讨论：数字总线到底解决了运动控制级这一特定层面中的什么关键技术？ 点击：22697 | 回复：415
这位前辈的原帖关键内容如下：
“数控重在体系”，完全正确!
中科院计箅所李国杰院士说过，“计算机产品越搞越复杂。” “全世界好像只有计算机产业是把事情越做越复杂。”李先生又说“简单易用，千万不可越搞越复杂。产品太复杂，再好的技术也普及不了。”“计算机科学可能更需要建立‘简单性’理论，即如何发现最简单的方法去解决实际问题。” “尽可能用简单方法处理复杂问题是信息技术的生存之道。”
窃以为，李先生之所见切中计算机产品（包括数控系统）之要害。我返回数控之后，发现数控系统越搞越复杂，重蹈计算机的覆辙，这是与开放性背道而驰的。
先生提出“后步进时代”，推崇运动控制级的全数字总线，我想请教的是，从开放性与简单性来看，从数字控制的本质来看，对于运动控制级，全数字总线 的本质是什么？解决了传统运动控制中无法解决的什么技术关键（不是指现场总线的共有优点）？
请先生指教，谢谢。
个人谨将有关回帖整理张贴如下，欢迎业内朋友讨论。
作为“WEDM的英文名之命名者”前辈绝对是晚辈的崇拜对象！前辈开始从事数控的时候，晚辈尚未来到这个世界上。前辈重返数控的时候，晚辈才刚刚进入业内，虽然师从国内第一代数控专家已经将近十年。眼下晚辈无非是在数控的边缘混口饭吃，并非什么数控高手。
至于李院士的高论，晚辈不敢苟同，窃以为李院士混淆了两个概念，就是作为技术类产品的计算机中所必须包含的两个概念：一个是产品，一个是技术，产品自然要主张易用性，而技术则只能追求先进性。作为一名业内工程师，晚辈肯定没有学者的远见卓识。不过本人非常认同一位国外工程师的观点：所谓工程师就是以自己的复杂劳动为别人（主要指用户）提供便利的人群。工程师尚且需要如此，学者们难道就可以偷闲？作为国家最高学术机构的中科院不做越来越复杂的（先进）技术做什么？纳税人的钱不应该被用来养活饭桶。
再回到数控系统上来，从58年我导师那代人搞出国内第一台数控机床（包括系统），到前辈入行的68年，出行的78年，再到所谓改革开放十年后的88年，国内数控技术因为政策起伏已然经历了三起三落，每每不是一哄而上，继而一哄而散，计划经济导致的学院科研和吃饭技改未能造就民族数控产业，苟延残喘下来的机床所在合资后彻底沦为日本人的买办。无独有偶，从90年代初期，靠着吃政府市场饭的华中数控（背靠教育部），航天数控（背靠航空航天口军工企业），蓝天数控（背靠中科院）慢慢起来了，然而时至今日，除了能在政府市场混饭吃，对国内数控产业和市场又有什么实质贡献呢？！
就如PC绝不是计算机科学的代名词一样，数控的内涵也绝不是眼下遍地开花的经济型数控系统，就如计算机要分为大型机、小型机和服务器、PC一样，数控也要分为高端、中端和普及型、经济型，不同的分类，要害自然不同。经济型讲求低价格高可靠，因为经济型拼的就是价格，没有可靠性，根本应付不了高额售后支持和维护的成本消耗。中端和普及型的要害是性价比，在必须提供足够的功能和性能的同时，成本还必须降得下来，因为目前普及型的竞争对手主要是外国人，国产系统除了能为用户节省成本，还没有能力为用户创造价值。高端拼什么？看看“十一五”重大课题就不难发现，拼的是具备高性能的高端功能，目前国人还远不是外国人的竞争对手，高端数控对国人而言首先要解决的是（功能）有没有和（性能）好不好的产品问题，也就是先进技术的集成和产品化问题。
至此，就不难回答前辈的关于数字总线的质疑了，如果仅仅是面向经济型数控系统，后步进时代的脉冲串足以，又简单，又开放，又廉价。如果是面向中端和普及型数控，脉冲串和模拟接口会越来越显得捉衿见肘，毕竟今天的高端不久之后就会成为明后天的中端乃至普及型。面对高端应用，难道还有真的会有谁认为脉冲串足以？！模拟口虽然简单，而且开放，但国际数控业乃至运控业之所以弃之不用，而纷纷走向数字总线的理由早借模拟调节和数字控制之争就已然定论了，而且就每根轴的接入成本而言，抛开复杂线束及其布线成本不谈，高精度高分辨率的模拟接入成本也未必会低于数字总线的节点接入成本。
诚然，数字总线技术只是数控和运控系统中的数据传输载体，解决的关键问题在于高数据传输率、高数据刷新率和高指令同步性，数字总线本身并不直接解决数控和运控最本质的关键问题，但是这并不妨碍数字总线成为高端数控系统的关键特征（之一）。而且开放性也并非片面地意味着简单，没有经过良好封装的开放性，只能增加用户的使用难度和复杂性，使产品成为所谓的专家型系统（专家型用户才具备使用能力的系统），而封装的太好，开放可能也就无从谈起了。开放式系统是一个过于复杂的问题，晚辈无力揣度。关于数字总线的开放性，毋庸置疑的是，任何一种开放性数字总线的技术实现复杂度肯定都远高于脉冲串和模拟接口，而在这个问题上，恰恰是国人的软肋，不要说创立和起草全新的数字总线协议，就连拿现成的舶来品集成进自己的产品，国内数控和运控业内又有几家企业能够驾轻就熟，信手拈来呢？
以上就是晚辈对于国内数控技术发展和数字总线一点浅薄看法，恭请前辈不吝赐教。
波恩、刘版主、征等，是我特别欣赏和敬佩的年轻有为的后起之秀，并且十分爱国，有一股激情，中国发展的希望就寄托在一大批具有这种精神的后起之秀身上。
野夫，也是一个知识面十分丰富，十分执着，并敢于创新的、敢于挑战传统的奇才，老夫十分敬仰，我不懂控制，但我也非常支持野夫的探索精神，我希望野夫能将几十年的经验系统总结出来，从中找出一条捷径，如自己有能力，就努力实现，如自己没能力，就让年轻人去实现。
我估计比野夫大几岁，但与野夫有许多相同的经历和想法，所以有一些共同语言，我原来不懂液压，在70年代初一个偶然的机会进入了液压，我就发明了自调式同步阀（已产业化并上了教科书和手册），并获得国家发明奖，从哪以后，我就发现，液压被外国哪些大公司越搞越复杂，高水平的液压系统门槛越来越高，尤其是伺服液压系统，搞成了专家系统，一般的研究生也玩不好，所以，中国的高端液压系统几乎都是引进，中国也花巨资引进过多次外国生产技术，但始终不能与外国公司抗衡，严重制约了中国主机的发展水平。后来，我另辟蹊径，不走国外复杂道路，抓住数字液压研究不放，经过近30年的努力，终于突出重围，以世界最权威的德国力士乐公司为例，他们为德阳东方提供的筒形阀升降多缸同步伺服系统，采用了近百个液压元件，5米的阀台，5吨重量，调试时间很长，国内也有厂家跟着此路走，效果都不很好，价钱还极贵。后来，我们采用全新的数字液压思路，只用了几个元件，设备重量只有几百公斤，根本没有阀台，可效果大大超过世界权威公司的水平。现在东电大量采用我们技术，形成双赢。我举这个例子就是说，有时候另辟蹊迳说不定能找到出路。我在研制数字液压的过程中也一直有个问题，为什么外国公司不走这条路？后来我终于明白了，除了有一定的技术难度外，如果外国公司也走这条路，那么液压技术就再也没有神秘感了，他们也不可能设置高门槛了，并且，后来发展的国家还有可能走到他们前面，买卖总不能自断后路吧，所以，有时候为了商业利益，故意把技术门槛提高，搞复杂，也是有可能的。如冶金领域的连铸液压振动，我们开发出了非常简单的技术，为了买个好价钱，并且要设置一定的技术门槛，有时候本来可以简化的控制系统，也要搞的花花碌碌，用户才觉得值。
我认为，野夫们的经验+波恩等后起之秀的水平，是否可以找出中国数控的崛起之路？
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耶夫现在还在0101的水平拌蒜呢！你就别埋汰他了
数控是一个既没有量，又缺乏暴利，却偏偏需要技术、人才和资本投入的行业，比不了IT，比不了3C，也比不了汽车电子，所以几十年来人才只是在流失，流失到其他行业和纯贸易中去，如果不是一块现实市场撑着，经济型数控也断无翻身之力，GSK、KND、华兴、广泰等民营数控企业兴起正是缘于此，加上民族数控人的勤勉、聪颖与精明，才会把貌似无利可图的经济型数控生意做得风风火火，据说当年开放式标准的讨论会，Rexroth的负责人也凑份子参与了，当他看到华兴的技术体系和定价原则后，表示Rexroth断无机会做到如此。
在技术原理被国人突破和掌握之后，鬼子只能在实物产品领域撤退，所以鬼子只能兜售高科技和服务，通过能效、低碳、无铅、环保、机器安全、儿童保护、知识产权等非贸易壁垒和新的国际游戏规则来限制中国，以及其他新兴市场国家。中国人面对这样的国际困局，应该怎么办？有个唤作奥巴马的黑东西近来说什么中国领导人用足了机会，不打算继续给中国领导人机会了，好一副救世主和世界主宰的模样，也许奥巴马们主宰得了中国领导人的未来，但洋鬼子真的有机会主宰中国人的未来吗？！做梦去吧！
在数控领域，要不了多久，国内的高端技术就会冲出藩篱，走进市场，融入产业，倒是奥巴马也许不会替他的德国和日本哭，但是除了数控，肯定有他和他的后继者哭的时候！
还是那句老话，不断解除帝国主义者对中国的威胁是中国人的国民义务，就让那群被日渐解除了威胁能力的帝国主义者在江河日下的失落中寝食难安去吧！
to 波恩：
“详谈如何“告别插补时代”，以及本帖的焦点：如何解决数控与伺服之间的指令“发送”和状态的“传送”？”
这个问题， 你可以拿个具体的协议分析一下， 看一下协议的数据格式。
我觉得波恩想的应该是： 在总线模式下， 如何根据当前的状态得到伺服下一步的状态？ 插补是一种实现方式， 关键是还有没有更好的方式来实现这个计算， 在多轴情况下如何更快的实现。
似乎可以利用多维的数学模型， 在多维空间上用最优控制来分析解决！
国外产品可以同时控制64个轴，用轴之间插补似乎随着轴数的增多变得非常复杂，应该来说有更好的实现方法， 但是这个涉及到数控系统的核心，很难得到相关的信息！
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这是征同学的问题，非常好，我看了大伙的发言后，很受启发，今天一直在想这个问题，能否发表点外行观点，供大家参考和拍砖：
我认为，再复杂的运动控制，其实都是许多单轴控制的协调，就拿5轴联动来说，联动的结果是产生一个空间加工轨迹，而这个轨迹是预先已知的，由这个轨迹就能计算或者规划出每个轴每一步的运动参数，把这些参数分别放到数据库里，然后由一个总的开关指令去同步调取这些对应参数送到相应轴的伺服驱动器上，只要步长足够小，精度就足够高，并且，不管多少轴，都能实现同步协调控制，而总线的开关指令就像喊口号一样，将不受速度和等候的影响，哪怕128个轴也能实现协调控制。以上意见也可能是外行乱说，当否请指正。
谢谢波恩的回答，请再简述一下查补和CAM的含义，谢谢！
我知道5轴联动非常复杂，否则也不会列入国家攻关课题，也不会是外国控制中国技术发展的手段了。我提出的外行想法就是按照征同学的思路：应该有更好的实现方法的一个大胆设想，我的基本想法是把复杂的空间轨迹变成单轴的线性轨迹，5个轴都先找到自己的零点，同时起步，以采用步进控制为例，只要步距足够小：如0.0001，那么在加工空间曲面时，是否就可以不要查补了？并且步进不需要反馈，而每个轴的当前位置，只是每个轴的脉冲数量不同，而总线只起同步取命令作用，也不需要超高的传输速度了，也真正可以实现多轴同步控制功能.
以上设想再一次申明可能是错误的，可能会浪费版主的时间，实表歉意。只起抛砖引玉作用
关于刀具半径和刀柄长度如果有变化，肯定要加补偿功能，也就是换新刀后，或者补偿，或者重新对零位，如果加工到一半换刀而不加精确补偿，估计现有再高级的数控机床，也不能适应，除非有空间加工轨迹点的实时位置反馈，但目前好像还做不到。
我根据野夫的发言，估计野夫已经找到了好的方法，因为他能发现传统方法的缺点，难到就不能找到新的方法弥补这些缺点？是否没有贡献出来？我在这儿瞎猜了。
讨论到现在，大家能否变成寻找新的道路或方法？如果能互相启发，取长不短，讨论或辩论，就有收获和进步了，如果共同努力，找到好方法，突破芯片和操作系统制约，开发出中国高水平的5轴联动机床，哪就是为国人造福了。
根据波恩的建议，我收索了关于插补和联动的解释，跟我前面的想法有些相同，即提前算好轨迹，到时调用，解决计算量大的问题，现转载如下：
联动与插补
决定质点空间位置需要三个坐标，决定刚体空间位置需要六个坐标。
一个运动控制系统可以控制的坐标的个数称做该运动控制系统的轴数。
一个运动控制系统可以同时控制运动的坐标的个数称做该运动控制系统可联动的轴数。
联动各轴的运动轨迹具有一定的函数关系，例如直线，园弧，抛物线，正弦曲线。
直接计算得出运动轨迹的坐标值往往要用到乘除法，高次方，无理函数，超越函数，会占用很多的CPU时间。
为了实时快速控制运动轨迹，往往预先对运动轨迹进行直线和圆弧拟合，拟合后的运动轨迹仅由直线段和圆弧段所组成，而计算运动轨迹时，每一点的运动轨迹跟据前一个坐标点的数据通过插补运算得到，这样就把计算简化为增量减量移位和加减法。
实现多轴联动的直线插补并不困难，圆弧插补一般为两轴联动。
实现插补运算可以有多种算法，例如 "DDA 算法"，"逐点比较法"，"正负法"，"最小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中最小偏差法具有最小的偏差和较快的运行速度。
正如波恩所说，5轴加工确实是一个非常复杂的问题，要考虑的问题实在太多了，真是不看不知道，一看吓一跳，中国要想搞出高性能的5轴联动，还需长期努力啊！
下面转帖一篇介绍文章：
FANUC五轴加工机能简介 2009-12-25 16:26:00 来源：精机通讯 阅读： 次 我要收藏
工具机事业是国家制造业水平的象征，而五轴及复合加工机是制造业的最高境界，其控制技术难度最大且应用面最广，它集结计算机数值控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效率且精密加工。五轴加工系统对国家的航天、军事、医疗等设备行业，有著举足轻重的影响力。
近年来，随著计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助制造(CAM)系统发展快速，国内多家工具机厂商，纷纷推出五轴及复合加工机，大大降低制造业应用成本。更加凸显机械设备制造业在社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。然而五轴及复合加工机渐渐成为机械业发展主流。其公司于2009 台湾TIMTOS展发表五轴加工机Vcenter-X300与车铣复合加工机Vturn-X200。 其中Vturn-X200搭配FANUC 31i-A5控制器，可支持多轴及多路径。FANUC致力于开发五轴加工机能符合高速、高精度及高效率加工，藉由智能化的控制、软件功能的提升与关键硬件零组件技术的整合应用，让五轴加工机能发挥的更为极致。
所谓的五轴加工是指在机台上至少有五个坐标轴组成，包含三个直线座标(X、Y、Z)及两个旋转座标(A、B、C)，如图所示。其可分为三种类型说明：
1. 刀具回转型：
旋转轴座标运动全部集中于刀具侧，加工都由具旋转和摆动功能的主轴头来完成。此结构体优点是适合于加工复杂曲面的大型、重型壳体件。其缺点是运动部件质量大，惯性力大，不适宜于用过高的进给速度和加速度加工。虽然主轴头与机台质量较大，但因刀具重量相对较小。当刀具改变时，对运动部件影响不大且机台比较稳定。
2. 平台回转型：
旋转轴座标运动全部集中于工件侧，加工都由具旋转和摆动功能的工作台来完成。此结构体由于其刀具不摆动而刚性较强，因此适合于重切削及高速切削，但也因工作台运动灵敏度无法高于刀具侧，因此使用于多面加工零件。
3. 混合型：
此结构体的机台产品很多，应用也最广且最普遍。旋转轴座标运动各自分布于工作台与刀具侧。此型式工作台能承受较大重量且可以采用标准交换工作台，而主轴头结构比刀具回转型简单，现今多为中型五轴加工机及车铣复合机所采用。
FANUC五轴加工机能包含著座标系转换、刀具补正、平滑面加工等种类，其详细内容说明如下：
种类
机能
座标系转换
倾斜面加工指令 (TWP)
Tilted Working Plane command
刀具补正
刀具中心点控制 (TCP)
Tool Center Point control
3D切削补偿(3DCRC)
3-Dimensional Cutter Compensation
平滑加工面
纳米平滑加工面
Nano Smoothing 2
手动操作
3D手动进给
3-Dimensional Manual Feed
误差补偿
刀具轴方向热变形补偿
Thermal Growth Compensation along tool vector
工件设定误差补偿
Work-piece setting Error Compensation
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1. 倾斜面加工指令
倾斜面加工采用Euler angle作说明，程序指令能将正规平面(X-Y)，自动转换成倾斜加工面，然而控制刀具轴方向与倾斜加工面垂直。而加工时，由机械座标定义工件座标再转换至倾斜面座标，三者座标系可由程序G码切换。
2. 刀具中心点控制
刀具中心点控制依据刀具长度作补偿，当程控旋转轴运动，不间断计算刀具轴补偿量。甚至程序执行当中控制刀具中心点沿著加工路径且配合进给率，改变刀具轴偏摆位移。
FANUC在2008日本JIMTOF展进阶发表了平滑化TCP技术。因路径不平坦造成控制点路径及刀具姿势因加减速变化产生不平滑，反而增加了加工时间。然而此机能对旋转轴位置作微量补偿，产生平滑的控制点路径且缩短加工时间。
3. 3D切削补偿
在五轴加工NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却会失效。因旋转轴运动时，刀具半径随著摆动角度而变化，其过去作法常以CAM软件计算刀具轨迹，造成整个加工过程效率不佳，因而3D切削补偿就可弥补此缺陷。
4. 纳米平滑面加工
增加旋转轴补偿且延续Nano smoothing机能，路径依据刀具姿势作变化而更佳平滑，达到高速高精度功能。将常见CAM转出的程序路径作修饰，其点与点之间不平整部分平滑化且缩短加工时间。
5. 3D手动进给
此机能包含五种模式刀具轴方向、刀具轴直角方向、刀尖中心旋转、平台垂直方向和平台水平方向，分别于手轮模式与快速进给模式进行。依据所需的加工情况作手轮移动，在倾斜加工面钻孔时，刀具位于工件内部停止，此时必须沿著刀具轴方向移动退避刀具，方可保障刀具安全。
6. 刀具轴方向热变形补偿
针对机台旋转轴作有关于热对刀具伸缩的补偿机能，刀具轴方向在旋转状态下的补偿。设定刀具热变形值配合讯号与PMC控制等执行补偿量。
7. 工件设定误差补偿
工件放置在机器工作台上而位置不理想且工件移动不易，此机能可偏移工件座标至理想程序位置点上，座标系与刀具参数会自动计算调整至符合工件设定误差。而且与旋转轴相关机能TCP、TWP与3DCRC皆可涉及工件设定误差补偿功能。
复合化的目标是在机台上利用一次夹持来完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。然而在这制造优势下，延伸出干涉碰撞检查、加工面质量提升、制造时间缩短、刀具使用寿命提高等目标。其因五轴加工程序编辑抽象，还需仰赖CAD/CAM软件与后处理器的发展，以及FANUC持续对软硬件与智能化等方向的发展
To波恩等：
这个讨论不希望就此结束。去年，美国IBM等向奥巴马推荐，搞了一个“智慧地球”计划，号称是今后十年的“工业革命”，在中国有另一个关联的叫“物联网”，但是，物联网实际上与“智慧地球”计划是有差别的，物联网的概念很多还仅仅是识别（RFID）和传感（传感网），好比是工业化仪表显示器时代；而“智慧地球”是信息的大量集合处理的“智能化自学习”，好比是从车间到社会的大闭环系统，其关键技术仍然要用到大量多点的数据传递技术，（其余是高速光纤通讯与大容量数据处理等），今天的关于数字总线技术的讨论，其概念也许将能引申到“智慧地球”内容中，希望能有有关部门的尽早关注与投入，不要在今后十年的工业技术中，落后更多，而各位也许可以将你们的思想及技术向此发展，抓住这次机会。
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