现代计算机技术在高端数控系统中的应用

数控系统是泛指应用在各种制造装备上的数字化的控制器。高端数控系统是依据工业标准的，基于现代计算机软硬件平台的，融合了运动控制技术和逻辑控制技术的自动化控制装置，是集成机械电子、自动化、计算机、通讯等多工程技术学科的高技术产品。数控系统相关技术是支持现代装备制造业的关键技术群，直接决定制造装备的功能和性能，是信息化带动工业化进程中装备层的关键技术群，属于支持工业化重要基础技术群。 数控系统的发展初期几乎是计算机技术发展是平行线，早期的数控系统称为NC (Numerical Control) ，是从数字逻辑原理出发，历经了电子管时代和晶体管时代，实质上是专用的轨迹控制处理器。伴随着计算机的小型化和制造成本的降低，数控技术开始以通用计算机为基础进入了计算机数控时代，即通常所说的CNC（Computerized Numerical Control）。纵观数控系统近20年的技术发展，现代计算机技术提供了非常重要的支持。现代计算机技术对高端数控系统技术路线的影响主要可以概括为以下几个方面： 1． 现代计算机技术为高端数控系统提供了高性能价格比的软硬件平台支持。 数控系统以控制装备的各运动装置协同运动以及辅助装置准确的逻辑控制为目标。这些控制任务需要严格周期性的高频度的计算。除了这些基本的计算任务，控制器还需要人机交互等辅助操作。因此数控系统需要具有实时多任务计算平台的支持。近十年来，随着现代半导体技术的飞速发展，新型的高性能的中央处理器（CPU）为数控系统提供了强大运算能力的支持。同时日趋成熟的现代计算机体系结构，直接为数控系统的外设管理和其他控制装置的接入提供了技术标准。特别是工业PC机的广泛应用为数控系统提供了高性能价格比的硬件平台。目前许多世界知名的高端控制器产品都采用或部分采用PC技术标准。包括西门子、力士乐、海德汉等。PC技术标准不仅提供了硬件资源同时还提供了丰富的软件资源。另一方面实时操作系统为数控系统实时多计算任务提供了重要的软件平台支持，包括VxWorks， ucOS，RtOS，RtLinux等等都有在数控系统中成功应用的范例。利用实时操作系统，极大地简化了数控系统的软件的开发过程，简化了数控系统对人机交互系统，文件管理，内存管理、外设管理和任务管理等相关功能的开发。 2．现代计算机通信技术为高端数控系统网络化奠定了基础。 生产系统的网络化是全球化经济形势下制造全球化的现实需求，也是先进制造技术发展的重要趋势。数控系统作为制造系统的底层信息处理中心，是整个生产系统网络中重要的信息交互的枢纽。基于现代计算机通信技术，高端数控系统大多实现底层网络和上层网络，完成基础制造信息的交互。底层网络是指基于现场总线技术的数控系统区伺服驱动装置以及智能I/O模块间的互连网络。目前流行的现场总线包括CAN, PROFIBUS, PowerLink, SERCOS,工业以太网。上层网络主要实现高端数控系统与车间工作站以及办公自动化网络的接入。值得注意的是工业现场总线中许多标准在向以太网标准靠拢，很可能在将来底层网络和上层网络均采用以太网标准。 3．现代计算机软件开放化技术为高端数控系统的开放化提供了直接有效的技术手段。 从工业化在20世纪的发展历程可以看到，20世纪的前半叶，机械自动化生产在两次世界大战的洗礼下，得到飞速的发展。这种发展曾经为两次世界大战提供飞机和坦克，也为战后的以汽车文明为代表的工业文明做出了贡献。正是这种工业化文明自身进步，给装备制造提出了新的需求。一方面，随着军用领域和民用领域更多技术的实用化，复杂零件成为设计者无法回避的问题，特别是在航空航天领域，核工业领域。另一方面，人们需要在制造批量和制造成本间寻求新的平衡，市场最终会偏爱那些能够更快地响应顾客不断变化的需求和品味的产品。这是以数控技术为基础的柔性制造技术发展的重要的原动力。高端数控系统的开放化技术旨在基于数控系统模块化设计技术，实现易于扩展的，易于不同供应商控制组件互换的，易于实现控制器类型的多样化的数控系统体系结构。美国90年代初的NGC计划提出了数控系统开放化的理念，并首次提出了开放式系统结构软件模型。欧洲90年代中后期的OSACA计划实践了开放式控制器理念，并自行建立了数控系统软件信息互连和封装的标准。但很遗憾，OSACA计划实施过程正是计算机软件中间件技术飞速发展，并趋于标准化的时期。OSACA计划执行完毕产生的软件技术手段已经落后于计算机软件技术领域的发展了，该计划也就无结而终了。国内外有多家研究机构采用CORBA和COM技术构建高端控制器开放式体系结构都取得了有价值的成果。虽然目前真正意义的开放式控制器尚未见诸于产品，但相信在现代计算机软件开放化技术的支持下，高端控制器的开放化进程将不断取得新的进展。 4．现代计算机软件工程技术为高端数控的可靠性提供支持 随着数控系统硬件与工业计算机系统的趋同，数控系统的功能正在面临“软化”的趋势，即越来越多的数控系统功能通过软件实现。现代计算机软件工程技术为数控系统的模块化设计和系统测试提供理论支持。在现代软件工程技术的指导下，数控系统软件从面向计算过程的结构化设计向面向对象模型的组件化设计转变。这种转变降低了软件系统中各模块的耦合程度，便于软件的工程化开发和测试，以及整个软件系统的局部升级，增强了软件生命周期内的适应性。通过工程化的软件测试，大幅度地提升了数控软件的可靠性，从而为提升整个数控系统可靠性提供了有力的支持。 综上所述，现代计算机技术在近20年来全面影响了高端数控系统的技术路线。现代计算机技术是实现高端数控系统的技术进步和性能提升重要技术支持，直接支持数控技术竞争的热点。 1． 计算机可编程技术为拓展高端数控系统的应用提供了可行的解决方案。 高端数控系统区别于其他的控制装置，可编程是重要的技术特征。高效率的运动描述语言和逻辑描述语言编译技术和执行引擎将是高端数控系统拓展系统应用关键技术。内嵌在高端数控系统中符合IEC61131-3标准的可编程逻辑控制器已经成为高端数控系统的重要特征。在逻辑可编程语言日趋统一的趋势下，已经形成国际标准的G代码形式的运动可编程语言的弊端日趋明显。目前，新的加工描述语言国际标准Step-NC还未被控制器厂商广泛支持，而各种控制器厂商推出的各具特色的运动可编程语言正在成为新的竞争热点。不论Step-NC的实现还是其它的运动可编程系统的实施都需要现代编译技术的支持。 2． 计算机信号处理技术是高端数控系统性能提升重要技术支持。 高端数控系统在控制性能上竞争是始终伴随着数控技术发展的重要技术竞争的方向。高精度的运动控制技术已经不只是运算精度的竞争了，各种高端数控系统都大量接入包括位置传感器、电流传感器等信息感知装置，通过外部信息的采集和数据处理，利用自动控制技术实现高精度的补偿和控制。基于现代计算技术的数字化信号采集和处理技术，实现高端数控系统外部信息的采集和信号处理，包括采用计算机仿真技术建立控制对象模型。上述技术都是高端控制器提升控制精度的重要技术手段。 3．人工智能技术将高端数控技术带入新的历史阶段。 传统数控系统仅将多坐标协同运动控制作为最主要的控制任务，按照用户输入的运动控制程序，最终完成工艺过程。在上述过程中，除了体现操作者意愿的运动轨迹程序，就没有其它更智慧的控制过程。可编程逻辑控制器的应用部分地改善了上述过程。预先设定的逻辑过程承担了工艺过程的大部分辅助功能和安全相关的逻辑控制。仅具有上述控制能力远不能使控制器实现对操作者替代。而现实的工艺过程中存在大量的需要进行智能化感知、决策、经验学习、修订决策依据的情况。为了更大程度地实现自动化，实现对劳动者的解放，高端控制器将不断地向智能化控制的方向进步。在此过程中人工智能技术将成为改进程序化控制的重要技术手段。目前有些高端数控系统已经在切削用量的自动生成技术、故障诊断和计划任务调度方面成功应用了某些人工智能技术，相信人工智能技术将高端数控技术带入新的历史阶段。 结论 强化现代计算机技术的应用，促进高端数控技术创新。高端数控系统是集成了机械电子、自动化、计算机、通讯等多工程技术学科的高技术产品。高端数控系统技术进步的需求首先是来源于生产实际的需求，现代计算机技术确实为高端数控相关技术提供了技术创新的支持条件。近20年来数控系统技术进步的轨迹已经证明现代计算机技术应用的重要作用，当前的数控技术竞争的热点也能看到现代计算机技术的推动作用。因此我们在高端数控系统的研究工作中更应当充分借鉴计算机技术领域的成熟技术，促进高端数控系统的技术创新，缩短我们在数控系统技术领域与国际先进水平的差距。 参考文献： [1] 李佳特.FANUC的伺服驱动装置.世界制造技术与装备市场.2005.2：94 [2] FANUC Series 16/18/160/180-MC operator’s manual B-62764EN/01 [3] SINUMERIK 840D/840Di/SINUMERIK 810D Basic Machine (Part 1) 11/2002 Edition [4] SINUMERIK 840D/840Di/SINUMERIK 810D Extended Functions(Part 2) 11/2002 Edition [5] SINUMERIK 840D/840Di SINUMERIK 810D (CCU2)Special Functions 11/2002 Edition [6] SIMODRIVE 611 digital/SINUMERIK 840D/810D Drive Functions 11/2002 Edition