开放式数控系统概述
1. 传统的数控系统存在的问题
标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系
统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题：
（1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流
技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。
（2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床
生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。
（3 ）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被
锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。（4 ）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档
数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子”无从下手，维修费用十分
昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。
在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果
计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于PC的NC即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完
成实时性要求高的NC核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。这种形式的开放式数控系统在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。国外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。
要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的标准。国际上一些工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规，使得控制系统软硬件与供应商无关，并且实现可移
植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面风格和可维护性以取得产品的柔性、降低产品
成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时间。这些计划包括
(a )欧共体的ESPRIT 6379 OSACA( Open System Architecture for Control with Automation Systems)计划，开始于1992年，历时6年，有由控制供应商、机床制造企业和研究机构等组成的35个成员。
(b )美国空军开展了NGC(下一代控制器)项目的研究，美国国家标准技术协会NIST在NGC的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器EMC (Enhanced Machi ne Controller )，并建立了Linux CNC实验床验证其基本方案；美国三大汽车公司联合研究了OMAC 他们联合欧洲OSACA!织和日本的JOP( Japan FA Open Systems Promotion Group ) 建立了一套国际标准的API，是一个比较实用且影响较广的标准。
(c)日本联合六大公司成立了OSEC( Ope n System En viro nment for Co ntroller )组织，
该组织讨论的重点是NC(数字控制)本身和分布式控制系统。该组织定义了开放结构和生产
系统的界面规，推进工厂自动化控制设备的国际标准。2000年，国家经贸委和机械工业局组
织进行“新一代开放式数控系统平台”的研究开发。2001年6月完成了在OSACA勺基础上
编制“开放式数控系统技术规”和建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。此外还有一些学校、企业也在进行开放式数控系统的研究开发。
开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规都是对外开放的，
由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。
2. 开放式数控系统所具有的主要特点
2.1).软件化数控系统核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本。随着计算机
性能的提高和实时操作系统的应用，软件化NC核将被广泛接受。它使得数控系统具有更大的
柔性和开放性，方便系统的重构和扩展，降低系统的成本。
数控系统的运动控制核要求有很高的实时性(伺服更新和插补周期为几十微秒?几百微秒) ，其实时性实现有两种方法：硬件实时和软件实时。在硬件实时实现上，早期DOS系统可直接
对硬中断进行编程来实现实时性，通常采用在PC上插NC I/O卡或运动控制卡。由于DOS是
单任务操作系统，非图形界面，因此在DOS下开发的数控系统功能有限，界面一般，网络功
能弱，有专有硬件，只能算是基于PC化的NC,不能算是真正的开放式数控系统，如华中I
型，航天CASNUC90系列，四开SKY系列等；Windows系统推出后，由于其不是实时系统，要达到NC的实时性，只有采用多处理器，常见的方式是在PC 上插一块基于DSP处理器的运动
控制卡，NC核实时功能由运动控制卡实现，称为PC与NC的融合。这种方式给NC功能带来了
较大的开放性，通过Windows的GUI可实现很好的人机界面，但是运动控制卡仍属于专有硬件，各厂家产品不兼容，增加成本（1-2万元），且Windows系统工作不稳定，不适合于工业
应用（WindowsNT工作较稳定）。目前大多宣称为开放式的数控系统属于这一类，如功能非常强大的MAZAK勺Mazatrol Fusion 640 ，美国A2100, Advantage 600，华中HNC-2000数控系统等。
Win dowsNT+RTX组合的应用较成功的有美国的Ope nCNC和德国的PA公司（自己开发的实时核），这两家公司均有产品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK 840Di也是一种采用NT操
作系统的单CPU的软件化数控系统。Linux和RTLinux是源代码开放的免费操作系统，发展迅猛，是我国力主发展的方向。
2.2）.数控系统与驱动和数字I/O （PLC的I/O ）连接的发展方向是现场总线。传统数控系
统驱动和PLCI/O与控制器是直接相连的，一个伺服电动机至少有11根线，当轴数和I/O点
多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长有限（一般3-5米）,扩展不易，可靠性低，维护
困难，特别是采用软件化数控核后，通常只有一个CPU控制器一般在操作面板端，离控制箱
（放置驱动器等）不能太远，给工程实现带来困难，所以一般PC数控系统多采用一体化机箱，但这又不为机床厂家和用户接受。而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连
起来，传送各种信号，以实现对伺服驱动的智能化控制。这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置，是数控系统的发展方向。
现在，在数控系统中采用的现场总线标准有PROFIBUS（传输速率12Mbps）,女口Siemens 802D等；光纤现场总线SERCO（最高为16Mbps但目前大多系统为4Mbps）,女口Indramat System2000和机电院的CH-2010/S，和利时公司也研究了SERCO接口的演示系统；CAN现场总线，如华中数控和四开的系统等，但目前基于SERCOS口PROFIBUS勺数控系统都比较贵。
而CAN总线传输速率慢，最大传输速率为1Mbps时，传输距离为40米。
3.网络化是基于网络技术的E-Manufacturing 对数控系统的必然要求。传统数控系统缺
乏统一、有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，
每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。CNC机床
作为制造自动化的底层基础设备，应该能够双向高速地传送信息，实现加工信息的共享、远
程监控、远程诊断和网络制造，基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的
网络功能，实现控制网络与数据网络的融合，实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加
工过程监控，远程制造、系统的远程诊断和升级；在网络协议方面，制造自动化协议MAP （Manufacturing Automation Protocol ）由于其标准包含容太广泛，应用层未定义，难以开
发硬件和软件，每个站需有专门的MAP硬件，价格昂贵，缺乏广泛的支持而逐渐淡出市场。
现在广为大家接受的是采用TCP/IP INTERNE■协议，美国HAAS公司的Creative Control Group
将这一以太网的数控网络称为DCN（ Direct CNC Networki ng ）。数控系统网络功能方面，日
本的MAZAK公司的Mazatrol Fusion 640 系统有很强的网络功能，可实现远程数据传输、
管理和设备故障诊断等。
3.国开放式数控系统的研究现状
我国经过“六五”、“七五”引进消化，“八五”自主开发，“九五”产业化、工程化，基本掌握了数控技术，基本形成了一支研究、开发、生产的队伍，基本具备了数控系统产品的配套能力。并根据国外相关技术的发展情况，调整到基于PC的数控系统发展方向上来，形
成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中，华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入
通用PC机构成的单机数控系统，而航天I型和兰天I型是将PC嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成PC+NC勺前后台型结构。
目前国比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种：
1）基于软件芯片的开放式数控系统
华中科技大学（原华中理工大学）提出了一种基于软件芯片（Software理工大学硕士学位论文Integrated Chip ，简称sic）的开放式数控系统的实现模式。在该模式中，通过对数控软件
的标准化与规化研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数
控软件设计成具有稳定通用的接口、可以重用的SIC,每个sic完成数控系统的一个独立模块
的功能，如插补功能由插补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个
数控系统软件芯片集成开发环境对SIC进行管理，用户可以对SIC进行检索、浏览和维护，
还可以添加新的SICOS用户在组装数控系统或进行二次开发时，可以将芯片库中检索出的sic
按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的SIC 一起组装，这样开发出的数
控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高。其局限性在于，数控软件芯片的规化和标准化设计很大程度上由芯片的划分决定，它需要严格定义，使它们具有更强的逻辑性和
更好的封装性。另外，更重要的一点是，这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用，
这种移植只能是同一种编程语言下的移植，是一种极为有限条件下的移植。
2)基于现场总线技术的开放式数控系统
现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设
备之间实时传递上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循SERCOg(serial real-time commu nicatio n specificatio n) 协议，是目前用于数字伺服而后传动数据通信的
唯一国际标准。SERCO构成一个封闭的环路，根据伺服系统和PLC的不同地址，利用插在计
算机中的SOFTSERCAN卡实现计算机与数字伺服系统之间的实时数据通信，形成一种基于现
场总线的开放式结构数控系统。但由于SERCO有三万多个参数，在SERCO参数设置方面现
在的系统大多都是使用默认值，这对于开发高速、高精度的开放式数控系统还有很大差距。
并且SERCO总、线技术较为昂贵，对于其普及应用也产生一定的不利影响。
4)国外开放式数控系统的研究现状
⑴OMAC计划
美国90年代提出NGC T—代控制器计划，并拨款1亿美元进行研究，其核心即是开放体系结
构的研究。其首要目标是开发开放式系统体系结构标准规SOSACSpecification for an Open System Architecture Standard) 用来管理I作站和机床控制器的设计和结构组织。SOSAC定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，它提出了分级式控制结构，指出了
功能性的分解；定义了虚拟机实现系统模块间的信息相互交换和相互操作；定义了
NML(NeutralManufacturing Language)语言进行制造系统中的信息传递。该计划己于1994年
完成了NGC原型研究，并己转入工业开发应用。例如美国Ford, GM和CResler等公司在NGC
计划的指导下，联合提出了OMAC(OperiModular ArchitectureController) 开发计划，提出了
系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系
统功能体系结构。该计划的目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、
降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。又如Cincinnati Milacron从1995年开始在其所生产的加工中心、铳床、车床及激光加工等设备中采用开放式
体系结构的A2100系统(应用双处理器组成，Windows NT操作系统的多任务、多过理工大学硕
士学位论文程、多功能的开放式系统)。还有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用
PC机+PMA(控制卡构成的PMAC开放式CNC系统，获得了良好的应用效果。
(2) OSACA十划：欧洲德、法、意、西等国于1990年也联合进行了“自动化系统中开放式
体系结构OSACA(Open SystemArchitecture for Control within Automation Systems)
研究。该计划于1992年5月正式为欧盟官方所接受。截止目前，OSACA十划的三个阶段的工
作全部完成。己公布的文件包括“OSACA I&II Final Report '，和“ OSACA Handbook及其
他一些文件。OSACA提出了一个“分层的系统平台+结构功能单元”的结构。系统平台由系统
硬件和系统软件组成，系统软件包含有系统的核心部分，如操作系统、通讯系统和可选的应用程序如数据库、图形系统之类。系统平台通过API (Applicati on Programmi ng In terface)
对外提供服务(Service) o OSACA 的三个主要组成部分为通讯系统(Com mun icati on System),
参考体系结构(Referenee Architecture) ，配置系统(ConfigurationSystem) 。
(3) OSEC十划：OSEC十划是日本的几个公司共同提出的。OSEC讨论的重点集中在NC(数字控制)本身和分布式控制系统上。OSEC勺开放CNC系统体系结构包括了3个功能层和七个处理层。OSEC提出了FADL(工厂自动化描述语言)和OSELQpenSystem Environment Language)加工语言，实现加工信息的标准化和制造控制系统与CAD/CAM系统之间的直接互连。国等其他国家
也都各自进行了开放式数控系统的研究。
运行于PC机上的Windows操作系统在办公自动化领域的优异表现，使其逐渐用于控制系统并发挥起独特的作用。另一方面，微处理器技术的进步使数控程序向32位方向发展的趋势
已不可逆转，而由所有Windows操作系统(Windows95/98/2000,WindowXP 和WindowsCE等)支持的Win32API在32位程序方面凸显出的优势，更增加了人们对Windows操作系统应用于开
放式数控系统的兴趣。尽管Windows操作系统在实时处理方面有不足，但以其友好的用户界
面、强大的功能、便捷的操作和广泛的应用前景受到普遍的欢迎。Windows操作系统为软件的
开发提供了丰富的应用程序接口，而且第三方软件供应商提供了众多的基于Windows平台的
开发工具，这就为数控系统软件的编写提供了强大的支撑。这样，数控软件的开发可以利用软件工程的最新思想和成果、最新的技术，来实现数控软件的开放式、模块化、很高的可靠性、很强的可维护性和很好的可扩充性。并且，在Windows下能够很轻松的设计出漂亮的人
机界面，不仅大大节省软件的开发时间，而且对于数控系统的推广和商业价值的实现是一个很好的促进。因此，开发基于Windows环境下的数控系统已成为一种发展趋势，数控系统是
否基于Windows平台已成为产品是否有竞争力的重要标准之一。
开放式数控系统的现状与发展自从世界上第一台数控机床于1958年在美国麻省工学院(MIT)出现以来的几十年的时间内，数控系统一直沿着传统的闭式结构向前发展。对用户来说,这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的。这种数控系统最大缺点在于，无论是制造商还是终端用户，在原来基础上很难或几乎不可能再加入新的控制策略方案和扩展新功能。随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善制造过程性能的需求越来越强烈，这种封闭式结构的局限性也越来越明显。为适应不断发展的现代技术和生产需求，未来的数控系统必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，以及网络通信和远程诊断等，而不必重新设计硬件和软件。 开放式数控系统的概念和特征 技术的发展，特别是汽车工业的推动，20世纪90年代开始，各发达国家争先开发开放式数控系统，并把它提高到国家战略计划的高度。开放式数控系统是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术融入数控技术的产物。根据IEEE 的定义，开放式数控系统为：一个开放式系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的平台上，具有与其他应用系统相互操作及用户交换的特点。根据IEEE的定义，开放式数控系统的特征可以概括为： (1)开放性 (2)移植性 (3)扩展性 (4)网络化 开放式数控系统的体系结构 从IEEE的定义可以看出，一个开放式的数控系统，首先应具备系统功能模块化的参考结构，并具有定义了标准协议的通信系统，使得各个功能模块能通过API来相互交换信息并相互操作。同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在运行开始还是之间都能够被灵活的配置。欧盟的OSACA 开放式体系结构的制定正符合这种要求。现介绍如下： 1.OSACA的体系结构
数控技术课大作业 专业: 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：
数控系统的国内外发展及应用现状 目录 第1章序言 第2章数控系统的发展过程和趋势 2.１数控系统的发展过程 ２.2数控系统的发展趋势 第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 ３.1 国外数控系统功能介绍与应用分析 ３.1.1 西门子ＳIＮＵＭERIＫ 840D ３．1.２ＦANUC 数控系统６ ３.２国内数控系统功能介绍与应用分析 3.２.1 华中“世纪星”数控系统 ３.2.2 广州数控GSK２7全数字总线式高档数控系统 第４章国内外数控系统比较及差距分析 4.１国内外数控系统比较 4．1.1 西门子公司数控系统(ＳIEMENＳ)的产品特点 ４.1.２ FAＮＵＣ公司数控系统的产品特点 ４.2 我国数控系统与国外数控系统的差距 参考文献
第一章序言 数控即数字控制(Nｕｍeriｃal Conｔrol，ＮC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 数控机床,简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示,把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动,从而加工出所需要的工件。 因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。 第二章数控系统的发展过程和趋势 ２．1数控系统的发展过程 1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1９52年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此,传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控(NC)阶段 (1952－1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路＂搭"成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控，简称为数控(NC）。随着元器件的发展,这个阶段历经了三代,即1９５2年第一代——电子管;1959年第二代——晶体管；1965年第三代——小规模集成电路。 ２．计算机数控 (CＮC）阶段(1９70——现在)到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比五、六十年代有了大幅度的提高,这比专门"搭"成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CＮC)阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。到1971年美国lintel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处器，又可称中央处理单元(简称CPＵ)。到19７４年微处理器被应用于数控系统。由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为仿计算机数控。到了19９0年,PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可满足作为数控系统核心部件的要求，而且ＰＣ机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于ＰC的阶段。总之,计算机数控阶段也经历了三代。即1９７0年第四代——小型计算机;19７4年第五代——微处理器和１990年第六代——基于ＰC的阶段(国外称为PＣ-BAＳED)。必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后,才从根本上解决了可靠性低,价格极为昂贵,应用很不方便等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家,数控机床大规模地得到应用和普及，是在七十年代未八十年代初以后的事情,也即数控技术经过近三十年
FANUC 数控系统简介 一、FANUC数控系统的发展 FANUC 公司创建于1956年，1959年首先推出了电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统。进入70年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了飞速发展，FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品，一方面从GETTES公司引进直流伺服电机制造技术。1976年FANUC公司研制成功数控系统5，随时后又与SIEMENS 公司联合研制了具有先进水平的数控系统7，从这时起，FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，产品日新月异，年年翻新。 1979年研制出数控系统6，它是具备一般功能和部分高级功能的中档CNC 系统，6M适合于铣床和加工中心；6T适合于车床。与过去机型比较，使用了大容量磁泡存储器，专用于大规模集成电路，元件总数减少了30%。它还备有用户自己制作的特有变量型子程序的用户宏程序。 1980年在系统6的基础上同时向抵挡和高档两个方向发展，研制了系统3和系统9。系统3是在系统6的基础上简化而形成的，体积小，成本低，容易组成机电一体化系统，适用于小型、廉价的机床。系统9是在系统6的基础上强化而形成的具备有高级性能的可变软件型CNC系统。通过变换软件可适应任何不同用途，尤其适合于加工复杂而昂贵的航空部件、要求高度可靠的多轴联动重型数控机床。 1984年FANUC公司又推出新型系列产品数控10系统、11系统和12系统。该系列产品在硬件方面做了较大改进，凡是能够集成的都作成大规模集成电路，其中包含了8000个门电路的专用大规模集成电路芯片有3种，其引出脚竟多达179个，另外的专用大规模集成电路芯片有4种，厚膜电路芯片22种；还有32位的高速处理器、4兆比特的磁泡存储器等，元件数比前期同类产品又减少30%。由于该系列采用了光导纤维技术，使过去在数控装置与机床以及控制面板之间的几百根电缆大幅度减少，提高了抗干扰性和可靠性。该系统在DNC方面能够实现主计算机与机床、工作台、机械手、搬运车等之间的各类数据的双向传送。它的PLC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路，能促使强电柜的半导体化。此外PLC的编程不仅可以使用梯形图语言，还可以使用PASCAL语言，便于用户自己开发软件。数控系统10、11、12还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理、彩色图形显示CRT 等。 1985年FANUC公司又推出了数控系统0，它的目标是体积小、价格代，适用于机电一体化的小型机床，因此它与适用于中、大型的系统10、11、12一起组成了这一时期的全新系列产品。在硬件组成以最少的元件数量发挥最高的效能为宗旨，采用了最新型高速高集成度处理器，共有专用大规模集成电路芯片6种，其中4种为低功耗CMOS专用大规模集成电路，专用的厚膜电路3种。三
开放式数控系统概述 １.传统的数控系统存在的问题 标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系统,软硬件对用户都是封闭的,主要存在以下问题: （１）由于传统数控系统的封闭性,各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁,购买成本和产品生命周期内的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的ＰC技术而升级。 （２）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验,不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展,也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。 (3）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”,对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。 (4）传统数控系统人机界面不灵活,系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档数控设备,面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识,购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子” 无从下手,维修费用十分昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态,花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。 在计算机技术飞速发展的今天,商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向
《电器控制技术》教案 第七章数控机床的控制系统概述 学习目的： 1．什么是数控技术、数控系统和数控机床，数控系统对机床的控制包括哪几方面？ 2．数控机床控制系统组成有哪些，他们的作用各是什么？ 3．数控机床的控制方式有几种，各有什么特点？ 4．数控机床的接口有几类，他们的接口规范是什么？ 第一节数控机床的控制系统 一、数字控制技术简介 1．数字控制技术 数字控制（Numerical Control）技术，简称数控技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。 数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于其它设备的控制，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备。 2．数控系统和数控机床 用数字控制技术实现自动控制的系统称为数控系统。数控系统中的控制信息是数字量，其硬件基础是数字逻辑电路。 最初数控系统是由数字逻辑电路构成的，所以也成为硬件数控系统。 现代数控系统采用存储程序的专用计算机或通用计算机来实现部分或全部基本数控功能，所以成为计算机数控系统（Comouter Numerical Control），简称CNC 系统。计算机数控系统是在硬件和软件共同作用下完成数控任务的，具有真正的“柔性”。 数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。 顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。 数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。 数控系统与机床的有机结合称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控加工中心等。 数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电力拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。 二、数控机床控制系统的组成 1 《电器控制技术》教案
LabVIEW在开放式数控系统G代码解析中的应用 以三轴运动器作为平台，用LabVIEW将数控系统中的代码提取并进行分析，确定了插补的方式并选择了相应的函数类型，最终发送指令至控制卡。 标签：三轴运动平台；LabVIEW；开放式数控系统 0 引言 开放式数控系统它具备高开放性、低成本、易升级扩展以及可以引入最新的计算机软硬件技术等优点。由于底层运动控制卡并不能识别G代码，所以需要用LabVIEW程序进行解析，而其中选择插补的方式又分为三种，本文重点对其中的两种进行讨论及总结，具体阐述了两种插补的算法，比较得其优劣。 1 开放式数控系统的硬件结构 1.1 三轴运动平台 三轴运动平台分主要由运动轴、伺服电机、限位开关、电器柜和工作平台组成，如图1所示。 1.2 运动控制卡 运动控制卡是三轴运动平台实现速度和位置控制的关键硬件，由三轴运动平台可知，该平台采用3个伺服电机来控制三轴运动，因此运动控制卡应选用三轴以上的。运动控制卡实物图如图2所示。 2 G代码的提取与解析 2.1 程序流程图 本程序的设计理念，首先打开文本对参数进行逐行读取，之后进行线段类型的判断，将读取的轨迹参数分为直线控制及圆弧控制，最后发送至运动控制卡。程序流程图如图3所示。 2.2 LabVIEW程序图 如图4所示，先将硬盘中预先写好的文本打开读取文本中的参数，进入for 循环结构提取文本中的代码，直至文本中的代码提取完毕。提取代码时用到“匹配模式”，图中用到了6个相应函数，提取到的代码分别放入四个数组中，分别是原文本文件，G与X之间，X与Y之间，Y之后，和R数组。 在后台中完成了G代码的提取，在LabVIEW的前显示面板如图5所示。
数控技术课大作业 专业： 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：
数控系统的国内外发展及应用现状 目录 第1章序言 第2章数控系统的发展过程和趋势 2.1数控系统的发展过程 2.2数控系统的发展趋势 第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 3.1 国外数控系统功能介绍与应用分析 3.1.1 西门子SINUMERIK 840D 3.1.2 FANUC 数控系统6 3.2 国内数控系统功能介绍与应用分析 3.2.1 华中“世纪星”数控系统 3.2.2 广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统
第4章国内外数控系统比较及差距分析 4.1 国内外数控系统比较 4.1.1 西门子公司数控系统(SIEMENS)的产品特点 4.1.2 FANUC公司数控系统的产品特点 4.2 我国数控系统与国外数控系统的差距 参考文献 第一章序言 数控即数字控制(Numerical Control，NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。 因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是
现代制造业的关键设备。 第二章数控系统的发展过程和趋势 2．1数控系统的发展过程 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控(NC)阶段 (1952-1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控(NC)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年第一代——电子管;1959年第二代——晶体管;1965年第三代——小规模集成电路。 2.计算机数控 (CNC)阶段(1970——现在)到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比五、六十年代有了大幅度的提高，这比专门"搭"成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。到1971年美国lintel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微
开放式数控 现在国际上公认的开放式体系结构应具有四个特点：相互操作性、可移植性、可缩放性、可互换性。 1. 相互操作性（Interoperability） 相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台上，相互之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特性要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。随着制造技术的不断发展，CNC也正朝着信息集成的方向发展。CNC系统不但应能和不同系统彼此互连，实施正确有效的信息互通，同时应在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作，因此要求不同的应用模块能相互操作，协调工作。 2. 可移植性（Portability） 可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系统平台之上。可移植性应用于CNC系统，其目的是为了解决软件公用问题。要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即 通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制 要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交互机制 具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低 在应用软件的开发过程中，重复投入费用也可降低。 可移植性也包括对用户的适应性，要求CNC系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控制器的操作，即可适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的使用重新进行费时费力的培训。 3. 可缩放性（Scalability） 可缩放性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。不是所有的场合都需要CNC系统具备复杂且完善的数控功能，在这种情况下，厂家没有必要购买不适于加工产品的复杂数控系统。因为可缩放性使得CNC系统的功能和规模变得极其灵活，既可以增加配件或软件以构成功能更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应简单加工场合。同时，同一软件既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该系统的高档硬件配置上应用。可缩放性使得用户可以灵活改变CNC系统的应用场合，一台控制器可以使用于多种类加工设备的控制上。 4. 相互替代性（Interchangeability） 相互替代性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代。而不影响系统的协调运行。有了相互替代性，构成开放体系结构的数控系统就不受唯一供应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源。
数控系统的发展趋势 开放式数控系统 林金兰 (莆田学院电子信息系,福建莆田351100) 摘要:开放式数控系统是当今数控技术发展的主流。在分析传统数控系统封闭体系结构固有不足的基础上,介绍了开放式数控系统的产生的背景、特点,论述了开放式数控系统的现状和发展趋势,归纳了开放式数控系统研究的主要形式,指出了开展开放式数控研究对国产数控技术进步的重要意义。 关键词:开放性体系结构;数控系统;个人计算机 0 引言 数控技术从1956年至今,大致经历了4个阶段: 1956~1974年,专用硬件NC的时代;1975~1989年,专用计算机数控时代;1990~1995年,基于PC的CNC时代;1996年至今,开始全PC开放式智能化数控新阶段。前3个阶段的NC装置存在着以下局限性:由于计算机的落后,通用CPU的性能不能满足数控系统的实时性要求,必须设计专用的新芯片及其他硬件电路,因此世界各数控系统生产商都设计了自己的专用硬件系统和软件系统。这种封闭式结构使数控系统的开发成本极高,开发周期很长,升级困难,可靠性、可扩展性、可维护性和易用性差,二次开发困难[1]。为解决封闭式结构数控系统所存在的问题,近年来,西方一些发达国家相继提出开放式体系结构数控系统的开发,并逐渐出现了以开放性数控系统取代以往专用数控系统的趋势。目前,各发达国家都在竞相发展自己的开放式体系结构的数控系统,如美国的下一代工作站/机床控制器体系结构!NGC(The Ne xt Ge nerationWork-station/Machine Control);欧洲的自动化系统中开放式体系结构!OSACA(Open Sys te m Architec ture for Control Within Automation Systems);日本的OSEC(Open System Environment for Controller)等。我国国家计委和科技部在99年7月14日发布的?当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南#中制造技术中的第一项即为适用先进的数控机床及开放式数控系统!,开放式数控系统已经应用于机械加工领域。 1 开放式数控系统产生的背景 随着数控技术的不断往前发展,数控系统的发展进入到了普及和应用的成熟期,传统的数控系统也变得越来越复杂,其自身的缺陷又限制了它的应用,因为传统的数控系统一直沿着闭式结构向前发展,都是基于缺乏灵活性的、专用设计的基础上完成的,是一种没有共同性和标准接口的封闭式系统。这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子,其内部细节是不可知的,它的最大缺点是在原来基础上很难或几乎不可能再加入新的控制策略方案和扩展新功能。传统的封闭式数控系统已不能适应当今制造业市场变化与竞争,也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要[2]。 当前,数控系统正发生根本性的变革,由专用型封闭开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。随着技术、市场、生产结构等的快速变化,人们对数控技术提出了更高的要求,希望能根据不同的加工需求、迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统,逐步降低生产厂家对控制系统的高依赖性;大幅度降低维护和培训费用,改变以往数控系统封闭性设计模式,适应未来车间面向任务和订单的生产组织模式,使底层生产控制系统的集成更为简便和有效[3]。因此,开放式数控系统(Open Number Control Systerm简称ONC)应运而生。 2 开放式数控系统的概念 参照IEEE对开放式系统的规定,我们认为:一个真正意义上的开放式NC必须提供不同应用程序运行于系统平台之上的能力;提供面向功能的动态重组工具;提供统一、标准化的应用程序用户界面。ONC 既有接口的开放性一面,又有自身功能开放性问题。 ONC具有以下特点:(1)开放性。提供标准化环境的基础平台,允许不同功能的模块介入;(2)移植性。不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台,同时系统软件也可运行于不同特性的硬件平台之上;(3)扩展性。其功能的增减只需功能模块的装卸;(4)替代性。性能和可靠性不同的功能模块可代替,并且不影响系统的正常协调运行;(5)操作性。拥有标准化接口,通信和交互模型。因此,ONC 从一个全新的角度分析和实现了数控系统的控制功能,强调向模块化、平台化、工具化和标准化发展。 3 开放式数控系统的发展途径 PC-NC(个人计算机数控)是开放式数控系统的主要发展途径,大致分为两种:(1)以NC为主,加PC有关部分;(2)PC为基体,加上NC系统主要控制部分。PC-NC主要有三种形态:(1)NC板插入PC中,(2)PC板插入NC装置中,(3)软件NC。这三种形态各有优缺点,目前均广泛使用。但以PC代替NC是一个发展方向。 4 开放式数控系统的现状及发展趋势 (1)美国ONC概况 美国把开放式NC称为开放型控制器!(OAC-
第四章计算机数控系统（CNC系统） 第一节概述 一、CNC系统的组成 CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、存储器（ROM/RAM）、输入输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图4-1所示为CNC系统的一般结构框图。 图4-1 CNC系统的结构框图 在图4-1中所示的整个计算机数控系统的结构框图，数控系统主要是指图中的CNC控制器。CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接口构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者处理机床轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。 三、CNC系统的功能和一般工作过程 （一）CNC系统的功能 CNC系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。 1. 控制功能 CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三2轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，轴控制、三轴联动或21 要求CNC系统的功能就越强，同时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。 2. 准备功能准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。 3. 插补功能 CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU 时间。因此，CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补，插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。 4. 进给功能根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。 （1）切削进给速度以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对于回转轴，表示每分钟进给的角度。 （2）同步进给速度以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。 （3）进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0~200%之间变化，每档间隔10%。使用倍率开关不用
开放式数控系统概述 1. 传统的数控系统存在的问题 标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系 统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题： （1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流 技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。 （2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床 生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。 （3 ）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被 锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。（4 ）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档 数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子”无从下手，维修费用十分 昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。 在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果 计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于PC的NC即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完 成实时性要求高的NC核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。这种形式的开放式数控系统在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。国外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。 要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的标准。国际上一些工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规，使得控制系统软硬件与供应商无关，并且实现可移
数控插补多轴运动控制系统解剖实验 实验学时：8 实验类型：独立授课实验 实验要求：必修 一、实验目的 1、通过本实验使学生掌握数控插补多轴控制装置的基本工作原理； 2、根据常用低压电器原理分析各运动控制电气元件的应用原理，分析数控插补运 动实现的控制原理； 3、根据机电一体化产品的设计要求和设计流程进行运动控制系统的功能分析、机 械结构分析、控制系统分析以及相关传感器选型等方面的设计内容。 本实验以数控插补多轴运动控制系统为具体对象，使学生掌握机电一体化产品设计和开发的技术流程和主要内容，通过运动控制系统的实现过程掌握常用电气元件识别和原理、数控插补原理、位置伺服控制系统等的设计和实现方式。 二、实验内容 1、通过数控插补多轴控制装置及其相关系统的测试和观察，分析数控插补的工作 原理； 2、分析系统的功能、机械结构分析、运动关系以及相关传感器等，分析其相关的 机械结构、电机及其驱动模块和传感反馈环节等； 3、根据常用低压电器原理，分析系统各运动控制电气元件的应用原理，分析数控 插补运动过程实现的控制原理，并绘制相关的控制原理图和系统连接图。 三、实验设备 1、多轴运动控制系统一套（含电控箱） 2、PC机一台 3、GT-400-SG-PCI 卡一块（插在 PC机内部） 四、实验原理
该数控插补多轴运动控制系统是依据开放式数控系统原理构建的，其以通用计算机（PC）的硬件和软件为基础，采用模块化、层次化的体系结构，能通过各种形式向外提供统一应用程序接口的系统。开放式数控系统可分为 3类：（1）CNC 在 PC 中；（2）PC作为前端，CNC作为后端；（3）单 PC，双 CPU平台。 本实验采用第一类，把顾高公司的 GT-400-SG-PCI 多轴运动控制卡插入PC机的插槽中，实现电机的运动控制，完成多轴运动控制系统的控制。其优点如下：（1）成本低，采用标准 PC机；（2）开放性好，用户可自定义软件；（3）界面比传统的 CNC 友好。 图1为该系统的硬件构成图，运动平台机械本体采用模块化拼装，主要由普通PC机、电控箱、运动控制卡、伺服（步进）电机及相关软件组成。其主体由两个直线运动单元（GX系列）组成。每个GX系列直线运动单元主要包括：工作台面、滚珠丝杆、导轨、轴承座、基座等部分，其结构见图2。伺服型电控箱内装有交流伺服驱动器，开关电源，断路器，接触器，运动控制器端子板，按钮开关等。步进型电控箱则装有步进电机驱动器，开关电源，运动控制器端子板，船形开关等。 图1 数控插补多轴控制系统硬件构成
数控技术的发展及国内外现状 数控技术的发展及国内外现状 摘要：数控技术（Numerical Contrl）是一种采用计算机对生产过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。本文对数控技术的发展经行了研究，并比较对比了国内外数控技术的发展现状，对国内数控未来的发展提出了建议。 关键词：数控技术；发展；国内外现状 数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通信技术和光、电技术于一体的现代制造业的基础技术。它具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。数控技术是制造自动化的基础，是现代制造装备的灵魂核心，是国家工业和国防工业现代化的重要手段，关系到国家战略地位，体现国家综合国力水平，其水平的高低和数控装备拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。 1.数控技术的发展概述 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。1949年，该公司与美国麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（ MC Machining Center），使数控装置进入了第二代。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机
数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。从1952年美国麻省理工学院研制出第1台实验性数控系统，到现在已走过了半个世纪。数控系统也由当初的电子管式起步，发展到了今天的开放式数控系统。中高档数控系统的需求也越来越大。以往中高档数控系统基本被国外厂商占领，因此我国中高档数控系统技术必须加快发展。 一、国外数控系统现状 在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。国外的主要数控系统制造商有西门子、发那克、三菱电机、海德汉、博世力士乐、日本大隈等。 1.纳米插补与控制技术已走向实用阶段 纳米插补将产生的以纳米为单位的指令提供给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工表面的平滑性。将“纳米插补”应用于所有插补之后，可实现纳米级别的高质量加工。除了伺服控制外，“纳米插补”也可以用于Cs轴轮廓控制；刚性攻螺纹等主轴功能。西门子的828D所独有的80bit浮点计算精度，可使插补达到很高的轮廓控制精度；三菱公司的M700V 系列的数控系统也可实现纳米级插补。 2.机器人使用广泛 未来机床的功能不仅局限于简单的加工，而且还具有一定自主完成复杂任务的能力。机器人作为数控系统的一个重要应用领域，其技术和产品近年来得到快速发展。机器人的应用领域延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域，从传统的减轻劳动强度的繁重工种，发展到IC封装、视觉跟踪及颜色分检等领域，大大提高了数控机床的工作效率。典型的产品有德国的KUKA，FANUC公司的M-1iA、M-2000iA、M-710ic。 3.智能化加工不断扩展 随着计算机领域中人工智能的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度也得到不断提高。应用自适应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息，并自动调整系统中的相关参数，改进系统的运行状态；车间内的加工监测与管理可实时获取数控机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床状态，使相关维护提前，避免事故发生。先进的伺服控制技术能通过自动识别由切削力导致的振动，产生反向的作用力，消除振动。应用主轴振动控制技术，在主轴嵌入位移传感器，机床可以自动识别当前的切削状态，一旦切削不稳定，机床会自动调整切削参数，保证加工的稳定性。 4.CAD/CAM技术的应用 当前，为了使数控机床操作者更加便利地编制数控加工程序，解决复杂曲面的编程问题，国际数控系统制造商将图形化、集成化的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机互动性的主要途径。最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床加工提供了有力的支持，可以大幅地提高加工效率。ESPRIT、CIMATRON 等一些著名CAM软件公司的产品除了具备传统的CAM软件功能模块，还开发了多任务编程、对加工过程的动态仿真等新的功能模块。 二、国内数控系统现状 随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。
开放式数控系统概述 1.传统的数控系统存在的问题 标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题： （1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期内的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。 （2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。 （3）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。 （4）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子” 无从下手，维修费用十分昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。 在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完成实时性要求高的NC内核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。这种形式的开放式数控系统在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。国内外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。
开放式数控系统应用举例 本章将通过对NC嵌入PC的典型范例－PMAC运动控制卡及其应用的介绍，使读者对开放式数控系统有一个初步的了解。 开放式数控系统的应用 6.1.1 PMAC开放式运动控制卡 PMAC全称可编程多轴控制器（Programmable Multi-Axis Controller），是美国Delta Tau Data Systems 公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器。它集运动控制和PLC控制于一体，具有优秀的插补计算、伺服和I/O接口等实时控制能力，最多可控制32轴（Turbo PMAC）。板上的MACRO接口允许将诸多的PMAC卡联成环形网进行控制。它支持多种总线规范（ISA、PCI、VME和STD），同一控制软件可以不同的总线上运行，从而提供了多平台支持特性。PMAC还支持多种电机（如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机，直线电机等）和检测反馈元件（增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等）。PMAC以Motorola 56000系列 DSP为CPU，板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个2×40的字符液晶显示器。此卡本身就是一个NC系统可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统，其硬件结构如图6-1-1所示，表6-1-1为PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标。 图6-1-1 PMAC开放式运动控制卡 表6-1-1 PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标
表6-1-1 开放式运动控制器的主要技术性能指标 6.1.2 KT560-T开放式车床数控系统 T560_T开放式车床数控系统由PMAC-LITE四轴运动控制卡和工业控制计算机组成，它的软件分为上位机（PC）和下位机（PMAC）两部分。上位机主要完成系统的管理功能，如人机界面的实现，加工状态显示，仿真的实现，参数编辑，参数配置，程序文件编辑，端口状态监测和故障的诊断等工作。下位机的软件主要是实现机床的运动控制与信号的逻辑控制。PTALK部分为上位机与下位机的通信模块。其结构如图6-1-2所示。
数控系统的国内外发展 及应用现状
数控技术课大作业 专业： 学号： 学生： 指导教师： 完成日期：
数控系统的国内外发展及应用现状 目录 第1章序言 第2章数控系统的发展过程和趋势 2.1数控系统的发展过程 2.2数控系统的发展趋势 第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 3.1 国外数控系统功能介绍与应用分析 3.1.1 西门子SINUMERIK 840D 3.1.2 FANUC 数控系统6 3.2 国内数控系统功能介绍与应用分析 3.2.1 华中“世纪星”数控系统 3.2.2 广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统 第4章国内外数控系统比较及差距分析 4.1 国内外数控系统比较 4.1.1 西门子公司数控系统(SIEMENS)的产品特点 4.1.2 FANUC公司数控系统的产品特点 4.2 我国数控系统与国外数控系统的差距 参考文献
第一章序言 数控即数字控制(Numerical Control，NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。 因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。 第二章数控系统的发展过程和趋势 2．1数控系统的发展过程 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.数控(NC)阶段 (1952-1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控