数控系统的发展趋势及若干问题的探讨

孙若承

（福建省计量科学研究院闽南工作部 361000）

在20 世纪70 年代，微处理器被应用于数控系统中，计算机数控系统属于机场控制新技术，结合计算机技术、微电子技术、机械制造技术以及传感测试技术。数控技术属于计算机集成制造系统的技术，能够不断提升制造业的竞争实力。随着计算机技术和微电子技术的发展，计算机功能日益增多，成本逐渐低下，出现了以计算机为平台的数控系统，即开放式计算机数控系统。

1 数控系统的发展趋势

1.1 开放式体系结构发展趋势

在计算机技术快速发展过程中，相应促进了数控技术的发展，多数数控系统开始利用计算机的硬件资源与软件资源，开发新型数控系统。开放式体系结构能够提出库系统的适应性和通用性，并且逐渐向网络化和智能化方向发展。近年来多数国家都致力于研究开发式体系结构，该结构主要应用通用微机技术，以此简化编程操作以及技术升级的难度。作为新一代数控系统，开放式体系结构的软件与硬件都呈开放状态，制造商和用户可按照开放资源进行系统集成。同时，开放式结构体系为用户提供灵活配置的便利性，可以推动数控系统的多品种与多档次开发，相应缩短开发生产周期。随着中央处理器的升级，数控系统的升级速度也日益提升，然而却不会改变基本结构框架。

1.2 软数控发展趋势

应用于工业生产的数控系统类型比较多，能够代表数控技术的各发展阶段。通过分析不同类型的数控系统能够看出，数控系统不仅朝着开放体系结构发展，并逐渐朝着软数控方向发展。第一，传统数控系统。主要包括，sinumerIk 810M/T/G系统，Fanuc0 系统。此种数控系统属于封闭式结构，占据制造业的多数市场。然而随着开放体系结构的数控系统发展，相应减小了该类系统的市场占比。第二，PC 嵌入NC 结构的开放式系统，主要包括sinumerIk 810M/T/G 系统、Fanuc18i 系统。该类数控系统有效结合了计算机软件资源和数控软件技术，具备开放性特点。然而NC 部分属于传统数控系统，用户不能深入到系统核心，系统结构较为复杂，且成本造价高。第三，NC 嵌入PC 结构的开放式系统。该类系统构成包括PC 机和运动控制卡，其中运动控制卡一般采用高速数字信号处理器作为中央处理器，自动化控制能力与运动控制能力均比较强大。运动控制卡本身属于系统范畴，能够独立运行。其开放的数据库可以为用户提供自行开发的控制系统，因此被广泛应用于自动化控制领域。第四，SOFT 型开放式数控系统，电力系统属于开放体系结构的系统，选择性与灵活性均比较高。CNC 软件装设在计算机内部，硬件主要是计算机、伺服驱动以及外部输入输出的标准化通用接口。用户可以在计算机平台上通过开放式CNC 内核开发其他功能，建立高性能数控系统。相比于其他数控系统来说，这种开放式数控系统的性价比高。当代数控系统发展趋势逐渐采用软件智能代替复杂硬件。

1.3 智能化发展趋势

在制造技术发展过程中，智能化属于大的发展方向。计算机领域开始不断渗透和发展人工智能技术，数控系统也引入神经网络控制机理、模糊系统以及自适应控制系统，包含运动参数动态补偿功能、工艺参数，自动生成功能学习控制功能，自动编程功能，三维刀具补偿，功能模糊，控制功能，自适应控制功能以及钱柜控制功能等，同时具有良好的人机界面，不断优化和完善自诊断功能以及故障监控功能。私服系统中包含智能化进给伺服装置以及主轴交流驱动装置，能够对装置负载进行自动化识别。

1.4 网络化发展趋势

数控系统的网络化主要是数控系统与外部控制系统进行网络连接与控制。在网络技术成熟发展过程中，逐渐提出数字制造概念，已经成为机械制造企业的现代化标志。在信息化技术应用过程中，多数用户都要求数控机床具备远程通讯功能。数控系统的网络化发展，能够在一定程度上推动柔性自动化制造技术发展。柔性自动化技术发展目标在于联网与集成，注重开拓和完善单元技术。数控技术能够朝着信息集成方向发展，且网络系统能够朝着智能化、开放化方向发展。

2 数控系统发展的若干问题分析

在数控技术快速发展过程中，数控系统也进入到普及应用阶段。传统数控系统的复杂度日益提升，自身所具备的缺陷与不足影响了应用推广。传统数控技术不具备灵活性，必须在专有设计上完成，并且具有不同的编程语言、多种实时操作系统以及非标准人机接口，因此属于封闭式系统，缺乏体系结构给予支撑。

系统封闭性也会带来较多问题，例如软硬件透明度不足、先进技术的适应度低下、软件不可再用性等缺陷。系统无法进行功能扩展、软件可移植性、组网通讯能力差。，对于机床制造以及用户使用的要求均比较高。在开发控制软件时缺乏开发能力，无法进行软件扩展，也不能满足二次开发要求。

针对上述问题，个国家开始研发开放式控制系统，致力于解决系统标准平台软件问题、高性能应用系统问题、高精度伺服控制器问题。

2.1 基于核心技术的跨平台通讯系统

由于跨平台通讯系统属于核心技术，研发内容主要包括以下方面：第一，参考开放式通信系统互联模型。由于开放式控制系统对于通讯平台具有一定需求，需要对平台网络模型进行功能化与层次化分类，以此确保通讯平台的可靠性和开放性。第二，通讯机制。由于软件独立于供应商的信息交换，需要定义通讯规则与方法，为异构网络软件平台以及多硬件提供通讯服务，并且对每一层的具体功能进行规定。第三，分析不同操作系统与通讯协议的信息传输层协议，深入分析应用程序之间的数据交换。

2.2 基于开发控制器平台的数控系统

第一，多轴插技术。该技术基于高性能计算机平台，主要为五轴联动数控系统，相应影响了航空航天技术的发展。

第二，增加高精度控制技术。对于误差补偿技术来说，可以借助实时误差补偿技术，使误差反映到数控系统当中。通过改变坐标驱动量实现误差修正，以此提升机床定位精度。在确保加工指标基础之上，通过系统对加工参数进行优化配置，以此优化加工全过程。

2.3 数控接口技术与系统标准

第一，开放结构控制器平台主要是在功能软件基础上开发，以此满足功能需求。在开发过程中，应当满足制造车间与制造单元的组织结构要求，并且制定网络结构与协议标准。

第二，对于开放结构控制器平台来说，应当研发网络接口软件、远程功能软件，以此实现远程控制诊断功能、网络服务功能。

2.4 开发数字化、软件化伺服控制器

应用微处理器和数字信号处理器，联合现代智能控制技术。在神经源智能位置控制算法基础之上，开发数字化软件化私服控制器，以此形成自动化系统多机控制效果。其次，通过先进算法提升伺服系统的控制精度，将误差补偿技术添加到伺服控制系统中，以此降低系统运行的误差。

3 结束语

综上所述，传统数控系统不满足现代制造业的生产需求，数控系统应当朝着智能化、网络化和开放化方向发展，在发展过程中，还需要解决网络制造接口问题、跨平台运行通讯机制以及先进控制算法问题，以此促进数控系统的全新发展，从根本上提升现代制造业的发展水平。