUC-Bus、GSK—Link三種協議的高速實時串行總線。
沈陽高精數控研制的高檔數控系統系統，為基于多處理器，支持8通道、8軸聯動、64軸控制，最小控制分辨率1納米，具有7200段／秒、2000段前瞻的高速處理功能，可與5軸聯動高速加工中心等數控機床配套應用。
大連光洋數控研制的總線數控系統，強大的多通道控制能力；優秀的五軸加工能力，支持多種五軸機床結構，支持斜面加工、定向退刀，支持3維刀具半徑補償；高速高精度控制。配合伺服驅動，可適配0.75～110KW交流同步伺服電機、交流異步主軸電機、力矩電機、直線電機；基于新一代光纖現場總線。
技術與市場差距
“十一五”期間，國產高檔數控系統技術有了突破，但和國外高檔數控系統相比，差距依然較大，陳吉紅認為一方面是技術方面的差距。首先，產品在功能上存在差距：功能還不夠完善，在實際應用中驗證還不全面，在高速、高精、多通道控制、雙軸同步控制等技術上不足；第二，產品的系列化不足：產品品種不齊、規格不足、成套性差、機電接口不一，影響配套。第三，產品的應用驗證不夠：產品生產完成后驗證考核數量、時間不夠，可靠性測試結果不能令人信服；第四，產業尚未起步：由以上等原因，導致產品的市場占有率偏低，用戶認可度不高。
另一方面，是市場方面的差距。據工信部的《機床工具行業“十二五”發展規劃》顯示，“十一五”期間，數控系統發展滯后已成為制約行業發展的瓶頸。國產中檔數控系統國內市場占有率只有35％，而高檔數控系統95％以上依靠進口。
因此，為解決與國外高檔數控系統的差距，需要通過在數控系統的關鍵共性技術、應用技術上取得突破，以此帶動國產中高檔數控系統的生產。陳吉紅建議說，首先，以利益為紐帶，整合國內的技術和人力資源，集中國家的財力支持建立國產數控系統軟件、硬件和共性技術研發平臺。建立技術研發管理機制，建立軟件開發的質量管理體系（CMM）。
【關鍵詞】828D數控系統 電路設計 PLC設計 系統調試
1改造概述
VMC-1250數控銑床由美國CINCINNATI公司制造，機床原采用SIEMENS A2100數控系統，現選用西門子公司的SINUMERIK 828D數控系統作為機床控制系統。
具有80位浮點數納米計算精度（NANOFP），組織有序的刀具管理功能，Easy Archive--備份管理功能，可配置最大軸數：車床版8軸 / 銑床版6軸， Operate操作系統等優點。
2 SIEMENS 828D數控系統調試概述
機床是否能夠安全可靠的操作運行，主要是由數控系統的PLC，NC控制的。 當系統及電氣連接正確無誤后才可以上電進行系統調試。系統調試分為（1）PLC程序調試；（2）驅動器調試；（3）NC調試。在使用PLC子程序之前，需要進行系統初始化。系統初始化就是利用計算機與機床通訊將標準車床或銑床的初始化文件傳入828D系統，初始化不僅對系統的坐標進行配置，還對車床和銑床的工藝參數進行了配置，而且安裝了車床或銑床的加工工藝循環。標準機床指的是符合系統初始化后所規定的機床坐標配置的機床，有車床和銑床之分。系統初始化后，所有的機床參數均有缺省值。
3 PLC程序調試
在系統的各個部件正確連接后，首先應當設計并調試PLC控制程序。 828D是基于SIMATIC S7-200的PLC構架，使用“Programming Tool PLC828”軟件進行PLC程序的編輯、診斷。
為了讓PLC程序簡單明了，方便診斷故障應遵循以下規則：
（1）盡量避免使用局部變量；（2）OB1只能用來調用子程序；（3）網絡中編寫程序的寬度不要超過顯示寬度；（4）盡量避免使用復雜指令；（5）盡量使用簡單的邏輯關系；（6）一個輸出線圈的使能、置位、復位在整個程序中最好只出現一次；（7）臨時變量只能在同一子程序中出現；（8）不要使用間接尋址；（9）程序中盡量避免使用M作為中間變量，使用用戶自定義數據塊。
PLC用戶報警為機床維護、操作人員提供了有效地診斷手段。828D提供了248個用戶報警（700000-700247）對應接口信號為DB1600.DBX0.0-DB1600.DBX30.7，
每個報警具有一個配置8 位參數MD14516[0]～ [247]“USER_DATA_PLC_ALARM”。可以根據實際情況設定每個報警的清除條件和報警響應。如果參數第6～7位都為“0”， 表示報警為“自清除”報警；如果0～5位都為“0”，表示報警為“只顯示”報警；828D可以在HMI上創建報警文本，編寫完的報警文本直接保存在系統CF卡/oem_alarms_plc_chs.ts文件中。
在PLC啟動過程中，MCP所有的燈不停閃爍，利用Programming Tool PLC828軟件，借助上位計算機來對系統PLC程序進行傳輸。調試各個PLC塊信號，使MCP和NCK能正常啟動，并無報警信息。先建立系統組織塊 OB1；然后根據實際系統配置和機床硬件要求，使用LADDER語句和STL語句，完成相應的機床功能子程序塊的設計。并將整個PLC軟件系統進行配置和連接。在系統調試前，需要建立軸控制使能鏈。軸使能鏈至關重要，如果機床下電時序不正確軸就會處在自由停車狀態，既機床下電后軸還會運動一段距離。軸使能上電時序有關的有10個信號：
急停信號： DB2600.DBX0.1，DB2600.DBX0.2；EP使能：電源模塊上的X21.3端子信號；OFF1使能：PPU的X122.1端子信號；OFF3使能：PPU的X122.2端子上信號自定義到信號Q0.3上；軸控制使能：DB380*.DBX2.1；軸脈沖使能： DB380*.DBX4001.7；第一測量循環：DB3800.DBX1.5；通道進給保持：DB3200.DBX6.0；軸進給保持 DB3*.DBX2.1，DB3*.DBX21.7；
系統上電的第一步是給電源模塊加EP使能，間隔100ms后加OFF1使能，OFF1使能加上后可以加OFF3使能，加OFF3的同時可以給各軸加脈沖使能和控制使能。
按下急停開關時，首先要斷掉OFF3使能，待所有軸出現靜止信號DB390x.DBX1.4時，才可以同時斷開OFF1，脈沖使能和控制使能，OFF1斷開后延時100ms斷開EP使能。
4 驅動器調試
當PLC 應用程序的正確無誤后，即可進入驅動器的調試。驅動器調試步驟：
（1）驅動器固件升級；（2）驅動器配置，；（3）電源配置；（4）分配軸。
除非調節型電源模塊外，SINAMICS 部件內部均具有固化軟件，簡稱固件；為保證驅動器與數控系統軟件的匹配。固件升級期間，驅動器進線電源模塊和電機模塊上指示燈：READY 以2Hz 的頻率，綠/紅交替顯示，表示固件升級在進行中；固件升級期間嚴禁斷電！當升級結束后，HMI會出現重啟系統及驅動的提示，這時必須重啟整個控制系統驅動固件升級才能生效。
828D分配軸可以使用Startup-tool軟件自動設定機床數據，可視化的分配軸界面非常方便。
5 NC調試及優化
配置完參數后為了讓機床的電氣和機械特性相匹配，得到最佳的加工效果，還需要對伺服進行優化。828D系統在HMI上集成了先進的在線伺服優化軟件，可以對速度環和位置環進行自動優化。自動優化是各軸獨立運行的，在所有軸都優化以后，需要進行各軸的匹配。其中比較重要的是，如果優化后手輪移動軸時有震動現象，需要設置MD32420-1激活手輪模式下的JERK功能。再將MD32430設為20-50即可消除震動。
6結語
西門子828D數控系統具有的高度模塊化、開放性以及規范化的結構，適用于各中小型機床，調試簡易方便。通過這種先進的功能性強的數控系統來改造老機床延長老舊設備的使用壽命節約成本增加效益才是老舊設備未來的出路。
參考文獻：
關鍵詞：FANUC數控系統應用中心；建設；實踐
一、FANUC數控系統應用中心建設思路
1.產業基礎。制造業是我國國民經濟的支柱產業，裝備制造業是國家重點振興行業，數控行業是裝備制造業的核心。近年來，隨著我國工業現代化水平的快速提升，裝備制造業的規模和水平也迅速提高，目前中國已發展成為全球最大的數控機床市場。數控行業對人才數量的需求迅速增加，對人才水平的要求也迅速提高，行業高水平與綜合型技能人才的供需矛盾日益突出。為進一步促進我國職業教育的發展，提高我國職業院校數控維修專業領域職業教育水平，推進技能型緊缺人才培養，滿足裝備制造業的人才需求，教育部與北京發那科機電有限公司合作，選擇國家重點建設的職業院校，設立“FANUC數控系統應用中心”，支持合作院校培養綜合技能型數控裝調維修應用人才，促進院校職業教育與企業數控技術應用人才需求緊密結合，更好地服務于制造業。
2.行業背景。本次教育部與北京發那科合作，計劃從2011年1月至2015年12月，選定列入國家建設項目的、具有區域代表性的職業院校，合作設立30個“FANUC數控系統應用中心”。北京發那科將捐贈價值總計1815萬元的設備等用于支持合作項目，協助合作院校建立FANUC數控系統應用中心；與合作院校聯合開發FANUC數控技術應用教材和培訓資料；免費為合作院校培養師資，為合作院校的數控類專業建設提供支持；與合作院校聯合開展面向數控系統應用技術的數控專業學生培養、師資培訓、企業員工培訓、企業技術服務等業務，為學校所在地區的制造業人才培養服務，同時服務當地FANUC用戶。北京發那科在專業教學改革、師資培養、教學資源建設等方面給予支持和配合。
在教育部支持下，雙方將以FANUC數控系統應用中心為合作平臺，進一步開展各類形式的校企合作，共同探索職業教育新模式和人才培養新機制，為我國數控專業領域的技能人才培養做出更大貢獻。
二、FANUC數控系統應用中心建設方案
1.FANUC數控系統應用中心定位主要是面向數控系統的安裝、調試及維修維護應用技術，開展機電大類專業學生培養、師資培訓，以及面向企業培訓和技術服務的一體化的綜合學科平臺。其中，教學包括課程建設、學生培養；師資培訓是培養本校教師的專業能力，對相關職業院校教師的數控專業培訓；企業培訓包括承擔當地機床廠，機床用戶的培訓；企業服務包括機床電氣設計、維修維護等服務。
中心設備配備包含CNC電氣安裝調試實驗臺以及數控機床綜合調試模塊，可以滿足以下幾項教學及培訓功能。①以FANUC數控系統為核心的機床電氣安裝及調試。其中包含：CNC系統硬件連接；機床PMC控制電氣連接；CNC系統參數設定與調整；PMC編程；CNC操作與編程。②以機床機械光機為核心的數控機床機械安裝與調整。其中包含：數控機床機械結構的認識；機械元件的結構；機床機械的安裝及基本的精度測量方法和調整方法。③數控機床的電氣，機械綜合連接及調整；數控機床基本運行調整及優化；數控機床基本精度測量及調整。④數控機床零件加工操作及編程。⑤數控機床常見故障設置、分析及解決，通過實驗設備，設置數控機床常見的故障，培養學生對于機床故障的分析思維方法，使其能夠具備基本的故障分析及解決能力。
2.硬件配置的電氣方面配備當前國內廣泛使用的FANUC?搖0I-D系列CNC，包含：0I-MD，0I-MATE?搖MD，0I-TD，0I-MATE?搖TD四種產品，共配置20套左右。將FANUC系統做成相應的實驗臺，以滿足電氣安裝及調試教學與實訓。機械配置方面選擇小型車床、銑床或加工中心的機械光機，去掉防護等配件，保留各軸核心的傳動機構及工作臺，使機械結構便于拆裝和調整。將伺服電機安裝在機械上，便于與電氣實驗臺連接，以實現綜合調整。故障設置模塊是通過計算機軟件以及硬件輔助模塊的配合，設置數控機床工作現場中常見的故障，用于機床維修方面的培訓。數控機床綜合調試模塊是以企業常用的車床或加工中心為對象，并對其結構進行適當改造，使其便于教學和培訓，但保留真實的機床結構，使學生掌握數控機床的結構，以及工廠中數控機床的綜合調試及維修維護方法。
三、FANUC數控系統應用中心建設的主要內容
1.實驗室建設：陜西工業職業技術學院FANUC數控系統應用中心于2011年12月由陜西工業職業技術學院和北京發那科機電有限公司、陜西法士特汽車傳動集團有限公司共同建設。本中心得到了FANUC公司大力支持援助，旨在加強校企合作，推廣應用可靠性高、性能好的FANUC數控系統，提高學校教學設備檔次，提高教學水平，積累相關教學經驗。該中心目前擁有系列化FANUC數控系統培訓設備。其中：FANUC?搖0i-MD數控系統電氣實驗培訓裝置2套，FANUC 0i-TD數控系統電氣實驗培訓裝置1套，FANUC 0i Mate-TD數控系統電氣實驗培訓裝置12套，FANUC 0i Mate-MD數控系統電氣實驗培訓裝置4套，以及與之配套的教學考核系統18套，機械十字滑臺8套，半實物數控車床4臺，半實物數控銑床4臺和伺服調整裝置5臺等。中心設有多媒體專用培訓教室，可以滿足不同層次、不同需求的學員學習需要。
中心可以進行的實驗實訓項目有：FANUC數控系統系列產品綜合介紹、數控系統機床操作、數控系統加工編程、數控系統硬件連接設計、參數設置調試、PMC編程開發、常見故障維修分析等。中心可以培訓的對象是：數控維修、數控技術、機電一體化、機械制造、模具加工、電氣自動化等專業學生；從事機床編程操作加工、數控系統電氣設計與維護、數控機床生產、電氣改造等企業技術人員以及在大專院校、技校、高職等學校從事數控技術教學的人員。中心可以承接的對外技術服務有：FANUC數控系統技術咨詢；數控機床電氣設計、PMC編程開發、電氣調試：零件加工編程；機床改造、數控機床故障診斷與維護等。
2.教學研究：主要是分析和研究當前高職機電一體化類專業數控系統裝調與維修教學的方法，提出關于提高學生數控系統裝調與維修技能的建議以及專業技能提高的具體意見，形成較為系統、完整的結論和觀點；提出關于高職機電一體化類專業數控系統裝調與維修技能提高及實驗實訓建設的基本思路，明確高職機電一體化類數控系統裝調與維修教學的基本要求，為數控系統裝調與維修教學建設工作提供借鑒和幫助。
3.師資培訓：在進行學生教學的同時，中心需要承擔對院內外相關專業教師的培訓，我們的培訓得到了各院校同行的認可與好評；對企業員工的培訓也得到了認可，社會反響良好。
4.教材建設：研究建立高職機電類專業的FANUC數控系統裝調維修教學體系，形成一整套電子教材、課程電子教案、指導性的教學文件（教學大綱、授課計劃），配備了實訓指導書，為教師備課、學生學習提供了很大的幫助。
四、FANUC數控系統應用中心建設的體會
1.探索職業教育新模式，人才培養新機制。北京發那科機電有限公司是北京機床研究所與日本FANUC公司在中國合資的子公司，是世界主流的數控系統制造商，是北京市高新技術企業。公司主要承擔FANUC CNC產品在中國市場的業務。長期致力于幫助中國用戶選好用好FANUC系統。通過“應用中心”的建立，我院相關專業的教師將獲得發那科機電有限公司的技術培訓與技術支持，形成一個專業團隊，共同開發教材和培訓資料，共同帶領學生為企業服務，形成一個“企業帶著學校走”的新模式，進而達到“教師帶著學生服務企業”的目的。
2.緊跟數控領域新技術，使學生不斷掌握新技能。發那科機電有限公司的產品更新換代時，公司將盡快地對“應用中心”團隊的教師進行培訓，使其掌握新的技術，并進而帶領學生掌握這些新技能，以期更好地為企業服務。
3.加強橫向聯系，學習先進經驗。“FANUC應用中心”建設團隊中的學校大多是沿海經濟發達地區的學校，而且大多是國家示范院校。他們在許多方面值得我們學習。在“應用中心”這個團隊中，通過教材建設、年會交流等多種形式，我們可以加強與這些兄弟院校的交流，學習其先進的教學理念和教學方法，從而提高我院機電大類的人才培養質量。
五、FANUC數控系統應用中心建設后的應用
1.中心建成后，我院與多家企業合辦了全國性的“中職教師數控裝調維修培訓班”，取得了較好的效果，后續培訓仍在進行中。
2.完成了我院承辦的國家級培訓項目——高職教師“數控設備裝調維修專業”為期一年的教學培訓工作。
3.在應用中心的平臺上，主持了教育部數控設備應用與維護專業教學資源庫建設項目子項目——《數控設備改造》課程的建設工作。
4.完成了我院2010級機電一體化專業、數控維修專業300余名學生的“數控設備裝調維修”課程理實一體化教學工作。
5.完成了2012年全國職業院校技能大賽陜西選拔賽“數控設備裝調維修”項目的學生訓練工作，學生在大賽中取得較好的成績。
FANUC數控系統應用中心是一個技術交流的平臺，是一個提高技能的平臺，我們要更好地利用這個平臺進行學習和研究，不斷提高教師的理論和實踐技能，培養出更高水平的學生，服務于企業生產，服務于社會。
參考文獻：
[1]祝戰科.FANUC數控系統應用中心建設方案[R].2011.
制造業是國民經濟的物質基礎和產業主體,是國民經濟高速增長的發動機,是科學技術的基本載體,是國家核心競爭力的重要體現,是國家安全的重要保證[1]。長期以來我國對制造業不夠重視,以上對制造業地位的確立是我們幾十年血的教訓得來的,已經成為制造業學科泰斗們和國家的共識。當前隨著經濟全球化趨勢迅速發展,國際上產業結構調整和產業轉移步伐加快,國際競爭更加激烈,這既對我國提出了嚴峻的挑戰,也提供了歷史性的發展際遇。數控機床是制造業的工作母機,是制造業的基礎和根本。筆者將藍牙無線通信技術引入數控系統,并對其應用前景進行了有益的探索。
將藍牙技術與數控系統的結合,可考慮從以下三個方面提升現有數控系統的性能:
(1)實現技術人員對數控機床的無線監控,方便了用戶生產和維護。在生產過程中用戶方技術人員可以通過便攜的藍牙監控設備對數控設備進行實時監控和干預機床的運行。
(2)通過建立高速無線數據鏈路提高數控系統的實時自動監控能力。現有數控系統是基于操作者監控的系統。當數控機床進行加工工作時,操作者主要依靠肉眼的觀察和自身的經驗來判斷機床的運行情況并作出適當的干預,例如停止主軸、系統停機等。這一過程是人工的,其最大的缺陷在于實時性差,當操作者發現異常情況時,可能已造成工件的損毀、機床的破壞等無法彌補的損失。通過引入藍牙技術,在數控主機與藍牙監控機之間建立高速數據鏈路,將數控系統的運行參數實時地傳送給藍牙監控機,由監控機實時地、自動地監控和記錄數控系統的運行狀態并對數控系統主機發送相應的操作命令。
(3)通過藍牙監控系統對數控系統運行狀態的實時和完整的記錄提高數控系統的可維護性。提高機床的維護效率,縮短維護時間是提高數控機床利用率和節省人力、資金的重要途徑。2003年9月的數據表明我國機床設備利用率在20%～30%之間。藍牙技術引入數控系統后,通過對系統運行狀態的完整保存,得以對故障進行再現、和分析,可以大大提高系統的非機械性故障的維護效率。
1.藍牙技術簡介
藍牙技術(Bluetooth)是一種短距無線通信技術,其目的是替代數字設備和計算機外設間的電纜連線以及實現數字設備間的無線組網。1998年愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾成立了藍牙特殊利益小組(SIG),負責制定藍牙規范。
藍牙規范規定了藍牙應用產品應遵循的標準和需要達到的要求。到目前為止,SIG已經頒布的藍牙規范有110、110B、111三個版本,目前最新的111版本于2001年4月公布。藍牙規范由兩部分組成:藍牙核心協議、藍牙應用框架。
藍牙技術產品體積小、功耗低,可以方便地集成到幾乎任何數字設備中。使用的產品包括手機、PDA、筆記本電腦、打印機、數碼相機等。藍牙無線技術的應用大體上可以劃分為替代線纜(CableRe2placement)、因特網橋(InternetBridge)和臨時組網(AdHocNetwork)3個領域。
2.技術路線分析
藍牙技術是現今技術最復雜的一種無線通信技術。藍牙技術的復雜性并不體現在它的硬件上而是體現在其協議本身的龐大和兼容性上。要實現以藍牙為數據鏈路的應用,技術路線的探索和確定是一個關鍵環節。
根椐數控系統的整體設計要求,系統平臺為WindowsNT操作系統。研究的總體目標是“以藍牙無線通信技術為傳輸載體,實現數控主機與PC和便攜設備的互連,完成數據在數控主機與PC及便攜設備的互傳,以實現對數控系統的實時監控和高效率維護。”在總體目標確定的情況下,在組織研究的基礎上確定了以下三種技術路線:
(1)獨立開發藍牙的HCI層以下協議棧以及上層獨立的通信協議,在此基礎上完成系統控制和收發模塊的開發工作,實施對接后完成整個開發工作。這一方法無疑是最具吸引力的一種方法。其優點有:
①可以獨立掌握藍牙的核心技術;
②藍牙的所有指令可以在控制模塊中直接得以執行,我們可以直接控制藍牙設備的工作狀態、設備連接、通信速率和通信時機;
③減少HCI層以上的協議層,加快程序執行速度。
這種方法所需的工作量極大,藍牙設備的驅動程序、HCI層以下協議棧和HCI上層控制模塊在短時間內獨立完成。
(2)利用第三方提供的藍牙開發平臺,開發出所需的通信模塊。這種方法的優點是開發周期短、開發難度低,但需購買藍牙開發平臺。
(3)利用藍牙市場上成熟的藍牙設備,以藍牙的RFCOMM上層協議棧為平臺,開發藍牙通信模塊。
這種方法的優點是投資少、開發相對容易。
我們對第一種方法和第三種方法都做了研究,在綜合考慮后最終采用第三種技術路線開發成功,其通信模型如圖2。
3.系統設備選型及網絡組織
3.1藍牙的拓撲結構藍牙支持點對點和一點對多點的通信,最基本的網絡組成是微微網。微微網由主設備單元和從設備單元兩種設備單元構成。主設備單元負責提供時鐘同步信號和調頻序列。而從設備單元一般是受控同步的設備單元,并接受主設備單元的控制。在同一微微網中,所有設備單元均采用同一調頻序列。每個從設備單元的起始頻率和占用信道由主設備單元控制。一個微微網中,一般只有一個主設備單元,而從設備單元目前最多可以有7個。不同的微微網之間可以互相連接。
設備選型要想實現數控系統與藍牙監控系統之間的數據傳輸,數控系統和藍牙監控系統上必須有相應的藍牙硬件。設備選型涉及到數控系統和藍牙設備軟硬件,整個系統必須能夠緊密配合,否則無法實現系統的整體功能要求。系統的設備選型決定了整個系統的硬件成本、開發平臺、軟件開發難度、開發周期等一系列問題,是一個系統工程,關系到整個系統的研發成敗。設備選型主要集中在數控系統本身藍牙設備的選型和藍牙監控設備的選型上。
在數控系統本身的設備選型上,我們采用了IPC+藍牙USBDongle的硬件組合,它具有以下優點:
•系統的成本低。IPC和藍牙USBDongle都是成熟的工業產品,銷售渠道多采購方便,采購成本低。
•便于開發平臺的選擇和統一。IPC嚴格符合業界的各種PC機標準,PC機的操作系統和豐富的軟件開發平臺都可以使用。藍牙USBDongle符合藍牙1.1技術規范,藍牙豐富的上層協議為我們實施開發提供了豐富的協議接口。
•藍牙USBDongle與數控IPC是獨立的硬件,大大增加了硬件的靈活性,避免了硬件的獨特性給采購帶來的麻煩。
藍牙的固定監控主機基本與數控系統本身的相同,可以采用IPC+藍牙USBDongle或筆記本PC+藍牙USBDongle的組合。
基于以下幾點,藍牙移動監控設備采用了HPiPAQPocketPCh5450PDA:
•簡化了開發平臺的選擇和開發。該PDA采用MS的PocketPC210(即WindowsCE310)操作系統,該系統支持主流的X86系列微機在WindowsNT下軟件的嵌入式版本,軟件資源豐富。因此軟件開發平臺可選擇免費eVC或eVB,而避免了其它主流嵌入式操作系統如PalmOS和Linix所帶來的軟件資源不夠豐富,節省了昂貴的開發平臺采購費用。
•該PDA集成了符合藍牙協議規范111標準的藍牙模塊,避免了PDA上藍牙設備的開發和選型問題。
•HPiPAQPocketPCh5400PDA采用了ARM體系結構的IntelmPXA250應用處理器,它的主頻為400MHz。該系統功耗低、性能高,能夠滿足藍牙監控系統要求的系統運行速度。
•HPiPAQPocketPCh5400PDA的系統操作界面與主流的Windows操作系統的界面布置和使用方法相似,界面友好、便于操作。便于使用人員的培訓和使用。
整個硬件系統的硬件組織和網絡拓撲結構見圖4。
4.系統軟件結構模型及功能
軟件結構模式是指軟件的組織管理方式,即系統任務的劃分方式、任務的調度機制、任務間的信息交換機制以及系統的集成方法等。研究結構模式是為了解決CNC系統軟件集成的問題,也是開發新系統首先要解決的問題,是決定數控系統開發的成敗和性能高低的第一要素。系統的整體軟件結構模型見圖5。
數控系統是基于WindowsNT的全軟件型數控系統,軟件構架采用“線形系統結構”,這種軟件結構具有結構簡單、系統模塊化程度高、開發維護簡單等優點。數控系統與藍牙結合并實現實時自動監控的首先要解決的問題是實時數據的高速實時采集。通過將藍牙數控模塊嵌入數控全軟件數控系統的位控、速控模塊,問題就得到了很好的解決。系統運行過程中,藍牙收發模塊將位控模塊采集的數控機床的各傳感器的信息和機床的運動坐標狀態實時地發送到藍牙監控系統的藍牙數據收發模塊,藍牙監控系統的藍牙數據收發模塊將發送過來的數據分別送入實時自動監控模塊,實時自動監控模塊對運行的狀態信息按一定的監控算法進行分析檢查,如發現有異常則發送指令回CNC部分完成對機床的控制,實時監控模塊負責將系統的狀態數據存入狀態數據庫。同時,故障自動檢測模塊調用系統信息數據庫中的機床實體三維信息和被加工工件的三維實體信息結合機床的實時加工狀態信息檢測可能發生的故障,并實施自動干預措施。人工干預模塊是一個人工干預命令集合,在加工過程中技術人員可通過該模塊人工發送指令,控制機床的工作狀態和實時修改加工參數。故障回放模塊是一種事后處理系統。數控系統和藍牙監控系統之間的工作是相互獨立地實時并行工作,因此無論CNC部分發生怎樣嚴重的故障,并行部分都能完整的記錄系統的狀態信息。故障回放和故障仿真模塊調用系統狀態數據庫中的信息,完成其對機床故障的重現,幫助技術人員排除故障、積累避免故障的經驗。
5.實現及結論
在現代制造系統中，由于英特網和分布式計算技術的出現，產品的設計和制造日益分散化，協同合作制造日益成為更快速、更經濟的生產高質量產品的有效模式。目前的數控系統正在向著集成化(Integrated)的方向發展，其目的在于為產品生產過程中的各個獨立部門提供有效的協同工作環境。傳統的CIMS技術大而全，在一般的中小企業很難實施，于是INC應運而生。
2.INC的概念與關鍵技術
2.1INC的概念集成化數控(IntegratedNumericalControl，INC)將CIMS中的功能實現(如CADPCAMPCAPPPNCP等)抽象為一系列獨立的功能模塊，再將這些功能模塊集成在一起便可組成一個具體的數控系統。
以水射流機床所使用的INC系統的整體工作流程為例(見圖1)，其整個系統是建立在工程數據庫的基礎上，數據庫包括花樣庫、切削用量庫、夾具庫、噴嘴庫、工藝庫、NC代碼庫等，它們通過IntranetPInternet集成在一起，構成了工程數據庫。INC系統可分為6個子部件模塊:輔助設計(CAD)、輔助工藝(CAPP)、優化決策、數控加工(CNC)、系統監控和總體規劃。
2.2INC與ONC、DNC的區別
開放式數控(OpenNumericalControl，ONC)，與傳統的CNC系統相比較，ONC的核心在于其開放性，它必須提供不同應用程序運行于系統平臺之上的能力;提供面向功能的動態重組工具;提供統一、標準化的應用程序用戶界面。世界各國相繼啟動了有許多關于開放式數控的研究計劃，其中影響較大的有美國OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃，歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomation)和日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計劃等[3]。直接數控(DirectNumericalCon-trol，DNC)和分布式數控(DistributedNumericalControl，DNC)系統的主要目標是更加有效地控制一組數控機床或是整個工廠的生產，它實際上是一種分布式制造。
與ONC、DNC不同，INC是以數控為核心，它的各個模塊都是面向數控，它的一切工作都是為數控加工服務。例如，一般的CAM系統注重特征識別、零件幾何造型的建立以及零件加工軌跡的定義等，而INC的CAM模塊中注重的是對零件加工過程的仿真和生成數控加工代碼，其目的是便于檢驗零件的手工編程或自動編程的數控加工程序是否正確。與分布式制造(DistributedManufacturing)相比較，INC更接近于一種協同制造(CollaborativeManufacturing)。
2.3INC的關鍵技術
INC有三點關鍵技術:面向數控的CAD技術;面向數控的CAPP技術和基于CADPCAPP信息集成的CNC技術。
面向數控的CAD技術包括圖像預處理、智能識別、圖像矢量化和CADPCAPP集成技術等。面向數控的CAPP技術則包括路徑優化、步驟優化、CAPPPCAM集成、工藝數據庫的建立和管理技術等。
基于CADPCAPP信息集成的CNC技術，主要是與CADPCAPP集成系統的接口和交互的技術(基于STEP標準擴展的接口和交互技術)、嵌入式設備研制技術和實時技術等。
本文將對基于CADPCAPP信息集成的接口和交互的技術進行討論與研究。
C與CADPCAPP的接口和交互技術
目前在工業化應用中的NC所采用的編程方式還是基于ISO6983(GPM代碼)標準，隨著計算機輔助系統CAX技術、系統集成技術等的飛速發展和廣泛應用，該標準已越來越不能滿足現代NC系統的要求，成為制約數控技術乃至自動化制造發展過程中的瓶頸問題。
1997年歐共體提出了OPTIMAL計劃，將STEP技術延伸到自動化制造的底層設備，開發了一種遵從STEP標準、面向對象的數據模型(稱為STEP2NC)，將產品模型數據轉換標準擴展到CNC領域，重新制定了CADPCAPP與CNC之間的接口，為實現CADPCAPPPCNC之間的無縫連接，進而實現真正意義上的完全開放式數控系統奠定了基礎[4]。
傳統數控系統與CADPCAPP之間的數據交換是單向傳輸，現場對NC程序的任何修改都無法直接反饋到CADPCAPP系統，生成NC程序時記錄最初加工需求的信息已經丟失。而使用STEP2NC可減少加工信息容易丟失的問題，實現雙向數據流動，能夠保存所做的修改，使零件程序和優化的加工描述及時地反饋到設計部門(CAD)，以便設計部門及時進行數據更新，獲得完整、連貫的加工過程數據文件。
圖2所示是基于STEP2NC標準的數據模型，其中包含了加工工件的所有任務，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺紋、倒角等)進行編程，而不是直接對刀具與工件之間的相對運動進行編程。這樣，CNC系統可以直接從CAD系統讀取STEP數據文件，消除了由于數據類型轉換而可能導致的精度降低問題。
圖3所示為一種采用了STEP2NC標準的數控系統結構模型，該結構模型包含了當前STEP2NC與數控系統結合的3種模式，模式1是一種過渡形式，上層符合STEP標準的CADPCAPP系統與STEP2NC接口實現雙向數據流動，下層通過增加符合STEP2NC標準代碼轉換接口，將STEP2NC數據代碼轉換為GPM等代碼，進而實現對現行數控系統的控制。模式2是一種比較簡單、初級的模式，與模式1的區別在于下層采用了新型STEP2NC控制器，直接讀取STEP數據格式加工文件。模式3是模式2的發展與完善，它使系統的集成度更高、設計層與車間層之間的功能重新劃分，實現CAPP系統宏觀規劃與CAD系統集成、微觀功能與車間層集成。鑒于ISO6983標準在數控領域內的廣泛應用，在短期內用ISO14649標準將其完全取代不太現實，因此在STEP2NC控制器廣泛使用之前，模式1將長期保留在系統之中[5]。
基于STEP2NC標準的CADPCAPPPCNC之間將會實現無縫連接，CADPCAPP與CNC的雙向數據流動，使得設計部門能夠清楚地了解到加工實況，并且可根據現場編程返回的信息對生產規劃進行及時快速的調整，生產效率將得到極大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC之間的功能將會重新劃分:CAPP系統的宏觀規劃與CAD系統集成，微觀功能與CNC集成。
4.應用實例
AWJ水射流機床(國家專利產品)是通過高壓管道形成高壓水射流或磨料射流，來實現對工件的切割以及拋光等操作。初始條件為工件的數碼圖像，經過INC的CADPCAPP集成系統處理后直接將數據傳輸到CNC子模塊，由CNC子模塊生成加工仿真。INC系統是基于Windows平臺，應用于水射流切割機的集成化數控加工。
圖5所示是將經過處理后的輪廓輸入CAD軟件稍加修改，再由集成到CAD軟件內部的CAPP軟件設計出合適的加工工藝。最后生成NC代碼輸入模擬仿真軟件，如圖6所示，可以進行仿真切割加工。這樣便完成了INC系統中由數碼圖像到成品加工的一系列工作。
