摘要：數控技術對傳統機械制造業的滲透產生了機電一體化產品：數控機床。本文介紹當前國內外NC技術的現狀，包括開放體系結構的采用、高精高速高效功能的提高、軟件數字伺服技術以及網絡系統的發展等。然后介紹NC技術在集成化、網絡化、智能化及數字化等的發展趨勢。為了把我國NC產業搞上去，本文提出發展NC產業要注重系統配套、可靠性、重視創新和加強服務的一些對策。

    數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械制造產業的滲透形成的機電一體化產品；其技術范圍復蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術：(3)自動控制技術；(4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術：(6)軟件技術等。計算機對傳統機械制造產業的滲透，完全改變了制造業。制造業不但成為工業化的象征，而且由于信息技術的滲透，使制造業猶如朝陽產業具有廣闊的發展天地。

一，數控技術國內外現狀：

1 開放結構的發展 
    數控技術從發明到現在，已有近50年的歷史。按照電子器件的發展可分為五個發展階段：電子管數控，晶體管數控，中小規模IC數控，小型計算機數控，微處理器數控；從體系結構的發展，可分為以硬件及連線組成的硬數控系統、計算機硬件及軟件組成的CNC數控系統，后者也稱為軟數控系統：從伺服及控制的方式可分為步進電機驅動的開環系統和伺服電機驅動的閉環系統。 數控系統裝備的機床大大提高了加工精度、速度和效率。人類發明了機器，延長和擴展人的手腳功能：當出現數控系統以后，制造廠家逐漸希望數控系統能部分代替機床設計師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經驗和操作技能放進數控系統， 同時也希望系統具有圖形交互、診斷功能等。首先就要求數控系統具有友好的人機界面和開發平臺，通過這個界面和平臺開放而自由地執行和表達自己的思路。這就產生了開放結構的數控系統。機床制造商可以在該開放系統的平臺上增加一定的硬件和軟件構成自己的系統。

目前，開放系統有兩種基本結構：

    (1)CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統的CNC機器中，PC板主要運彳¨F實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。(2)PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。開放結構在90年代初形成；對于許多熟悉計算機應用的系統廠家，往往采用第(2)方案。但目前主流數控系統生產廠家認為數控系統最主要的性能是可靠性，象PC機存在的死機現象是不允許的。而系統功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經生產大量的數控系統：體系結構的變化會對他們原系統的維修服務和可靠性產生不良的影響。因此不把開放結構作為主要的產品，仍然大量生產原結構的數控系統。為了增加開放性，主流數控系統生產廠家往往采用(1)方案，即在不變化原系統基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯系在一起，大大提高了人機界面的功能比較典型的如FANUC的150/160／180／210系統。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(fusion system)。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎。

2 軟件伺服驅動技術 

    伺服技術是數控系統的重要組成部分。廣義上說，采用計算機控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為“軟件伺服”。它有以下優點：(1)無溫漂，穩定性好。(2)基于數值計算，精度高。(3)通過參數對設定，調整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國GATTYS公司發明了直流力矩伺服電機，從此開始大量采用直流電機驅動。開環的系統逐漸由閉環的系統取代。但直流電機存在以下缺點：(1)電動機容量、最高轉速、環境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護不方便。交流異步電機雖然價格便宜、結構簡單，但早期由於控制性能差，所以很長時間沒有在數控系統上得到應用。隨著電力電子技術的發展，1971年，德國西門子的Blaschke發明了交流異步機的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，·數控機床逐漸采用異步電機為主軸的驅動電機。如果把直流電機進行“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子，轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，這就構成了永磁無刷電機。這種電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數控系統的進給驅動裝置上。為了實現更高的加工精度和速度，90年代，許多公司又研制了直線電機。它由兩個非接觸元件組成，即磁板和線卷滑座：電磁力直接作用于移動的元件而無需機械連接，沒有機械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴于直線反饋系統和分級的支承，由全數字伺服驅動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。但由于它的推力還不夠大，發熱，漏磁及造價也影響了它的廣—泛應用。對現代數控系統，伺服技術取得的最大突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統，應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發展，軟件運算及處理能力的提高，特別是DSP的應用，使系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。這些技術的突破，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。

3 CNC系統的連網 

    數控系統從控制單臺機床到控制多臺機床的分級式控制需要網絡進行通信；網絡的主要任務是進行通信，共享信息。這種通信通常分三級：(1)工廠管理級。一般由以太網組成。(2)車間單元控制級。一般由DNC功能進行控制。通過DNC功能形成網絡可以實現對零件程序的上傳或·F傳：讀、寫CNC的數據： PLC數據的傳送；存貯器操作控制；系統狀態采集和遠程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM/CAPP以及CNC的程序進行傳送和分級管理。CNC與通信網絡連系在一起還可以傳遞維修數據，使用戶與NC生產廠直接通信：進而，把制造廠家連系一起，構成虛擬制造網絡。(3)現場設備級?，F場級與車間單元控制級及信息集成系統主要完成底層設備單機及工／0控制、連線控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備生產、運行數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執行之。因此，現場級與車間級是實現工廠自動化及CIMS系統的基礎。傳統的現場級大多是基于PLC的分布式系統。其主要特點是現場層設備與控制器之間的連接是一對一，即一個I/0點對設備的一個測控點。所謂工／0接線方式為傳遞4—20ma(模擬量信息)或24VDC(開關量信息)。這種系統的缺點是：信息集成能力不強、系統不開放、可集成性差、專業性不強、可靠性不易保證、可維護性不高?，F場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。因此，現場總線是面向：f廠底層自動化及信息集成的數字網絡技術?，F場總線技術的主要特點為：它是數控系統通信向現場級的延伸、數字化通信取代4—20ma模擬信號、應用現場總線技術，要求現場設備智能化(可編程或可參數化)：它集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體：由于現場總線具有開放性、互操作性、互換性、可集成性，因此是實現數控系統設備層信息集成的關鍵技術。它對提高生產效率、降低生產成本非常重要。目前在工業上采用的現場總線有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco等。有的公司還有自己的總線，比如FANUC的FSSB，工／OLINK(相當于JPCN—1)，YASKAW^的MOTIONLINK等。目前比較活躍的是Prof主bus-DP，為了允許更快的數據傳送速度，它由0S工的七層結構省去3-7層構成。西門子最新推出802D的伺服控制就是由Profibus-DP控制的。

4 功能不斷發展和擴大 

    NC技術經過50年的發展，已經成為制造技術發展的基礎。這里以FANUC最先進的CNC控制系統15i／150i為例說明系統功能的發展。這是一臺具有開放性，4通道、最多控制軸數為24軸、最多聯動軸數為24軸、最多可控制4個主軸的CNC系統。其快移速度與分辨率關系如下表。