式数控系统的发展现状及其趋势

1、开放式数控系统的发展现状及其趋势第29卷第1期2007年2月沈阳工业大学JournalofShenyangUniversityofTechnology文章编号:10001646(2007)01006104开放式数控系统的发展现状及其趋势王成元,常国祥,一,郭雨梅(1.沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023;2.黑龙江科技学院,哈尔滨150027)摘要:数控机床是现代科技发展的产物,也是现代工业发展的动力,但各国发展很不平衡,没有过认真分析总结得到:模块化,网络化,智能和柔性化是现代数控系统的主要特点;高度的集成化,分析,得出通用化和专用化是数控系统的两条发展主线,而且互为依存,相互发展.关

2、键词:控制系统;交流伺服;开放式;计算机数控;发展趋势中图分类号:TPl3文献标识码:ADevelopmentstateandtendencyofopenNCsystemWANGChengyuan.CHANGGuo-xiang,GUOYumeiofScienceandTechnology,Harbin150027,China)Abstract:Thenumericalcontrolmachinetoolistheproductofmodernscienceandtechnologyunderstandingpresentsituationanddevelopmenttendencyofthen

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

4、Keywords:controlsystem;ACservo;open;CNC;developmenttendency数控技术是当代集微电子技术,计算机技术,系统作为数控技术的核心部件,其性能的改进及技术的发展给予机械加工设备以质的变化,奠定了现代柔性制造技术,计算机集成制造技术及森斯研制成功了数控系统后,50年来机床数控系别是过去的10年,为了满足市场和科学技术发展的需求,现代制造技术对数控设备提出了更高的要求.从性能上而言,除了高速,高精度,高可靠性和柔性化之外,集成化,智能化与网络化已成为新一代数控发展的必然趋势;从市场适应性而言,加工的多样化和专业化对加工个性化的要求日益带有个性化的数

5、控系统,才能切实地满足多样化,专业化市场的需求.综上所述,传统的数控系统由实现数控设备进线,联网,高柔性化,智能化和个性化,研究数控系统结构体系的开放性,智能化已势在必行11.收稿日期:20060108.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375102).作者简介:王成(1943一),男,辽宁铁岭人,教授,博士生导师,主要从事直线伺服电机,交流伺服系统,电机与控制等方面的研究62沈阳工业大学第29卷开放式控制系统的提出2开放式控制系统的现状开放式控制系统的提出是控制系统发展到一竞争,制造行业迫切需要能够在产品多样化和产品更新换代频繁的情况下,提高生产效率,提高产品质量,降低产品成本,同时更

6、人性化地符合用户的需求.对适合中小批量加工,具有良好柔性和多功能型制造系统的需求已逐步超过对大型单元功块化,可重构,可扩充,可升级的新一代数控系统的研究.然而,各生产厂家和科研单位由于各自采用不同的标准,不同的封闭结构,不同的通信协议和数据结构,导致了不同厂家的数控设备之间无法实现信息交换,不同软件之间无法实现信息传背景下,各国都在制订自己的行业标准.美国,欧共体,日本等都投人大量的人力物力,进行新一代开放式智能数控系统的研究.制定了统一的标准,相同,但普遍认为开放式数控系统可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,形成系列化,并可将用户的特殊应用集成到控制系统中,实关于开放式系统的定义

7、是:开放式系统能有效地运行于不同的平台之上,可以与其他应用系统相互操作,并提供与用户交互的统一风格,即所谓互着计算机软硬件技术的发展,目前对开放式系统最新的具体的看法包括:1)开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的,它允许改变硬件的基本配置,而软件更在所有控制级别上可以改变.2)开放式结构系统的软硬件必须是真正即插即用的,如果产品必须被召回以安装新的硬件和软件,那就不是真正的开放.3)控制器必须是标准化的,以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软件的开发.4)开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来,也就是说它是一个标准系统,在这个标准上系统能在部件级别上与其他部件集成,并能共享数据.5)

8、一个开放式控制系统能在系统的级别上同其他系统协同工作.近些年来,随着现代电机技术,现代电力电子技术,微电子技术,控制技术,通信技术及计算机技术等支撑技术的快速发展,交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进,开放式的结构体系也取得了很大的进步.主要表现在以下几个方面:1)模块化集成化模块化和集成化是对立统一的,模块化是对系统进行分块,块分得越细,系统的开放性就越好,但块分得太细就影响了系统集成度,整个系统般的做法是根据功能进行分块L6_6.硬件模块硬件模块分为CNC模块,伺服驱动模块,驱能上相互独立,都能独立完成一定的任务,不同厂家或同一厂家的不同产品可以随意互换,各个模块高度集成化,只要是实现这一

9、功能的都要集成进去.例如,CNC模块负责接收用户的控制命令(如G命令),并且把这些命令发给伺服驱动单元,开放式的结构要求CNC可以接收不同格式的用户命令,也可以和不同厂家的伺服系统进行通的CNC以PC机为平台,使用WindowS或RTLinux操作系统;伺服驱动模块式用来执行CNC发来的指令,一个开放式的伺服单元,要求它可以实现速度,位移,转矩的控制,也可以实现机的类型,也可以自动识别反馈量类型,还可以与不同的CNC实现连接,接收各个不同厂家CNC式的传感器模块可以自动接收各种信号,如光电的,磁的,温度的,压力的等,并进行信号的调理,然后用标准接口传到上位机.软件模块为了做到最大程度的开放,软

10、件结构也采取模块化的设计思想,有利于软件的升级和不同产品间的相互调用.如输入输出模块,显示模块,控不同厂家或同一厂家不同产品之间的相互调用791.第1期王成元,等:开放式数控系统的发展现状及其趋势632)开放式网络化网络数控就是通过网络,Internet/Intranet将制造单元和控制部件相连,或将制造过程所需资源(如加工程序,机床,工具,检测监控仪器等)共享l加-131.网络化包括两个方面:内部网络(现场总线网络)和外部网络.内部网络内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接.对于数控系统硬件,开放性主要是指计算机,网络,伺服系统及I/O逻辑控制等单

11、元,应该具硬件具有互换性,目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS(SerialRealtimeCornmunicationSystem,一种适于高速伺服控制的网络接口协议,于1995年成为IEC1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口,采用Profibus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口.外部网络外部网络指的是数控系统与系统外的其他控实现对设备的远程控制和无人化操作,远程加工程序传输,远程诊断和远程维修服务,技术服务,内部网(Intranet)随时监视生产现场情况进行最优计戈0和调度;操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形成的技艺数字化,不断积累并与全公司共享,

12、实现高效,高质量加工,并依此创造新工艺,新知识和新诀窍;新的CAD/CAM系统可将CAD数据立即转变为加工程序,工具清单,工艺卡和加工工艺图样,实现并行工程来缩短生产周期.此外通过因特网与外界联接,可为每一个客小批量的条件下,将机床联网,能将切削时间由25%提升至65%.远程诊断产品可以在个人电脑前轻松地操纵远在车间里的机床设备,诸如编辑修改零件程序和PLC程序,监控各轴当前状态,进行诊断,而且还可用作用户的定期预防性诊断.3)智能化智能化是数控系统发展的方向之一,包括控华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同步电动机伺服驱动.电机在运行过程中,模型和参数是不断变化的,参数和模型的变化将引起控制系统

13、性能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能.因此,将各种鲁棒控制技术运用于电机调面,运用得较为成功的控制技术主要有:自适应控术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制控制技术应用于永磁同步电机调速系统lH-1引.仿真和实验结果表明,自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能.通过对电机参数变化进行在线辨识,并运用辨识的参数对调速系统进行控制,也能够提高控制系统的鲁棒性.滑模变结构控制由于其特殊的切换控制方式与电机调速系统中逆变器的开关模式相似,并且具有良好的鲁棒控制特性,因此,在电机控制领域有广阔的应用前景.随着人工智能技术的发展智能控制已成为现代控制领域中的一个

14、重要分支,电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向,并且将带来电气传动技术的新纪元.目前,实现智能控制的有效途径有三条:基于人工智能的专家系统(ExpertSystem);基于模糊集合理论(FuzzyLogic)的模糊控制;基于人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork)的神经控制.接口智能化.开放式数控系统,其接口具有如下重要技术特征:用户可以在较大范围内根据需要选择和配置硬件,如主轴轴数,伺服轴数和PLCIO点数等;用户可以在开放式环境下扩充系统的功能,例如开发最适合自己用途的人机界面,或者利用标准NC控制功能开发自己的专有控制功能;系统能

15、够直接运行其他标准的应用软件,例如CAD,数据库等,利用现有软件开发足上述第一项要求,最好采用数字伺服系统并用字伺服系统具有高速,高精度和无漂移等特点,发展非常迅速并且已经在数控机床上获得广泛应控制功能,CNC系统可以直接将位置指令传递给统通常通过数字通讯接口(同轴电缆或光缆)和通讯协议控制伺服轴,主轴和PLC-IO接口,具有如下技术优越性:CNC与伺服之间采用光缆或同轴电缆连接,大大减少电缆布线,便于系统安沈阳工业大学第29卷装,提高可靠性;系统扩充和精简方便,在同一硬件平台上,可以开发多种控制系统;系统控制和诊断功能丰富,如控制方式切换和伺服参数设定等,便于系统安装和维护.目前,各种外部接

16、口都有相应的国际标准或行业标准,如NC程序接口标准有ISO6983和STEPNC;与伺服系统接口的标准有+/一10V模拟电压,SERCOS,MACRO和FireWire等;与I/O设备的接口标准有Profibus,Interbus和CAN总线等;与企业管理网的接口主要采用局域网,基于以太网和TCP/IP协议.至于内部接口,还没有关于组件API的标准,但国际上很多大的开放式数控系统工作组,如OMAC(OpenModularArchitectureControls),OSACA(OpenSystemArchitectureforControlsWithinAutomationSystems),OS

17、EC(OpensSystemEnvironmentforControllers)等,都在为尽快形成国际标准而努力.自诊断功能要求系统可以自己查找故障,并在没有人参与或很少有人参与的情况下来完成系单的故障提示,还不能进行自我修复.4)柔性化软件化柔性是指机床适应加工对象变化的能力,是产线,由于是机械或刚性连接和控制的,当被加工对象变换时,调整很困难,甚至是不可能的,有时加工对象变换有很强的适应能力,具有下列特性:高度的灵活性和多品种生产的快速适应性.高效的生产能力,包括:高生产率,借助于高速化和提高金属切除率等途径;高稳定性,对于光机电集成的数控机床,着重要求其降低故障率,提高可靠性,以提高制造

18、装备及系统的开动率(利用率).柔性化的实现是通过硬件的柔性化与软件的柔性化来完成的.硬件方面采用可编程器件,只要改变程序就可以改变硬件的功能,如DSP,FPGA等,从而使得硬件不硬;软件是控制系统的主要部分,以前用硬件来实现的功能,逐步用软件来代替,能用软件实现的就不用硬件来实现,大大地减少了硬件电路,增加了系统的柔性【I171.目前,各个厂家都在向这一方向努力,在设计时都尽量考虑软硬件的柔性.3开放式控制系统发展趋势从以上分析不难看出,高度的集成化,小型化,智能化是未来控制系统的走向,随着各功能模块的高度集成化,智能化,以及计算机技术,通信技术,微电子技术的进一步发展,未来的控制系统必将把数

19、据的采集,处理,伺服驱动,执行单元,反馈单元等都集成在一起,形成一个完整的系统,基本上是一台机器人.但由于对标准化还缺少统一的认识,现有的软硬件科学的发展还不够完备,因此,开放式数控系统的彻底实现还有很长的路要走.4结论介绍了开放式控制系统的提出背景,概括了开放式系统的具体标准,分析了近年来开放式系统的发展状况:进步很大,但开放程度不够深入,发展趋势,高度集成,通用化与专用化共同发展.参考文献:1UTongovelv-oenumericalomtroltechnologyJ.NumericalControlTechniqueandApplication,2001(3):1011.2YANGDo

20、ngyou,JtANGJindevelopmentofnewgenerationnumericalcontroJ.ModularMachineToolandAutomaticManufacturingTechnique,2001(7):5153.chiDeTechnologyMaster,2001(3):1011.chineTooIandHydraulicPressure,2001(4):34.5GAOJuncontrollerJ.ModularMachineToolandAutomaticManufacturingTechnique,2004(5):5557.setupandintegrat

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22、mericalcon.trolsystemJ.Proceedings0fthe(;SEE,2001,12(10):11411145.mericalcontrolsystembasedonSERO06J.ModemManufacturing.2004(3):9698.(下转第89页)第1期黄有群,等:三维地形显示中的三角网格局部细分算法研究程序实现J.南昌水专,2004,23(1):15.(WANGJianhua,XUQiangfiningthetetrahedralmeshinitsanylocalpartandtheimplementationoftherelatedprocedureJ.J

23、ounalofNanchangCollegeofWaterandHydroelectricPower,2004,23(1):15.)3徐长海,陈龙珠,梁国钱.带接触单元,多级加载的有限元风格局部加密方法及工程应用J.水利与建筑工程,2003,4(1):3137.(XUChanghal,CHENLong-zhu,LIANGGuo-qian.LocalmeshdensificationmethodforFEMthinterfaceelementandmultiloadsanditsapplicationJ.JournalofWaterResourcesandArchitecturalEnginee

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