工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)的作用，工業(yè)控制自動(dòng)化

來(lái)源：整理時(shí)間：2023-04-26 05:12:51 編輯：智能門(mén)戶(hù) 手機(jī)版

1，工業(yè)控制自動(dòng)化

工業(yè)控制自動(dòng)化主要包含三個(gè)層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，其核心是基礎(chǔ)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無(wú)線相結(jié)合方向發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了“基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器”的全新概念。這種基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)無(wú)線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、移動(dòng)機(jī)器人以及各種自動(dòng)化設(shè)備之間的通信提供高帶寬的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進(jìn)一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能。儀器儀表技術(shù)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展根據(jù)儀器儀表行業(yè)的預(yù)測(cè)，“十五”期間我國(guó)儀器儀表市場(chǎng)大致是：2002年1628億元；2003年1790億元；2004年1969億元；2005年2165億元。五年間，平均年市場(chǎng)容量為1806億元，其中工業(yè)自動(dòng)化儀表和控制系統(tǒng)占41%、科學(xué)測(cè)試儀器占25%、醫(yī)療儀器占17%、其他占17%，平均年增長(zhǎng)率將不會(huì)低于10%。今后儀器儀表技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：儀器儀表向智能化方向發(fā)展，將產(chǎn)生智能儀器儀表；測(cè)控設(shè)備PC化，虛擬儀器技術(shù)將迅速發(fā)展；儀器儀表網(wǎng)絡(luò)化，將產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)儀器與遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。

從專(zhuān)業(yè)上講: 就是工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)為控制目的，實(shí)現(xiàn)各種過(guò)程控制 . 從社會(huì)學(xué)上來(lái)講: 在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中,盡量減少人力的操作,而能充分利用動(dòng)物以外的能源與各種資訊來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)工作,即稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn),而使工業(yè)能進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)之過(guò)程稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化。當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化控制的主要以微機(jī)控制為主，依附于電子與通訊行業(yè)的發(fā)展。典型控制模式: 計(jì)算機(jī)(人工干預(yù)與監(jiān)測(cè))<===通訊網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)在多數(shù)用tcp/ip）===>工業(yè)控制器（目前以plc和dcs為主。實(shí)現(xiàn)邏輯控制與模擬運(yùn)算，比計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)控制）<===通訊網(wǎng)絡(luò)（分為串行和并行，在dcs中以串行為主，在小型plc中以并行為主，在大中型plc串并結(jié)合。串行多采用rs485或改進(jìn)型rs485為主，穩(wěn)定性高）===>io模塊（實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換）<===電纜連接（智能儀表中也有用通訊方式連接的）===>儀器儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)<=====>受控對(duì)象（生產(chǎn)線或生產(chǎn)設(shè)備）

工業(yè)自動(dòng)化就是工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)為控制目的，實(shí)現(xiàn)各種過(guò)程控制，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中，盡量減少人力的操作，而能充分利用動(dòng)物以外的能源與各種資訊來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)工作，即稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，而使工業(yè)能進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)之過(guò)程稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化。　　工業(yè)自動(dòng)化是機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程在不需要人工直接干預(yù)的情況下，按預(yù)期的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、操縱等信息處理和過(guò)程控制的統(tǒng)稱(chēng)。自動(dòng)化技術(shù)就是探索和研究實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程的方法和技術(shù)。它是涉及機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)領(lǐng)域的一門(mén)綜合性技術(shù)。工業(yè)革命是自動(dòng)化技術(shù)的助產(chǎn)士。正是由于工業(yè)革命的需要，自動(dòng)化技術(shù)才沖破了卵殼，得到了蓬勃發(fā)展。同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)也促進(jìn)了工業(yè)的進(jìn)步，如今自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、電力、建筑、交通運(yùn)輸、信息技術(shù)等領(lǐng)域，成為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的主要手段。

工業(yè)控制自動(dòng)化

2，自動(dòng)化控制在工業(yè)上的應(yīng)用

企業(yè)管理，生產(chǎn)過(guò)程控制等幾乎所有的領(lǐng)域，具體的有集成制造、ERP、BRP等

當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。pid（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。pid控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為u(t)=kp(e((t)+1/ti∫e(t)dt+td*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/(ti*s)+td*s)其中kp為比例系數(shù)； ti為積分時(shí)間常數(shù)； td為微分時(shí)間常數(shù)它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（kp， ki和kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，pid應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣pid就可控制了。其次，pid參數(shù)較易整定。也就是，pid參數(shù)kp，ki和kd可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，pid參數(shù)就可以重新整定。第三，pid控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用pid的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。pid參數(shù)自整定就是為了處理pid參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的pid控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的pid控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了pid參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的pid參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。因此，許多自身整定參數(shù)的pid控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算pid參數(shù)。pid在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果pid控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。雖然有這些缺點(diǎn)，pid控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中pid控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用pid控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器(plc)，還有可實(shí)現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等。可編程控制器(plc) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)pid控制，而可編程控制器(plc)可以直接與controlnet相連，如rockwell的plc-5等。還有可以實(shí)現(xiàn) pid控制功能的控制器，如rockwell 的logix產(chǎn)品系列，它可以直接與controlnet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴(lài)將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋( negative feedback)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱(chēng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。3、階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。4、pid控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)pid控制，又稱(chēng)pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。5、pid控制器的參數(shù)整定pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到pid控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對(duì)于溫度系統(tǒng)：p（%）20--60，i（分）3--10，d（分）0.5--3對(duì)于流量系統(tǒng)：p（%）40--100，i（分）0.1--1對(duì)于壓力系統(tǒng)：p（%）30--70，i（分）0.4--3對(duì)于液位系統(tǒng)：p（%）20--80，i（分）1--5參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低

自動(dòng)化控制在工業(yè)上的應(yīng)用

3，CNC控制系統(tǒng)都有哪些特征作用

CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，下面分別加以介紹。1、曲線曲面的非均勻有理B樣條（NURBS）插補(bǔ)該項(xiàng)技術(shù)采用沿曲線插補(bǔ)的方式，而不是采用一系列短直線來(lái)擬合曲線。這一技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。許多模具行業(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個(gè)選項(xiàng)，即生成NURBS插補(bǔ)格式的零件程序。同時(shí)，功能強(qiáng)大的CNC還提供了五軸插補(bǔ)功能以及與此相關(guān)的特性。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量，改善了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度，提高了切削速度，并使零件加工程序更小。2、更小的指令單位大多數(shù)的CNC系統(tǒng)向機(jī)床主軸傳遞運(yùn)動(dòng)和定位指令的單位不小于1微米。在充分利用CPU處理能力提高這一優(yōu)勢(shì)后，一些CNC系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達(dá)到1納米（0.000001mm）。在指令單位縮小1000倍后，可獲得更高的加工精度，可使電機(jī)運(yùn)行得更平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)使得一些機(jī)床能夠在床身振動(dòng)不加大的前提下，以更高的加速度運(yùn)行。3、鐘形曲線加速/減速也稱(chēng)作為S曲線加速/減速，或爬行控制。與使用直線加速方式相比，這種方式可使機(jī)床獲得更好的加速效果。與其它加速方式相比，也包括直線方式和指數(shù)方式，采用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤差。4、待加工軌跡監(jiān)控這一技術(shù)已被廣泛使用，該技術(shù)具有眾多性能差異，使其在低檔控制系統(tǒng)中的工作方式與高檔控制系統(tǒng)中的工作方式得以區(qū)別開(kāi)來(lái)?？偟膩?lái)講，CNC就是通過(guò)加工軌跡監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的預(yù)處理，以此來(lái)確保能獲得更優(yōu)異的加速/減速控制。根據(jù)不同的CNC的性能，待加工軌跡監(jiān)控所需的程序塊數(shù)量從兩個(gè)到上百個(gè)不等，這主要取決于零件程序的最短加工時(shí)間和加速/減速的時(shí)間常數(shù)。一般而言，要想滿(mǎn)足加工要求，至少需要十五個(gè)待加工軌跡監(jiān)控程序塊。5、數(shù)字伺服控制數(shù)字伺服系統(tǒng)的發(fā)展如此迅速，以至于大多數(shù)機(jī)床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，CNC能夠更及時(shí)地控制伺服系統(tǒng)，而且CNC對(duì)機(jī)床的控制也變得更精確。數(shù)字伺服系統(tǒng)的作用如下：1）將提高電流環(huán)路的采樣速度，再加上電流環(huán)控制的改善，從而降低電機(jī)溫升。這樣，不僅可以延長(zhǎng)電機(jī)的壽命，還可以減少傳遞到滾珠絲杠的熱量，從而提高絲杠的精度。除此之外，采樣速度的加快還可以提高速度回路的增益，這些都有助于提高機(jī)床的整體性能。2）由于許多新的CNC使用高速序列與伺服回路相連，因此通過(guò)通訊鏈路，CNC可獲得更多的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的工作信息。這可提高機(jī)床的維護(hù)性能。3）連續(xù)的位置反饋允許在高速進(jìn)給的情況下進(jìn)行高精度的加工。CNC運(yùn)算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機(jī)床運(yùn)行速度的瓶頸。在傳統(tǒng)的反饋方式中，隨著CNC和電子設(shè)備的外部編碼器的采樣速度的變化，反饋速度受到信號(hào)類(lèi)型的制約。采用串行反饋，這一問(wèn)題將得到很好的解決。即使機(jī)床以很高的速度運(yùn)行，也可達(dá)到精密的反饋精度。6、直線電機(jī)近幾年來(lái)，直線電機(jī)的工作性能和歡迎度有了顯著的提高，所以很多加工中心采用了這一裝置。至今，F(xiàn)anuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺(tái)直線電機(jī)。GEFanuc的一些先進(jìn)技術(shù)使得機(jī)床上的直線電機(jī)的最大輸出力為15,500N，最大加速度為30g。另一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)床的尺寸得以減小，重量得以減輕，冷卻效率大為提高。所有這些技術(shù)上的進(jìn)步使直線電機(jī)在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比時(shí)，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)：更高的加/減速率；更準(zhǔn)確的定位控制，更高的剛度；更高的可靠性；內(nèi)部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。CNC控制器的特點(diǎn)：1、多坐標(biāo)、多系統(tǒng)控制比如FANUC最新的高檔控制器11S30i—MODELA系統(tǒng)，最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個(gè)系統(tǒng)（通道），最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸，其中進(jìn)給軸32軸，主軸為8軸，最大同時(shí)控制軸數(shù)為24軸／系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個(gè)系統(tǒng)。最大I／O點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn)／4096點(diǎn)，PMC基本命令速度為25ns。最大可預(yù)讀程序段：1000段。這是當(dāng)前世界配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。由于具有多軸多系統(tǒng)配置，因此特別適合大型自動(dòng)機(jī)床，復(fù)合機(jī)床，多頭機(jī)床等的需要。2、高精、高速加工功能這是CNC系統(tǒng)最重要的功能，由于有了這個(gè)功能，使制造技術(shù)（MT）大大地向前發(fā)展了。數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制，可以保證加工的零件具有很高的精度重復(fù)性。但為了得到一定的功能，輸入控制器的信號(hào)要經(jīng)過(guò)一系列處理，不可避免地要失真、延時(shí)。因此在高速加工時(shí)，要保持高的加工精度就要采取一定的措施減少失真、延時(shí)。高精、高速的加工，除了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造要保證能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外，對(duì)CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。采用前饋控制，以補(bǔ)償由于伺服滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差?！扒罢啊笨刂圃诔绦驁?zhí)行前對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運(yùn)動(dòng)，而且誤差很小。對(duì)于機(jī)床平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制，采用對(duì)指令形式的實(shí)時(shí)識(shí)別，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在最佳狀態(tài)。為了防止擾動(dòng)，開(kāi)發(fā)數(shù)字濾波器的技術(shù)，以消除機(jī)械的諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精進(jìn)給和主軸的伺服系統(tǒng)對(duì)高速、高精和高效十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及控制單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線移動(dòng)軸可以來(lái)用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；減少機(jī)械傳動(dòng)鏈，提高剛度，提高精度。當(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)時(shí)，它非常適用于齒輪機(jī)床的系統(tǒng)，齒輪機(jī)床有時(shí)需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，F(xiàn)ANUC伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)體積小，采用高增益控制，伺服電機(jī)是無(wú)齒槽效應(yīng)的電機(jī)，帶有1.6xlo脈沖／轉(zhuǎn)分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數(shù)字伺服控制，具有很高電流檢測(cè)精度，采用相應(yīng)的硬件，可以產(chǎn)生所謂“納米控制”，也就是在系統(tǒng)檢測(cè)分辨率為1嶺m時(shí)，插補(bǔ)分辨率可以達(dá)到1nm；它使在CNC內(nèi)部的計(jì)算誤差最小化，每次內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位，大大提高了加工的質(zhì)量。對(duì)于控制直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械帶來(lái)的多點(diǎn)諧振特性，聯(lián)合這些功能，機(jī)床刀具的運(yùn)動(dòng)就可以準(zhǔn)確地按照著指令執(zhí)行。對(duì)于加工具有自由曲面的模具，會(huì)在程序段之間出現(xiàn)條紋，為了解決這個(gè)問(wèn)題，F(xiàn)ANUC開(kāi)發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評(píng)估原始曲線，并對(duì)其進(jìn)行NURBS插補(bǔ)。這些性能滿(mǎn)足了機(jī)床“高速高精”以及“低速高精”的要求。3、軸加工和復(fù)雜加工功能由于5軸加工工藝合理，相對(duì)于3維曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進(jìn)行切削，在復(fù)雜形狀的高速高精加工中可以提高效率，提高光潔度。因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。5軸加工的機(jī)械其配置主要有刀具旋轉(zhuǎn)方式、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式和這兩種的混合方式。因此5軸加工功能要能滿(mǎn)足各種配置的要求。根據(jù)5軸加工的特點(diǎn)，把它們，比如TCP（刀具中心控制），刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ?，?yīng)用到不同機(jī)械配置的5軸加工機(jī)床。4、數(shù)控復(fù)臺(tái)功能為了提高生產(chǎn)率，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的開(kāi)發(fā)和制造已變成數(shù)控機(jī)床的一種發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合加工機(jī)床是指在同一機(jī)械上可以進(jìn)行多種工藝的加工，如在一臺(tái)機(jī)床上可以進(jìn)行車(chē)加工、銑加工、錘加工等，比如，一個(gè)圓柱體要進(jìn)行圓柱表面的車(chē)削、錘子L、還要求在圓柱面上銑溝槽，這些加工都要求在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上完成。這樣就能大大提高生產(chǎn)率。因此，對(duì)于數(shù)控復(fù)合機(jī)床，百先需要增加可以用于進(jìn)行復(fù)合加工功能的控制系統(tǒng)，比如銑床需要增加螺錐線功能、螺旋線功能、3維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等，另外，刀具補(bǔ)償功能也需要既有車(chē)加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機(jī)床還經(jīng)常需要高速加工。為了通過(guò)PC或數(shù)控系統(tǒng)本身對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。以便傳遞程序，監(jiān)控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡(luò)功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數(shù)據(jù)。CNC具有現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)功能，就可以在CNC與伺服裝置之間，CNC與I／o控制之間傳遞控制、監(jiān)控和診斷數(shù)據(jù)。目前主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無(wú)線技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)。無(wú)線技術(shù)可以使信息到達(dá)幾乎是任何地方。6、高可靠性和安全性功能CNC系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床一起，工作在底層車(chē)間，經(jīng)受惡劣的環(huán)境，如：溫度，濕度，振動(dòng)，油霧，粉塵的影響，同時(shí)又要求連續(xù)工作；因此對(duì)可靠性要求特別高，除了可靠性設(shè)計(jì)、制造工藝等措施外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要采取以下措施：①采用光纖，減少電纜連接，比如FANUC的數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)光纖連接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式從CNC到多個(gè)伺服放大器傳遞大量的數(shù)據(jù)。②采用糾錯(cuò)碼（ECC：EnorCorrectingCODe）傳送數(shù)據(jù)，隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)，也要求對(duì)微處理器、存儲(chǔ)器和LSI的處理速度大大提高。由于這些安裝在CNC的印刷板上的高速電子元器件進(jìn)行高速讀、寫(xiě)和傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，由IC驅(qū)動(dòng)的信號(hào)波形變?yōu)闇螅谶@樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時(shí)，導(dǎo)致不能正確地傳遞數(shù)字信號(hào)。另外，在最新電子元件低壓供電時(shí)，降低了電路低抗噪音的運(yùn)行范圍。為此，CNC電路將采取更先進(jìn)的糾錯(cuò)碼傳遞數(shù)據(jù)。ECC是一種領(lǐng)前的高可靠性技術(shù)，通過(guò)把ECC加到數(shù)據(jù)上以傳送各種不同型式的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更可靠。②采用雙檢安全（DualCheckSa缸y）措施。“雙檢安全”與歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)（EN954—1）一致。它的原理是在CNC內(nèi)嵌人多個(gè)處理器冗余地監(jiān)控伺服電機(jī)和主軸電機(jī)以及與安全相關(guān)的I／0信號(hào)并使用急停與相關(guān)的I／0電路使系統(tǒng)安全地運(yùn)行和停止。CNC控制器的開(kāi)放：當(dāng)出現(xiàn)NC機(jī)床以后，制造廠家就希望能打開(kāi)NC系統(tǒng)這個(gè)黑盒子，部分或全部地代替機(jī)床設(shè)計(jì)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(jīng)驗(yàn)和操作技能放進(jìn)NC系統(tǒng)，同時(shí)也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和提供給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。要求NC控制器透明以使機(jī)床制造商和最終用戶(hù)可以自由地執(zhí)行自己的思想。于是產(chǎn)生了開(kāi)放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。IEEE“開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)”定義“開(kāi)放結(jié)構(gòu)”為：“開(kāi)放系統(tǒng)所執(zhí)行的應(yīng)用可以運(yùn)行在多家制造者不同的平臺(tái)；并可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用具有互操作性，且呈現(xiàn)與用戶(hù)交互協(xié)同（1EEElo03.0）?！币部梢杂孟铝械男阅苤笜?biāo)評(píng)估控制器的開(kāi)放性。比如應(yīng)用模塊為AM：①移植性：在保持應(yīng)用模塊（AM）的功能下，不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平臺(tái)。②擴(kuò)展性：不同的AM能運(yùn)行在一個(gè)平臺(tái)而不出現(xiàn)沖突。③互操作性：AM在一起工作時(shí)表現(xiàn)為相互協(xié)同，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。④縮放性：按照用戶(hù)的需要，AM的功能、性能和硬件的規(guī)?？梢陨炜s。開(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制器（oAC）使控制器銷(xiāo)售商、機(jī)床制造商和最終用戶(hù)可以從柔性和敏捷生產(chǎn)中獲得較大利益。其主要目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境下采用開(kāi)放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的系統(tǒng)能力被廣泛接受。軟件可以重復(fù)使用，用戶(hù)可以按照給定的配置設(shè)計(jì)他們的控制器?？刂葡到y(tǒng)的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)由于考慮到對(duì)實(shí)時(shí)和可靠性要求很?chē)?yán)格，因此是高度復(fù)雜的系統(tǒng)。其特點(diǎn)是基于PC，相互鏈接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)組件和接口，系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開(kāi)放系統(tǒng)中，各個(gè)組件和接口還可以在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)增加智能的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于控制的復(fù)雜性，這些系統(tǒng)的硬件和軟件是基本的工具。控制的接口可以分成兩組：內(nèi)部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接系統(tǒng)和監(jiān)控單元以及子單元、用戶(hù)。它們可以分為編程接口和通信接口。NC與PIC編程接口采用國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通訊接口也強(qiáng)烈地受標(biāo)準(zhǔn)的影響?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如SERCOS，P凹肋us或DeviceNet用作驅(qū)動(dòng)和I／O的接口。I，AN（局網(wǎng)LocalAreaNetwork）網(wǎng)絡(luò)主要基于以太網(wǎng)和TCP／IP與監(jiān)控系統(tǒng)連系的接口。②內(nèi)部接口：用于組件間的互相作用和數(shù)據(jù)交換，以形成控制系統(tǒng)的核心。在這方面，一個(gè)重要的性能是支持實(shí)時(shí)機(jī)構(gòu)。為了得到可重構(gòu)和白適應(yīng)的控制，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于平臺(tái)的概念。由于軟件組件中無(wú)法知道專(zhuān)用硬件的詳情，因而主要的目標(biāo)是建立一個(gè)可定義的但是在軟件組件間進(jìn)行柔性的通訊方法。應(yīng)用編程接口（APl）保證了這些需要?？刂葡到y(tǒng)的全部功能被分為幾個(gè)包，模塊化的軟件組件通過(guò)被定義的API互相作用。根據(jù)1999年美國(guó)機(jī)器人工業(yè)論壇的資料，當(dāng)年美國(guó)機(jī)器人全部裝機(jī)的系統(tǒng)是機(jī)器人本身價(jià)值的3—5倍，也就是如果有l(wèi)o億美元機(jī)器人的市場(chǎng)，等于增加20到40億美元的附加值，如果其中25％歸因于軟件集成的原因引起的，再認(rèn)為如果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，采用開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的控制器使其中降低50％；那么在采用開(kāi)放控制器后，每年潛在的價(jià)值就可以節(jié)省2億5千萬(wàn)到5億美元。目前，開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3種形式：①基于PC的CNC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以PC機(jī)為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過(guò)伺服卡傳送數(shù)據(jù)，控制坐標(biāo)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)系統(tǒng)有時(shí)也稱(chēng)為SoftNC，這樣的系統(tǒng)容易做到全方位開(kāi)放。②PC嵌入式：這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統(tǒng)的PC機(jī)器中，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制，或且CNC作為數(shù)控功能運(yùn)行，而PC板作為用戶(hù)的人機(jī)接口平臺(tái)。③PC十CNC：目前主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為NC系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，像PC機(jī)存在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長(zhǎng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的NC系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)他們?cè)到y(tǒng)的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開(kāi)放結(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的NC系統(tǒng)。為了增加開(kāi)放性，主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊PC板，提供鍵盤(pán)使用戶(hù)能把PC和CNC在一起，大大提高了人機(jī)界面的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱(chēng)為融合系統(tǒng)（fusionsystem）。由于它工作可靠，界面開(kāi)放，越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎。

cnc(數(shù)控機(jī)床)是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(computer numerical control)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種由程序控制的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)將其譯碼，從而使機(jī)床執(zhí)行規(guī)定好了的動(dòng)作，通過(guò)刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。

CNC控制系統(tǒng)都有哪些特征作用