數(shù)控系統(tǒng)是泛指應(yīng)用在各種制造裝備上的數(shù)字化的控制器。高端數(shù)控系統(tǒng)是依據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)的，融合了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和邏輯控制技術(shù)的自動(dòng)化控制裝置，是集成機(jī)械電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等多工程技術(shù)學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品。數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)是支持現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)群，直接決定制造裝備的功能和性能，是信息化帶動(dòng)工業(yè)化進(jìn)程中裝備層的關(guān)鍵技術(shù)群，屬于支持工業(yè)化重要基礎(chǔ)技術(shù)群。
數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展初期幾乎是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展是平行線，早期的數(shù)控系統(tǒng)稱為NC (Numerical Control) ，是從數(shù)字邏輯原理出發(fā)，歷經(jīng)了電子管時(shí)代和晶體管時(shí)代，實(shí)質(zhì)上是專用的軌跡控制處理器。伴隨著計(jì)算機(jī)的小型化和制造成本的降低，數(shù)控技術(shù)開始以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控時(shí)代，即通常所說的CNC（Computerized Numerical Control）。縱觀數(shù)控系統(tǒng)近20年的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)提供了非常重要的支持。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)高端數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)路線的影響主要可以概括為以下幾個(gè)方面：
1． 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為高端數(shù)控系統(tǒng)提供了高性能價(jià)格比的軟硬件平臺(tái)支持。
數(shù)控系統(tǒng)以控制裝備的各運(yùn)動(dòng)裝置協(xié)同運(yùn)動(dòng)以及輔助裝置準(zhǔn)確的邏輯控制為目標(biāo)。這些控制任務(wù)需要嚴(yán)格周期性的高頻度的計(jì)算。除了這些基本的計(jì)算任務(wù)，控制器還需要人機(jī)交互等輔助操作。因此數(shù)控系統(tǒng)需要具有實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算平臺(tái)的支持。近十年來，隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的高性能的中央處理器（CPU）為數(shù)控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大運(yùn)算能力的支持。同時(shí)日趨成熟的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，直接為數(shù)控系統(tǒng)的外設(shè)管理和其他控制裝置的接入提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。特別是工業(yè)PC機(jī)的廣泛應(yīng)用為數(shù)控系統(tǒng)提供了高性能價(jià)格比的硬件平臺(tái)。目前許多世界知名的高端控制器產(chǎn)品都采用或部分采用PC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括西門子、力士樂、海德漢等。PC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅提供了硬件資源同時(shí)還提供了豐富的軟件資源。另一方面實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)多計(jì)算任務(wù)提供了重要的軟件平臺(tái)支持，包括VxWorks， ucOS，RtOS，RtLinux等等都有在數(shù)控系統(tǒng)中成功應(yīng)用的范例。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，極大地簡化了數(shù)控系統(tǒng)的軟件的開發(fā)過程，簡化了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互系統(tǒng)，文件管理，內(nèi)存管理、外設(shè)管理和任務(wù)管理等相關(guān)功能的開發(fā)。
2．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通信技術(shù)為高端數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。
生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是全球化經(jīng)濟(jì)形勢下制造全球化的現(xiàn)實(shí)需求，也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。數(shù)控系統(tǒng)作為制造系統(tǒng)的底層信息處理中心，是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中重要的信息交互的樞紐。基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，高端數(shù)控系統(tǒng)大多實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)，完成基礎(chǔ)制造信息的交互。底層網(wǎng)絡(luò)是指基于現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)區(qū)伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及智能I/O模塊間的互連網(wǎng)絡(luò)。目前流行的現(xiàn)場總線包括CAN, PROFIBUS, PowerLink, SERCOS,工業(yè)以太網(wǎng)。上層網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)高端數(shù)控系統(tǒng)與車間工作站以及辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的接入。值得注意的是工業(yè)現(xiàn)場總線中許多標(biāo)準(zhǔn)在向以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)靠攏，很可能在將來底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)均采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
3．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件開放化技術(shù)為高端數(shù)控系統(tǒng)的開放化提供了直接有效的技術(shù)手段。
從工業(yè)化在20世紀(jì)的發(fā)展歷程可以看到，20世紀(jì)的前半葉，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)在兩次世界大戰(zhàn)的洗禮下，得到飛速的發(fā)展。這種發(fā)展曾經(jīng)為兩次世界大戰(zhàn)提供飛機(jī)和坦克，也為戰(zhàn)后的以汽車文明為代表的工業(yè)文明做出了貢獻(xiàn)。正是這種工業(yè)化文明自身進(jìn)步，給裝備制造提出了新的需求。一方面，隨著軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域更多技術(shù)的實(shí)用化，復(fù)雜零件成為設(shè)計(jì)者無法回避的問題，特別是在航空航天領(lǐng)域，核工業(yè)領(lǐng)域。另一方面，人們需要在制造批量和制造成本間尋求新的平衡，市場最終會(huì)偏愛那些能夠更快地響應(yīng)顧客不斷變化的需求和品味的產(chǎn)品。這是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)的柔性制造技術(shù)發(fā)展的重要的原動(dòng)力。高端數(shù)控系統(tǒng)的開放化技術(shù)旨在基于數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)易于擴(kuò)展的，易于不同供應(yīng)商控制組件互換的，易于實(shí)現(xiàn)控制器類型的多樣化的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。美國90年代初的NGC計(jì)劃提出了數(shù)控系統(tǒng)開放化的理念，并首次提出了開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件模型。歐洲90年代中后期的OSACA計(jì)劃實(shí)踐了開放式控制器理念，并自行建立了數(shù)控系統(tǒng)軟件信息互連和封裝的標(biāo)準(zhǔn)。但很遺憾，OSACA計(jì)劃實(shí)施過程正是計(jì)算機(jī)軟件中間件技術(shù)飛速發(fā)展，并趨于標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)期。OSACA計(jì)劃執(zhí)行完畢產(chǎn)生的軟件技術(shù)手段已經(jīng)落后于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展了，該計(jì)劃也就無結(jié)而終了。國內(nèi)外有多家研究機(jī)構(gòu)采用CORBA和COM技術(shù)構(gòu)建高端控制器開放式體系結(jié)構(gòu)都取得了有價(jià)值的成果。雖然目前真正意義的開放式控制器尚未見諸于產(chǎn)品，但相信在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件開放化技術(shù)的支持下，高端控制器的開放化進(jìn)程將不斷取得新的進(jìn)展。
4．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件工程技術(shù)為高端數(shù)控的可靠性提供支持
隨著數(shù)控系統(tǒng)硬件與工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的趨同，數(shù)控系統(tǒng)的功能正在面臨“軟化”的趨勢，即越來越多的數(shù)控系統(tǒng)功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件工程技術(shù)為數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測試提供理論支持。在現(xiàn)代軟件工程技術(shù)的指導(dǎo)下，數(shù)控系統(tǒng)軟件從面向計(jì)算過程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)向面向?qū)ο竽Ｐ偷慕M件化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變降低了軟件系統(tǒng)中各模塊的耦合程度，便于軟件的工程化開發(fā)和測試，以及整個(gè)軟件系統(tǒng)的局部升級(jí)，增強(qiáng)了軟件生命周期內(nèi)的適應(yīng)性。通過工程化的軟件測試，大幅度地提升了數(shù)控軟件的可靠性，從而為提升整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)可靠性提供了有力的支持。
綜上所述，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)在近20年來全面影響了高端數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)路線。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高端數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和性能提升重要技術(shù)支持，直接支持?jǐn)?shù)控技術(shù)競爭的熱點(diǎn)。
1． 計(jì)算機(jī)可編程技術(shù)為拓展高端數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供了可行的解決方案。
高端數(shù)控系統(tǒng)區(qū)別于其他的控制裝置，可編程是重要的技術(shù)特征。高效率的運(yùn)動(dòng)描述語言和邏輯描述語言編譯技術(shù)和執(zhí)行引擎將是高端數(shù)控系統(tǒng)拓展系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。內(nèi)嵌在高端數(shù)控系統(tǒng)中符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的可編程邏輯控制器已經(jīng)成為高端數(shù)控系統(tǒng)的重要特征。在邏輯可編程語言日趨統(tǒng)一的趨勢下，已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)的G代碼形式的運(yùn)動(dòng)可編程語言的弊端日趨明顯。目前，新的加工描述語言國際標(biāo)準(zhǔn)Step-NC還未被控制器廠商廣泛支持，而各種控制器廠商推出的各具特色的運(yùn)動(dòng)可編程語言正在成為新的競爭熱點(diǎn)。不論Step-NC的實(shí)現(xiàn)還是其它的運(yùn)動(dòng)可編程系統(tǒng)的實(shí)施都需要現(xiàn)代編譯技術(shù)的支持。
2． 計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)是高端數(shù)控系統(tǒng)性能提升重要技術(shù)支持。
高端數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上競爭是始終伴隨著數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)競爭的方向。高精度的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)不只是運(yùn)算精度的競爭了，各種高端數(shù)控系統(tǒng)都大量接入包括位置傳感器、電流傳感器等信息感知裝置，通過外部信息的采集和數(shù)據(jù)處理，利用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的補(bǔ)償和控制。基于現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的數(shù)字化信號(hào)采集和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高端數(shù)控系統(tǒng)外部信息的采集和信號(hào)處理，包括采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立控制對(duì)象模型。上述技術(shù)都是高端控制器提升控制精度的重要技術(shù)手段。
3．人工智能技術(shù)將高端數(shù)控技術(shù)帶入新的歷史階段。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅將多坐標(biāo)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制作為最主要的控制任務(wù)，按照用戶輸入的運(yùn)動(dòng)控制程序，最終完成工藝過程。在上述過程中，除了體現(xiàn)操作者意愿的運(yùn)動(dòng)軌跡程序，就沒有其它更智慧的控制過程。可編程邏輯控制器的應(yīng)用部分地改善了上述過程。預(yù)先設(shè)定的邏輯過程承擔(dān)了工藝過程的大部分輔助功能和安全相關(guān)的邏輯控制。僅具有上述控制能力遠(yuǎn)不能使控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者替代。而現(xiàn)實(shí)的工藝過程中存在大量的需要進(jìn)行智能化感知、決策、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)、修訂決策依據(jù)的情況。為了更大程度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)勞動(dòng)者的解放，高端控制器將不斷地向智能化控制的方向進(jìn)步。在此過程中人工智能技術(shù)將成為改進(jìn)程序化控制的重要技術(shù)手段。目前有些高端數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)在切削用量的自動(dòng)生成技術(shù)、故障診斷和計(jì)劃任務(wù)調(diào)度方面成功應(yīng)用了某些人工智能技術(shù)，相信人工智能技術(shù)將高端數(shù)控技術(shù)帶入新的歷史階段。
結(jié)論
強(qiáng)化現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)高端數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新。高端數(shù)控系統(tǒng)是集成了機(jī)械電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等多工程技術(shù)學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品。高端數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的需求首先是來源于生產(chǎn)實(shí)際的需求，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)確實(shí)為高端數(shù)控相關(guān)技術(shù)提供了技術(shù)創(chuàng)新的支持條件。近20年來數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的軌跡已經(jīng)證明現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的重要作用，當(dāng)前的數(shù)控技術(shù)競爭的熱點(diǎn)也能看到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)作用。因此我們在高端數(shù)控系統(tǒng)的研究工作中更應(yīng)當(dāng)充分借鑒計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的成熟技術(shù)，促進(jìn)高端數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，縮短我們在數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平的差距。
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