我国常用数控系统的比较.docx
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我国常用数控系统的比较
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我国常用数控系统的比较
摘要简单介绍数控的基本知识，并针对我国常用数控系统——SIEMENS数控系统和FANUC数控系统和华中数控系统进行比较。
关键字数控技术数控系统
前言数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域成果而形成的一门艺术。
在现代机械制造领域中，数控技术已成为核心技术之一，是实现柔性制造、计算机集成制造的重要基础技术之一。
数控系统应用于机床装备中，形成了机床数控技术。
数控系统是机床数控技术的核心，我国常用的数控——SIEMENS数控系统和FANUC数控系统和华中数控系统之间存在一些差异。
一、数控技术简介
数控技术，简称数控（NumericalControl）。
它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。
用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控（NC）机床。
数控系统包括：
数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。
现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术集合。
现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。
主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。
数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。
它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。
2、数控系统的基本组成
数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。
数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。
计算机数控系统的组成如图所示。
2.1计算机数控装置（CNC装置）
CNC装置是数控系统的核心。
在一般的数控加工过程中，首先启动CNC装置，在CNC内部软件的控制下，通过输入装置或输入接口读入零件的数控加工程序，并存放到CNC装置的存储区。
开始加工时，在控制软件的作用下，将数控加工程序从存储区读出，按程序段进行处理，先进行译码处理，将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式，将程序段的内容分成位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区中，最后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。
2.2驱动装置
驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动,使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
2.3伺服单元
伺服单元分为主轴伺服和进给伺服两部分，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。
伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。
2.4可编程逻辑控制器（PLC）
PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开、关等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。
2.5机床本体
机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、给进运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）、支承部件（床身立柱等）、辅助装置（具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的装置），加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。
数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。
因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。
3、数控系统的分类
3.1按机床的运动轨迹分类
1、点位控制数控系统
2、直线切削数控系统
3、连续切削数控系统
3.2按伺服系统控制方式分类
1、开环控制数控机床
2、全闭环控制数控机床
3、半闭环控制数控机床
3.3按数控系统功能水平分类
1、经济型数控系统又称简易数控系统
2、普及型又称全功能数控系统
3、高档型数控系统
4、我国常用数控机床
4.1FANUC数控系统
FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。
FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。
在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。
系统在设计中大量采用模块化结构。
这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。
FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。
PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。
系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。
FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。
FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。
鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户。
使用该系统的操作员队伍十分庞大，因此有必要了解该系统的一些软、硬件上的特点。
我们可以通过常见的FANUC0系列了解整个FANUC系统的特点。
1、刚性攻丝
主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步，从而实现高速高精度攻丝。
2、复合加工循环
复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。
比如定义了工件的最终轮廓，可以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。
3、圆柱插补
适用于切削圆柱上的槽,能够按照圆柱表面的展开图进行编程。
4、直接尺寸编程
可直接指定诸如直线的倾角、倒角值、转角半径值等尺寸，这些尺寸在零件图上指定，这样能简化部件加工程序的编程。
5、记忆型螺距误差补偿可对丝杠螺距误差等机械系统中的误差进行补偿，补偿数据以参数的形式存储在CNC的存储器中。
6、CNC内装PMC编程功能
PMC对机床和外部设备进行程序控制
7、随机存储模块
MTB（机床厂）可在CNC上直接改变PMC程序和宏执行器程序。
由于使用的是闪存芯片，故无需专用的RAM写入器或PMC的调试RAM。
8、显示装置
4.2SIEMENS数控系统
4.2.1SIEMENS数控系统简介
SIEMENS数控系统是一个集成所有数控系统元件（数字控制器，可编程控制器，人机操作界面）于一体的操作面板安装形式的控制系统。
所配套的驱动系统接口采用西门子公司全新设计的可分布式安装以简化系统结构的驱动技术，这种新的驱动技术所提供的DRIVE-CLiQ接口可以连接多达6轴数字驱动。
外部设备通过现场控制总线PROFIBUSDP连接。
这种新的的驱动接口连接技术只需要最少数量的几根连线就可以进行非常简单而容易的安装。
SINUMERIK802Dsl为标准的数控车床和数控铣床提供了完备的功能，其配套的模块化结构的驱动系统为各种应用提供了极大的灵活性。
性能方面经过大大改进的工程设计软件（Sizer，Starter）可以帮助用户完成从项目开始阶段的设计选型，订货直到安装调试全部过程中的各项任务。
4.2.2SIEMENS数控系统功能
相对于802D在性能上有许多的改进，为广大的客户在希望扩大应用领域和范围方面提供了更多的可能和受益，例如：
可以方便的使用DIN编程技术和ISO代码进行编程，卓越的产品可靠性，数字控制器，可编程控制器，人机操作界面，输入/输出单元一体化设计的系统结构，由各种循环和轮廓编程提供的扩展编程帮助技术，通过DRIVE-CLiQ接口实现的最新数字式驱动技术提供了统一的数字式接口标准，各种驱动功能按照模块化设计，可以根据性能要求和智能化要求灵活安排，各种模块不需要电池及风扇，因而无需任何维护。
各种功能体现了西门子公司最新的产品创新技术，例如5个数字驱动轴，其中任意4个都可以作为联动轴进行插补运算，另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴（模拟主轴即将推出）作为一个变型使用,在带C轴功能时，可以采用3个数字轴，一个数字主轴，一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。
新一代的西门子驱动技术平台SINAMICSS120伺服系统通过已经集成在元件级的DRIVE-CLiQ来对错误进行识别和诊断，从操作面板就可以进行操作，使用的标准闪存卡（CF）可以非常方便的备份全部调试数据文件和子程序，通过闪存卡（CF）可以对加工程序进行快速处理，通过连接端子使用两个电子手轮，216个数字输入和144个数字输出（0.25A），RCS802-远程诊断和远程控制（NC和PLC），RCS@Event（通过电子邮件进行远程诊断），USB口（即将推出）。
4.3华中数控系统
4.3.1华中数控系统的软件结构
4.3.1.1软件结构说明
华中数控系统的软件结构如图1所示。
图中虚线以下的部分称为底层软件，它是华中数控系统的软件平台，其中RTM模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理管理调度。
NCBIOS模块为基本输入输出系统，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。
RTM和NCBIOS两模块合起来统称NCBASE，如图中双点画线框所示。
图中虚线以上的部分称为过程控制软件（或上层软件），它包括编辑程序、参数设置、译码程序、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。
对不同的数控系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减均在这一层进行；各功能模块通过NCBASE的NCBIOS与底层进行信息交换。
图1华中数控装置软件结构
4.3.1.2NCBASE的功能
（1）实时多任务的调度
该功能由RTM模块实现。
调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。
如图2所示。
根据任务要求的调度机制（采用优先抢占加时间片轮转调度）和任务的状态，调度核心对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得CPU的控制权，并监控任务的状态。
系统中各个任务只能通过调度核心才能运行和终止。
图2描述了各个任务与调度核心的关系，图中的实线表示从调度核心进入任务或任务在一个时间片内未能运行完而返回调度核心的状态；图中虚线表示任务在时间片内运行完毕返回调度核心的状态。
（2）设备驱动程序
对于不同的控制对象，如加工中心、数控铣床、数控车床、数控磨床等，硬件的配置可能不同，而不同的硬件模块其驱动程序也不同。
华中数控系统就很好的解决了这个问题。
在配置系统时，所有的硬件模块的驱动程序都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG中说明（格式为：
DEVICE=驱动程序名）。
系统在运行时，NCBIOS根据NCBIOS.CFG的预先设置，调入对应模块的驱动程序，建立相应的接口通道。
（3）位置控制
位置控制是NCBIOS的一个固定程序，主要是接受插补运算程序送来的位置控制指令，经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后，输出速度指令值给位置控制模块。
图2多任务调度图
（4）插补器
华中数控系统为多通道（可为四通道）数控系统，每个通道都有一个插补器，相应就创建一个插补任务。
其任务主要是完成直线、圆弧、螺纹、攻丝及微小直线段（供自由曲线和自由曲面加工用）等插补运算。
（5）PLC调度
PLC调度的主要任务是：
故障的报警处理；M、S、T处理；急停和复位处理；虚拟轴驱动处理；刀具寿命管理；操作面板的开关处理；指示灯及突发事件处理等。
（6）内部监控实现对CNC系统各部分故障的监控。
4.3.2华中数控系统硬件结构简介
华中数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。
它以通用的工业PC机（IPC）和DOS、WINDOWS操作系统为基础，采用开放式的体系结构，使华中数控系统的可靠性和质量得到了保证。
它适合多坐标（2～5）数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也能适应于其它类型的数控机床（如数控磨床、数控车床等）以及特种加工机床（如激光加工机、线切割机等）。
华中数控装置的硬件基本结构如图3所示。
系统的硬件由工业PC机（IPC）、主轴驱动单元和交流伺服单元等几个部分组成。
各组成部分介绍如下。
（1）图3中的虑线框为一台IPC的基本配置，其中ALL-IN-ONECPU卡的配置是CPU80386以上、内存2MB以上、cache128kB以上、软硬驱接口、键盘接口、二串一并通信接口、DMA控制器、中断控制器和定时器；外存是包括软驱、硬驱和电子盘在内的存储器件。
（2）系统总线是一块由四层印刷电路板制成的无源母板。
（3）图3中的单点画线部分是数控系统的操作面板，其中数控键盘通过COM2口直接写标准键盘的缓冲区。
图3单机或主从结构的CNC装置硬件结构
（4）图3中的双点画线的模块表示是可根据用户特殊要求而定制的功能模块。
（5）位置单元接口根据伺服单元的不同而有不同的具体实施方案；当伺服单元为数字交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准RS232C串口；当伺服单元为模拟式交/直流伺服单元时，位置单元接口采用位置环板；当用步进电机为驱动元件时（教学数控机床），位置单元接口采用多功能数控接口板。
（6）光隔I/O板主要处理控制面板上以及机床测量的开关量信号。
（7）多功能板主要处理主轴单元的模拟或数字控制信号，并回收来自主轴编码器、手摇脉冲发生器的脉冲信号。
结论通过上述比较可以看出,FANUC、SIEMENS和华中数控系统既有相同之处,也各有各自特色。
反映到加工过程中,针对各个数控系统的操作也不太一样。
这三大数控系统在我国占市场主流,所以应该培养学生对它们充分的了解和深入的学习,并加以比较和强化。
参考文献
[1]王荣兴.加工中心培训教程[M].北京:
机械工业出版社,2006年6月第一版。
[2]曹凤.数控编程[M].重庆:
重庆大学出版社,200438月第一版
[3]徐衡主编 FANUC系统数控铣床和加工中心培训教程[M] 化学工业出版社。
[4]周虹.FANUC0i系统与SINUMERIK802D系统的编程指令分析及应用[J].现代制造，2006，7：
78-79。
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