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发表于：2008-01-14 17:21:00

楼主

本文是gongkong网2007年度的优秀论文二等奖，文章讨论了到底什么是高端数控这一技术命题和概念，列举了作为高端数控的若干标志性特征，对于理清国内数控市场概念混乱的现状大有裨益，可以起到帮助业内斧正高端数控概念，剔除鱼目混珠者的作用，建议大家阅读品味：

由于原文插图过多，作者不便转帖上来，特在此替作者告知大家相关阅读连接，

pdf格式的文章链接：http://download.gongkong.com/file/company/1249/tougao/2007927155616.pdf

评奖点评与获奖感言：http://www.gongkong.com/exhibit/lunwen/paper_detail.asp?id=7400

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波恩

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发表于：2008-01-15 08:58:00

1楼

[color=#0000FF]帖了大半天了，没有任何响应，看来大家还是更愿意直接看到原文，那本人就再帮原作者多做一点[/color]

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波恩

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发表于：2008-01-15 09:02:00

2楼

[b]高端数控系统得功能特征和性能特征[/b] 大连光洋科技工程有限公司陈虎高端数控系统有别于一般的机床控制器，主要体现在更高的控制精度，更复杂的运动规律和更灵活的可扩展的体系结构上。具体的说可以概括为以下几个技术特征。 1．复杂运动规律的控制 1.1五轴加工五轴联动仅提供了五轴控制的基本条件，真正面向五轴加工的高端数控系统应当简化五轴编程工艺，能够实现五轴加工的各州手动操作和自动操作。下列功能对于五轴加工是非常必要的。 1.1.1五轴加工的刀具中心控制。由于五轴引入了旋转坐标，刀具实际控制点的旋转运动将带来刀具中心的附加移动，而共建加工实际追求的是刀具中心点的轨迹。5轴加工中应当能够补偿这一附加移动。该补偿计算可以在高端数控系统中完成，而不是依赖于CAM编程。如下图所示。在很多高端数控系统中，上述功能称之为RTCP（例如FADIA C系列， NUM 1060）。主要的高端系统都具备此功能（SIEMENS 840D，FANUC 30 MB5，三菱700）。这一功能有时也被认为五轴加工的刀具长度补偿功能。因为显然这种补偿计算直接与刀具长度相关。

1.1.2五轴的刀具半径补偿。由于五轴加工很多情况下是在箱体类零件的倾斜平面加工，因此空间平面的刀具半径补偿也是非常必需的功能。

1.1.3平面空间旋转变换。在五轴加工中面向倾斜平面加工，很显然按照平面坐标系编程更方便。因此五轴加工应当能够支持平面坐标系的空间变换。

启动了变换后，系统应当可以支持在该平面的手动加工，包括垂直于该平面的钻孔和平面铣削。也应当支持手动的刀具姿态调整。如下图所示。

1.1.4面向不同的五轴机床结构的控制由于五轴加工机床的形态很多，高端控制器应当内迁多种五轴加工机床的控制模型实现上述五轴功能。如下图所示

FIDA的五轴机床上还安装了传感器，通过实际测量刀具姿态，计算出五轴工作头的实际装配误差，从而再现修正内嵌的控制模型。

1.2面向车铣复合加工的复杂运动控制复合加工是车削中心控制器必备的控制能力，可以实现在回转体表面实现平面加工。要求C轴（主轴）参与插补控制。该功能也是高端车削控制器和磨削控制器必备的功能。

1.3 斜轴功能在磨削中，由于砂轮形状姿态工艺要求，砂轮进给轴被设计为倾斜的，而编程时的工件坐标系仍然是直角坐标系，这时需要控制器将直角坐标指令解耦为非直角坐标指令。而且这一功能是受操作模式控制的。

任何控制器不可能内嵌所有的坐标耦合的控制规律，因此高端控制器必须支持用户控制规律的嵌入，包括通过特定的用户语言和二次开发环境导入这些控制规律或开放底层任务，允许用户加在自己的控制算法。 2．面向复合加工的多通道控制控制随着机床多样化和用户定制制造模式成为潮流，满足特定零件的高效加工的复合型加工装备市场份额越来越大。面向复合加工的多通道多轴控制成为高端控制器的重要技术特征。目前主流的高端控制系统(FANUC 30, 三菱700，SIEMENS840D)等具备这一功能。

力士乐MTC200示意的多通道加工该技术的难点在于运动坐标在特定的时候属于运动控制体系，在其他的时候可能属于逻辑控制体系（PLC控制），而且多通道间应当具有同步操作的能力，以避免干涉和碰撞。而且会存在控制轴在特定阶段分属于不同通道的情况，控制器应当能够处理上述问题。

三菱700以双刀架为例示意的通道隶属关系动态转换作为高端控制器的标志应当能够控制通道数>2，控制轴数>8。 [color=#0000FF]<续待>[/color]

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波恩

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发表于：2008-01-15 09:07:00

3楼

3．多轴耦合关系运动控制该技术的主要特征是某坐标轴运动不再是受计划性轨迹执行，而是与其他轴的运动或逻辑量具有某种耦合关系或者协同关系，即实时插补过程还引入了其他控制因素。该技术支持下的具体功能包括： 3.1机床的非线性补偿由于机床机械高度的原因会导致机床的变形，特定坐标的变形需要通过其他相关坐标补偿。如下图所示：

3.2 机床热变形补偿由于床身热变形，导致整机各个坐标均发生比的变形，该变形可能导致坐标间的垂度发生变化，有关补偿是温度相关的，也是个坐标耦合的。 4．适应高速切削的运动控制算法对于高速切削，数控系统的速度控制策略是十分重要的。首先良好的加减速策略将减少机床的冲击。对于高端数控，应当追求更优化的S型加减速策略。因为优化的S型策略不仅可以减少冲击，也可以提高制造精度。FANUC称为Jerk控制，即加加速度控制。对于连续轨迹加工，平滑轨迹间的速度控制策略也是提高运动平稳性的重要技术，同时可以大幅度提高制造效率。为此许多高端数控系统都采用超前读技术。

HEIDENHAIN示意不同速度策略造成的误差

HEIDENHAN高速连续加工示意

FANUC连续加工示意 5．加工过程干预数控加工过程的准备和调试占据了大量的制造时间，高端数控系统应当给用户提供更方便的加工供过程干预功能缩短这些辅助操作的时间。 5.1 工件找正高端数控系统支持再现测量工件毛胚，重新计算工件坐标系，自动调整加工过程，缩短了工件找正的时间。

HEIDENHAIN支持测头测量工件，建立工件坐标系 5.2加工过程中手动干预特定坐标在自动加工过程中经常会通过试切对制造过程进行调整，高端数控系统允许自动和手动操作的随时切换，包括手动修正刀具长度和半径，甚至支持加工过程中手动调整特定坐标。右图为三菱700系列示意的手动干预自动加工过程。

5.3 手轮调试功能 FANUC16/18/21支持通过手轮进行程序检查。即通过转动手轮控制程序的运行，操作者可以精细地检查运动轨迹。 6．开放的体系结构开放式的体系结构是当前高端控制器的重要结构特征。为了满足机床多样化的需求，高端控制器向机床厂商提供二次开发的接口或工具软件，允许用户将自己特殊的加工经验和操作习惯引入到控制器中。这些开发特征主要体现在以下几个方面： 6.1用户界面二次开发高端控制器允许用户设定自己的操作界面，包括操作菜单，显示数据等等。例如三菱700系列，提供界面二次开发工具NCDesigner，可以由用户在此开发界面。SIEMENS也允许用户基于SIEMENS提供的开发工具开发用户界面。实际上大量的工具磨床等特殊装备均采用这一技术。

6.2第三方应用程序开放高端控制器允许嵌入第三方开发的程序，该程序有两种形式存在：以普通应用程序的形式与数控软件运行在同一平台上。例如：FANUC16/18/20等系统软件运行在Win平台上，用户的其他用用程序也可以运行于该平台。SIMENS 840D与FIDIA 的C系列控制器也类似。另一种是由数控系统开放底层控制循环，允许用户程序利用特定的工具加入数控软件中。例如SIEMENS840D提供“开放式结构NC核心编译循环”和“同步操作”都属于这一技术。“开放式结构NC核心编译循环”引擎支持用户将自己编写的控制功能加入系统中，并可按照指定的执行频度周期性执行。而“同步操作”是用户以高级语言的形式约定执行条件和执行动作。这两项功能分别体现了控制系统不同层次的开放，一种是执行引擎的开放，另一种是用户语言层面的开放。这类的技术显然有利于主机厂的快速响应工艺需求，将自己专有的技术融入到控制器中，二次开发具有自己特色的控制器，极大地拓展了控制器的控制能力。 6.3用户自定义加工循环高端数控系统应当支持用户将既定的工艺参数化，通过数控系统提供的用户宏语言或其他开发工具将这些参数化的加工过程编写为固定循环。这些加工循环可嵌入到用户的加工程序中，也可以通过手动填写参数的方式手动执行。 7．与伺服控制技术的融合实现高精度运动控制伺服驱动装置的性能直接影响整个数控系统的控制表现和整个装备的性能表现。因此，伺服驱动相关技术也成为高端控制器技术群的重要基础。由于伺服驱动装置嵌入式系统的特点，运算资源、存储资源和人机交互能力的局限性，伺服系统参数的可视化和优化需要通过上位的数字控制器来实现。因此，控制器技术与伺服驱动技术的技术融合就成为数控技术发展的重要方向。这一技术特点可以从许多控制器产品中得到映证。例如： FANUC和三菱均提出纳米插补技术。实际上提高插补计算分辨率是比较简单的，关键是提高伺服控制分辨率，即系统采用高分辨率的传感器（16,000,000线/转），同时提高伺服系统的调节频率（电流环频率大于20K），提高系统的插补周期，使系统增益大幅度提升，随动误差大幅度降低，整体提高加工表面质量，改进低速平稳性。FANUC将有关伺服技术称为HRV（高响应矢量控制），三菱将有关技术称为高响应电流控制技术。

FANUC的纳米插补示意图结合纳米插补，FANUC和三菱均提出了面向纳米插补的平滑技术，即平滑插补数据点中的奇异点，FANUC称之为纳米平滑（Nano Smooth），三菱称之为SSS控制。高端控制器充分利用控制器的计算资源和显示资源，可以实现对伺服的在线调整，结合实际的机床载荷，调整伺服的控制模型实现系统的最优。FANUC的在线调试工具是Servo Guid，三菱内嵌在700系列中的伺服技术称为OMR（优化机械响应控制）。

FANUC的Servo Guid [color=#0000FF]<续待>[/color]

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波恩

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4楼

8．强大的PLC功能高端数控系统都内嵌有强的的PLC控制器，实现机床辅助功能所需的逻辑控制。内嵌的PLC应当支持梯形图的在线显示、编辑和调试（单段运行/单程序运行/指定输出点/观测输入点等）。PLC的控制逻辑应当支持快慢逻辑运行，程序容量应当足够大（三菱700系列支持42,000步），运行速度应当足够快（全逻辑循环<10ms）。

FANUC的PMC在线显示元件的逻辑值 PLC(PMC)应当具有较强的轴控制能力，支持内嵌的运动指令，这对于换刀操作，机械手操作，FMS都是十分必要的。 9．三维图形显示虽然三维图形显示不是加工过程的必须功能，但它确实有助于零件程序检查，增强一次装卡切削成功的可能。目前大多数高端系统均具备此功能，虽然这些三维图形显示大多不能与实时加工同时使用。

Fanuc在其数控系统内嵌辅助编程工具Maunal guide i中实现加工过程三维实体仿真 10．面向制造自动化集成的网络功能数控系统作为复杂工厂自动化系统中的重要执行系统，具有与上层信息管理系统交换信息的需求。这些必要的交换信息包括制造加工任务计划，数控系统及底层执行装置的工作状态及故障信息等。另一方面，由于底层控制设备的多样性，很难有由单一的数控系统厂商实现所有的控制装置的解决方案，对于高端数控系统业需要具备接入其他工业现场总线的能力。因此作为高端数控系统大多具备面向制造自动化集成的网络功能，包括面向上层信息系统的以太网接入和面向底层装置的现场总线接入。

Faunc16i/18i/21i系列数控系统网络接入能力示意图 11．基于总线技术的硬件体系结构高档数控系统应当在数控系统中完成位置闭环。这样使数控系统有机会直接根据负载情况对驱动的控制策略进行必要的调整，从而实现更高精度的控制。为了实现上述技术路线，位置传感器的位置信息必须接入到数控系统中。目前国际高端数控系统普遍能够接入位置传感器分辨率能够达到400万线/转。只有在这么高精度的传感器支持下才能够实现伺服的低速平稳控制甚至纳米级的精确运动控制。在如此高分辨率下，是无法采用现在国产数控系统普遍支持的AB脉冲方式传输的。数控系统与驱动间的同步高速数字总线通信是保证数控系统指令与反馈高速同步传输的必然选择，也是中高端数控系统体系结构的必然选择。目前已经成功应用于高端数控系统的高速数字总线通信标准有ProfiNet，PowerLink，SERCOS III等。日本三菱高端数控M700采用非公开的自己的高速数字总线标准

日本FANUC在高中低档全系列数控系统产品中采用非公开的自己的高速数字总线标准FSSB，其总线传输速率达到50M，可以驱动16伺服轴，通讯周期32.5us。

小结目前我国99%的高档数控机床配置的进口的高端数控系统。我国中高端数控系统产业发展滞后，很大程度上影响了我国制造装备业的水平和竞争力。本文总结了高端数控系统的主要技术特征，在这些领域我们的数控行业的技术水平与国际水平还有较大差距，应当在上述领域重点开展扎实的研发工作，努力做好工程化和产业化工作，争取早日实现产品突破，为中国制造装备业的可持续的发展提供有力的支持。 [color=#0000FF]<完>[/color]

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如火

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发表于：2008-01-15 09:20:00

5楼

很不错的论文，即明确了高端的概念，又展示了市场上的发展动态和趋势。

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波恩

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发表于：2008-01-15 09:25:00

6楼

建议如火斑竹把作者心得（网页受密码保护，无法直接拷贝）也转贴上来。

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kds

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7楼

很高兴得知论文《高端数控系统得功能特征和性能特征》被贵网评为优秀论文，高兴的是本文能够得到工控同业的重视和共鸣，高兴的是有很多工控领域的专家和朋友们能够关注中国的数控技术和行业发展。撰写此文是因为参与多次国内数控行业会议，发现对所谓高端数控系统的认识并不统一，导致对我们国内数控产业的发展现状的认识以及与国际水平的差距的认识不能一致。因此认为很有必要对国际主流的高端数控系统进行相对充分的调研，从而明确中国数控技术的努力方向。本文即此次调研的成果之一。为了实现抛砖引玉的愿望，我选择工控网这一在中国工控领域具有卓越影响力的优秀网络媒体平台发表了此论文。 2008新年将至，再次感谢工控网的编辑和网友对中国数控产业的关心和支持。希望新的一年里工控网和我国工控行业同仁们共同努力，迎接中国工业的新的繁荣和辉煌。

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波恩