式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)

1、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)第29卷第1期2007年2月沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)JournalofShenyangUniversityofTechnology文章編號(hào):10001646(2007)01006104開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)王成元,常國(guó)祥,一,郭雨梅(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng)110023;2.黑龍江科技學(xué)院,哈爾濱150027)摘要:數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代科技發(fā)展的產(chǎn)物,也是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力,但各國(guó)發(fā)展很不平衡,沒(méi)有過(guò)認(rèn)真分析總結(jié)得到:模塊化,網(wǎng)絡(luò)化,智能和柔性化是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn);高度的集成化,分析,得出通用化和專用化是數(shù)控系統(tǒng)的兩條發(fā)展主線,而且互為依存,相互發(fā)展.關(guān)

2、鍵詞:控制系統(tǒng);交流伺服;開(kāi)放式;計(jì)算機(jī)數(shù)控;發(fā)展趨勢(shì)中圖分類號(hào):TPl3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADevelopmentstateandtendencyofopenNCsystemWANGChengyuan.CHANGGuo-xiang,GUOYumeiofScienceandTechnology,Harbin150027,China)Abstract:Thenumericalcontrolmachinetoolistheproductofmodernscienceandtechnologyunderstandingpresentsituationanddevelopmenttendencyofthen

3、umericalcontrolmachinetoolinvariousconcludedthatthemodularization,network,intelligenceandflexibilityarethemaincharacteristic,whilehighintegration,miniaturizationandhighbrainpowerarethedevelopmentdirectionforthefuturecontrolsystem.Furthermore,theuniversalitycustomizationarethedevelopmentmasterstroke.

4、Keywords:controlsystem;ACservo;open;CNC;developmenttendency數(shù)控技術(shù)是當(dāng)代集微電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),系統(tǒng)作為數(shù)控技術(shù)的核心部件,其性能的改進(jìn)及技術(shù)的發(fā)展給予機(jī)械加工設(shè)備以質(zhì)的變化,奠定了現(xiàn)代柔性制造技術(shù),計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)及森斯研制成功了數(shù)控系統(tǒng)后,50年來(lái)機(jī)床數(shù)控系別是過(guò)去的10年,為了滿足市場(chǎng)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求,現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控設(shè)備提出了更高的要求.從性能上而言,除了高速,高精度,高可靠性和柔性化之外,集成化,智能化與網(wǎng)絡(luò)化已成為新一代數(shù)控發(fā)展的必然趨勢(shì);從市場(chǎng)適應(yīng)性而言,加工的多樣化和專業(yè)化對(duì)加工個(gè)性化的要求日益帶有個(gè)性化的數(shù)

5、控系統(tǒng),才能切實(shí)地滿足多樣化,專業(yè)化市場(chǎng)的需求.綜上所述,傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)由實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備進(jìn)線,聯(lián)網(wǎng),高柔性化,智能化和個(gè)性化,研究數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的開(kāi)放性,智能化已勢(shì)在必行11.收稿日期:20060108.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50375102).作者簡(jiǎn)介:王成(1943一),男,遼寧鐵嶺人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事直線伺服電機(jī),交流伺服系統(tǒng),電機(jī)與控制等方面的研究62沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)第29卷開(kāi)放式控制系統(tǒng)的提出2開(kāi)放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀開(kāi)放式控制系統(tǒng)的提出是控制系統(tǒng)發(fā)展到一競(jìng)爭(zhēng),制造行業(yè)迫切需要能夠在產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁的情況下,提高生產(chǎn)效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本,同時(shí)更

6、人性化地符合用戶的需求.對(duì)適合中小批量加工,具有良好柔性和多功能型制造系統(tǒng)的需求已逐步超過(guò)對(duì)大型單元功塊化,可重構(gòu),可擴(kuò)充,可升級(jí)的新一代數(shù)控系統(tǒng)的研究.然而,各生產(chǎn)廠家和科研單位由于各自采用不同的標(biāo)準(zhǔn),不同的封閉結(jié)構(gòu),不同的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了不同廠家的數(shù)控設(shè)備之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息交換,不同軟件之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息傳背景下,各國(guó)都在制訂自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).美國(guó),歐共體,日本等都投人大量的人力物力,進(jìn)行新一代開(kāi)放式智能數(shù)控系統(tǒng)的研究.制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),相同,但普遍認(rèn)為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上,面向機(jī)床廠家和最終用戶,形成系列化,并可將用戶的特殊應(yīng)用集成到控制系統(tǒng)中,實(shí)關(guān)于開(kāi)放式系統(tǒng)的定義

7、是:開(kāi)放式系統(tǒng)能有效地運(yùn)行于不同的平臺(tái)之上,可以與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互操作,并提供與用戶交互的統(tǒng)一風(fēng)格,即所謂互著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,目前對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)最新的具體的看法包括:1)開(kāi)放式控制系統(tǒng)的硬件和軟件都應(yīng)是柔性的,它允許改變硬件的基本配置,而軟件更在所有控制級(jí)別上可以改變.2)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件必須是真正即插即用的,如果產(chǎn)品必須被召回以安裝新的硬件和軟件,那就不是真正的開(kāi)放.3)控制器必須是標(biāo)準(zhǔn)化的,以使第三方能在此基礎(chǔ)上參與新硬件和新軟件的開(kāi)發(fā).4)開(kāi)放式系統(tǒng)允許第三方軟件作為系統(tǒng)的部件增加進(jìn)來(lái),也就是說(shuō)它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上系統(tǒng)能在部件級(jí)別上與其他部件集成,并能共享數(shù)據(jù).5)

8、一個(gè)開(kāi)放式控制系統(tǒng)能在系統(tǒng)的級(jí)別上同其他系統(tǒng)協(xié)同工作.近些年來(lái),隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù),現(xiàn)代電力電子技術(shù),微電子技術(shù),控制技術(shù),通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展,交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進(jìn),開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)體系也取得了很大的進(jìn)步.主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)模塊化集成化模塊化和集成化是對(duì)立統(tǒng)一的,模塊化是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分塊,塊分得越細(xì),系統(tǒng)的開(kāi)放性就越好,但塊分得太細(xì)就影響了系統(tǒng)集成度,整個(gè)系統(tǒng)般的做法是根據(jù)功能進(jìn)行分塊L6_6.硬件模塊硬件模塊分為CNC模塊,伺服驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)能上相互獨(dú)立,都能獨(dú)立完成一定的任務(wù),不同廠家或同一廠家的不同產(chǎn)品可以隨意互換,各個(gè)模塊高度集成化,只要是實(shí)現(xiàn)這一

9、功能的都要集成進(jìn)去.例如,CNC模塊負(fù)責(zé)接收用戶的控制命令(如G命令),并且把這些命令發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)單元,開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)要求CNC可以接收不同格式的用戶命令,也可以和不同廠家的伺服系統(tǒng)進(jìn)行通的CNC以PC機(jī)為平臺(tái),使用WindowS或RTLinux操作系統(tǒng);伺服驅(qū)動(dòng)模塊式用來(lái)執(zhí)行CNC發(fā)來(lái)的指令,一個(gè)開(kāi)放式的伺服單元,要求它可以實(shí)現(xiàn)速度,位移,轉(zhuǎn)矩的控制,也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)的類型,也可以自動(dòng)識(shí)別反饋量類型,還可以與不同的CNC實(shí)現(xiàn)連接,接收各個(gè)不同廠家CNC式的傳感器模塊可以自動(dòng)接收各種信號(hào),如光電的,磁的,溫度的,壓力的等,并進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理,然后用標(biāo)準(zhǔn)接口傳到上位機(jī).軟件模塊為了做到最大程度的開(kāi)放,軟

10、件結(jié)構(gòu)也采取模塊化的設(shè)計(jì)思想,有利于軟件的升級(jí)和不同產(chǎn)品間的相互調(diào)用.如輸入輸出模塊,顯示模塊,控不同廠家或同一廠家不同產(chǎn)品之間的相互調(diào)用791.第1期王成元,等:開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)632)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)控就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò),Internet/Intranet將制造單元和控制部件相連,或?qū)⒅圃爝^(guò)程所需資源(如加工程序,機(jī)床,工具,檢測(cè)監(jiān)控儀器等)共享l加-131.網(wǎng)絡(luò)化包括兩個(gè)方面:內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò))和外部網(wǎng)絡(luò).內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O邏輯控制等單元以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接.對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)硬件,開(kāi)放性主要是指計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò),伺服系統(tǒng)及I/O邏輯控制等單

11、元,應(yīng)該具硬件具有互換性,目前歐洲CNC制造商在其產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用SERCOS(SerialRealtimeCornmunicationSystem,一種適于高速伺服控制的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議,于1995年成為IEC1491國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))現(xiàn)場(chǎng)總線作為與數(shù)字驅(qū)動(dòng)單元的接口,采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線等作為與I/O邏輯控制單元的接口.外部網(wǎng)絡(luò)外部網(wǎng)絡(luò)指的是數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和無(wú)人化操作,遠(yuǎn)程加工程序傳輸,遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維修服務(wù),技術(shù)服務(wù),內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)隨時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行最優(yōu)計(jì)戈0和調(diào)度;操作工人技藝數(shù)據(jù)庫(kù)將通過(guò)豐富經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)形成的技藝數(shù)字化,不斷積累并與全公司共享,

12、實(shí)現(xiàn)高效,高質(zhì)量加工,并依此創(chuàng)造新工藝,新知識(shí)和新訣竅;新的CAD/CAM系統(tǒng)可將CAD數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸こ绦?工具清單,工藝卡和加工工藝圖樣,實(shí)現(xiàn)并行工程來(lái)縮短生產(chǎn)周期.此外通過(guò)因特網(wǎng)與外界聯(lián)接,可為每一個(gè)客小批量的條件下,將機(jī)床聯(lián)網(wǎng),能將切削時(shí)間由25%提升至65%.遠(yuǎn)程診斷產(chǎn)品可以在個(gè)人電腦前輕松地操縱遠(yuǎn)在車間里的機(jī)床設(shè)備,諸如編輯修改零件程序和PLC程序,監(jiān)控各軸當(dāng)前狀態(tài),進(jìn)行診斷,而且還可用作用戶的定期預(yù)防性診斷.3)智能化智能化是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的方向之一,包括控華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng).電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,模型和參數(shù)是不斷變化的,參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)

13、性能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能.因此,將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)面,運(yùn)用得較為成功的控制技術(shù)主要有:自適應(yīng)控術(shù)能夠改善控制對(duì)象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)控制控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)lH-1引.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能.通過(guò)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識(shí),并運(yùn)用辨識(shí)的參數(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制,也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性.滑模變結(jié)構(gòu)控制由于其特殊的切換控制方式與電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的開(kāi)關(guān)模式相似,并且具有良好的魯棒控制特性,因此,在電機(jī)控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個(gè)

14、重要分支,電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向,并且將帶來(lái)電氣傳動(dòng)技術(shù)的新紀(jì)元.目前,實(shí)現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條:基于人工智能的專家系統(tǒng)(ExpertSystem);基于模糊集合理論(FuzzyLogic)的模糊控制;基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork)的神經(jīng)控制.接口智能化.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),其接口具有如下重要技術(shù)特征:用戶可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)需要選擇和配置硬件,如主軸軸數(shù),伺服軸數(shù)和PLCIO點(diǎn)數(shù)等;用戶可以在開(kāi)放式環(huán)境下擴(kuò)充系統(tǒng)的功能,例如開(kāi)發(fā)最適合自己用途的人機(jī)界面,或者利用標(biāo)準(zhǔn)NC控制功能開(kāi)發(fā)自己的專有控制功能;系統(tǒng)能

15、夠直接運(yùn)行其他標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件,例如CAD,數(shù)據(jù)庫(kù)等,利用現(xiàn)有軟件開(kāi)發(fā)足上述第一項(xiàng)要求,最好采用數(shù)字伺服系統(tǒng)并用字伺服系統(tǒng)具有高速,高精度和無(wú)漂移等特點(diǎn),發(fā)展非常迅速并且已經(jīng)在數(shù)控機(jī)床上獲得廣泛應(yīng)控制功能,CNC系統(tǒng)可以直接將位置指令傳遞給統(tǒng)通常通過(guò)數(shù)字通訊接口(同軸電纜或光纜)和通訊協(xié)議控制伺服軸,主軸和PLC-IO接口,具有如下技術(shù)優(yōu)越性:CNC與伺服之間采用光纜或同軸電纜連接,大大減少電纜布線,便于系統(tǒng)安沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)第29卷裝,提高可靠性;系統(tǒng)擴(kuò)充和精簡(jiǎn)方便,在同一硬件平臺(tái)上,可以開(kāi)發(fā)多種控制系統(tǒng);系統(tǒng)控制和診斷功能豐富,如控制方式切換和伺服參數(shù)設(shè)定等,便于系統(tǒng)安裝和維護(hù).目前,各種外部接

16、口都有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如NC程序接口標(biāo)準(zhǔn)有ISO6983和STEPNC;與伺服系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)有+/一10V模擬電壓,SERCOS,MACRO和FireWire等;與I/O設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)有Profibus,Interbus和CAN總線等;與企業(yè)管理網(wǎng)的接口主要采用局域網(wǎng),基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議.至于內(nèi)部接口,還沒(méi)有關(guān)于組件API的標(biāo)準(zhǔn),但國(guó)際上很多大的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)工作組,如OMAC(OpenModularArchitectureControls),OSACA(OpenSystemArchitectureforControlsWithinAutomationSystems),OS

17、EC(OpensSystemEnvironmentforControllers)等,都在為盡快形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而努力.自診斷功能要求系統(tǒng)可以自己查找故障,并在沒(méi)有人參與或很少有人參與的情況下來(lái)完成系單的故障提示,還不能進(jìn)行自我修復(fù).4)柔性化軟件化柔性是指機(jī)床適應(yīng)加工對(duì)象變化的能力,是產(chǎn)線,由于是機(jī)械或剛性連接和控制的,當(dāng)被加工對(duì)象變換時(shí),調(diào)整很困難,甚至是不可能的,有時(shí)加工對(duì)象變換有很強(qiáng)的適應(yīng)能力,具有下列特性:高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應(yīng)性.高效的生產(chǎn)能力,包括:高生產(chǎn)率,借助于高速化和提高金屬切除率等途徑;高穩(wěn)定性,對(duì)于光機(jī)電集成的數(shù)控機(jī)床,著重要求其降低故障率,提高可靠性,以提高制造

18、裝備及系統(tǒng)的開(kāi)動(dòng)率(利用率).柔性化的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)硬件的柔性化與軟件的柔性化來(lái)完成的.硬件方面采用可編程器件,只要改變程序就可以改變硬件的功能,如DSP,FPGA等,從而使得硬件不硬;軟件是控制系統(tǒng)的主要部分,以前用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能,逐步用軟件來(lái)代替,能用軟件實(shí)現(xiàn)的就不用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn),大大地減少了硬件電路,增加了系統(tǒng)的柔性【I171.目前,各個(gè)廠家都在向這一方向努力,在設(shè)計(jì)時(shí)都盡量考慮軟硬件的柔性.3開(kāi)放式控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)從以上分析不難看出,高度的集成化,小型化,智能化是未來(lái)控制系統(tǒng)的走向,隨著各功能模塊的高度集成化,智能化,以及計(jì)算機(jī)技術(shù),通信技術(shù),微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,未來(lái)的控制系統(tǒng)必將把數(shù)

19、據(jù)的采集,處理,伺服驅(qū)動(dòng),執(zhí)行單元,反饋單元等都集成在一起,形成一個(gè)完整的系統(tǒng),基本上是一臺(tái)機(jī)器人.但由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化還缺少統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),現(xiàn)有的軟硬件科學(xué)的發(fā)展還不夠完備,因此,開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的徹底實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走.4結(jié)論介紹了開(kāi)放式控制系統(tǒng)的提出背景,概括了開(kāi)放式系統(tǒng)的具體標(biāo)準(zhǔn),分析了近年來(lái)開(kāi)放式系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r:進(jìn)步很大,但開(kāi)放程度不夠深入,發(fā)展趨勢(shì),高度集成,通用化與專用化共同發(fā)展.參考文獻(xiàn):1UTongovelv-oenumericalomtroltechnologyJ.NumericalControlTechniqueandApplication,2001(3):1011.2YANGDo

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