FANUC的新一代NGC系列数控系统

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本文通过对FANUC公司新一代NGC数控系统0i、16i和30i系列的技术特点和先进功能的阐述，使读者从中了解当今数控系统软硬件技术的最新成果，以及向高速、高精、网络化、开放性等方面的发展动向。
' v8 X7 f/ n0 |6 C6 P2 e! O前言
　 FANUC的新一代NGC(NEXT GENERATION CONTROLLERS) 数控系统(以下简称为NGC系列)包括3个系列：
　 1) 0i系列：高可靠性和高性能价格比的CNC， 该系列包括FS0i/0i Mate-MODEL C；
, h% F0 v, r  j- V3 E　 2) 16i系列：适合于各种数控机床的高速、高精、纳米CNC，该系列包括FS16i/18i/21i-MODEL B；
　 3) 30i系列：适合于先进、复合、多轴、多通道、纳米CNC，该系列包括 FS30i/31i/32i- MODEL A。
% a4 \2 {6 H8 \1 O5 S+ i　 这三个系列的CNC数控系统是FANUC公司新近开发的数控系统。涵盖低端到高端， 并配合开发各种规格的高性能、高精度的旋转和直线移动的伺服电机（包括传感器）、伺服放大器和作为维修、调试的应用工具软件的“操作指南”、“伺服指南”、 “TURN MATE i”等，构成了完整的系列。

图1 FANUC新一代NGC数控系统
% \: b9 c' V9 F9 V　 这些系列的数控系统主要特点为：
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一、可以满足从低端到高端的需要
* A8 i( d1 p5 R' I　从一般的车床、铣床、加工中心、磨床到功能齐全的复杂、先进的复合、高精、高速和高效、多轴联动、多工位、多通道数控机床等，都能满足，也可以适应从金切机床到冲压成形机床的不同品种的需要。FANUC的NGC系列低端CNC为FS0i/0i Mate-MODEL C，是非常小型化的高可靠性、高性能价格比的数控系统。其中FS0i - MODEL C最多可以进行4轴控制，它的功能以功能包形式划分为A、B两种，以便更适合不同机床的档次，比如对A功能包，可以用于模具加工。而FS0i Mate-MODEL C，最多可以控制3轴，并具有操作工具“操作指南0i ”及“TURN MATE i”。
　 比较FANUC在80年代开发的0C系列，0i具有更快的速度。以上表1为这两种系统分辨率和快速进给率的比较：
8 B+ J1 R/ ^/ \/ G  \9 ]5 r5 G　 从表1可以看出，0C、0D；0i、16i是在两种同样的硬件平台下对数控功能进行增减 而开发出来的，在同样的分辨率下，NGC系列具有更快的快速进给率，也就是它具有更快的处理能力，因而可以获得更高的速度，更高的精度。即使在NGC系列的最低端产品0i-C也比0C具有更快的处理能力。NGC系列最高端产品30i在系统分辨率为1nm时，最高速度可达到1m/min。
二、采用最新的硬件技术
; U, g5 c/ D$ d' N$ s0 j9 V9 z- o' H　 NGC的30i系列采用了最新的超高速微处理器。另外，CNC内部的总线也实现了高速化的处理，因而大幅度提高了构成系统的CNC处理器、PMC处理器、数字伺服处理器之间的数据传输速度。
　  对16i和30i系列，把CNC系统的数控功能板安装在显示器背面，这种显示器一体型的CNC使系统变成其厚度只有60mm超小型、超薄型的控制装置，大幅节省了机床的CNC系统安装空间，从而也为机床的小型化做出了贡献。另外，还为用户开发了显示器和CNC控制装置相互分离的显示器分离型CNC。与以往的CNC相比，在最大配置时，节省了二分之一的安装的空间。对30i系列，为了提高系统的操作性，显示器采用了15英寸的宽屏彩色液晶显示器，该装置具有1024点×768点，将丰富多彩的信息显示在屏幕上。另外，除了在液晶显示器的下面配备的横排软键外，还在液晶显示器的旁边新设了竖排软键。利用横竖两排软键，可方便地进行屏幕操作。
　 显示器前面还配置了一个PCMCIA接口。在这种情况下，使用微型闪存卡，可以将存储卡完全插入CNC控制装置进行DNC的运行。作为用来将各类数据输入到CNC中的键盘，新设立了与PC机的键盘相同排列的QWERTY（标准的传统键盘）。由于可以像操作PC机一样地输入数据，熟悉PC机操作的用户可以驾轻就熟地操作CNC。CNC的显示器除了15英寸彩色显示器外，还备有10.4、8.4、7.2英寸彩色显示器。另外，备有标准机床操作面板，允许用户对不同的机床按键进行自定义。
　 NGC系列采用高速光缆FSSB将CNC与多个伺服放大器串行联接，FANUC串行伺服总线 FSSB，传送速度比以往提高2倍以上。1根光缆最多可以控制16轴伺服电机。采用高速DSP和高速FSSB传送伺服控制信号，实现31.25μs的伺服电路控制周期。由于采用光缆传送信号，速度高；同时大大减少了连接的电缆，因此也大大提高了可靠性。

, }  K. ?1 y( \8 r表2 16i系列的控制轴数
三、多轴、多通道的数控系统
NGC系列新开发的16i系列，轴数有了明显的增加，表2是16i系列的轴数，其中括弧内为旧16i系列的轴数据。
NGC系列中30 i系列的规格如表3，该系列具有先进的扩展功能，可实现对10个路径、32个伺服轴和8个主轴的控制，可用于各种大型机床，复合机床和自动车床。使用一台CNC就可以实现机床制造厂所要求的具有特殊的复合控制技术的多路径，多轴的机床控制。该系统也适用于多轴和多路径车床和高效自动车床，龙门或需要多坐标轴的多头机床，需要巨大推力的有许多直线电机驱动的机床。
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1 t+ ?. N: D$ M' I表3 30i系列的规格
- W- i! R1 _8 K/ W　 为了要独立地控制32个伺服轴和8个主轴，每个轴都要对单独的名称进行命名，该系列轴的名称字符可扩展到3个字符，使用此功能就可以实现与机床规格和路径号相匹配的轴的名称进行编程。
3 ^" k# T, v) @: p* R+ t( L+ r　 5轴加工是一种先进的加工。NGC系列中，FS16 i-MODEL B， FS18 i-MODEL B5， FS30 i-MODEL A， FS31 i-MODEL A5；均可以进行5轴加工。5轴加工机床的配置大致可分为“刀具旋转型”、“转台旋转型”、“混合型”（刀具/转台均旋转）。每种型式具有不同的配置。因此以上系统的5轴加工功能，不管是哪种机械配置，都可以与之对应。
4 l1 q% g6 f. Y2 u) O　 NGC系列具有丰富的5轴加工功能，这些功能主要为：
　 1) 用于5轴加工的刀具中心点位置控制：5轴加工机床的加工程序在大多数情况下以小程序块指定，许多用户希望以简便而较少的程序段来编制复杂的加工轮廓。根据这个需求，可采用5轴加工的刀具中心位置控制功能。不管刀具的方向怎么变换，刀尖的路径以及速度都按照程序指定的路径及速度进行自动控制。它除了与“直线插补命令”对应外，还与“圆弧插补命令”对应。程序指令格式除了“指定旋转轴的角度的方法”外，还 有“指定刀具的倾斜度的方法”。在旋转轴的机械配置和刀具轴名称不同的机床上，也可以相同的程序进行加工。
　 2) 倾斜面加工命令：在对工件上的某个倾斜面进行钻孔或铣槽等形状加工时，通过指定加工面为XY平面，编程工作就会变得很简单。倾斜面加工命令可以实现这种指定方式，同时，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于倾斜的加工面的方式自动地定位刀 具。这个功能使在倾斜的加工面上的编程变得很简单。
　 3) 用于5轴加工的手动进刀：通过手轮、JOG和增量进给，可以轻而易举地使刀具沿着斜面 移动，或使刀具沿着斜面的刀具方向移动，或者在保持刀尖位置的情况下改变刀具的移动方向。这样，也就减轻了操作人员对准备作业的负担。
8 z  L3 X# ?5 @; \3 X. C, f　 4) 5轴加工用的刀具半径补偿，可以在垂直于刀具方向的补偿平面上针对指令路径在右/左侧进行刀具半径补偿。
　 由专用的处理器和最新的专用的LSI组成的PMC，对大量的顺序控制进行高速处理。
5 ?' u! `3 |0 ~0 `. L1 C* o3 h: j　 可以在1台PMC上执行最多3个路径各自独立的梯形程序。每个梯形程序具有其自身独立的数据区，因而可以进行具有较高独立性的模块化程序的开发。可以分别创建用于装载轴控制和外围设备控制的梯形程序，并对其自由地进行添加和修改。可以根据每个用户的机床配置，简单地进行梯形程序的开发，实现机床的系统化。此外，由于不需要用于外围设备控制的外部PLC，因而可以减低系统成本。

% m) C4 K  V2 h+ l' O图2 纳米插补方框图
四、具有丰富的高精、高速功能
　 1) 纳米插补：纳米插补产生以纳米为单位的指令给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令平滑，因而也就提高了加工表面的平滑性。通过将“纳米插补”应用于所有插补，无论是铣削加工还是车削加工，均可实现纳米级别的高质量加工。此外，除了伺服控制外，“纳米插补”还可以用于Cs轴轮廓控制；刚性攻丝等主轴功能。
8 ]) r# q7 [4 x; [* E- [4 K- C　 纳米插补的方框图如图2；其中HRV是“高反应矢量”控制的意义。
　 2) AI纳米轮廓控制功能：该功能不需要选择专用的硬件，就可以在直线插补和圆弧插补时进行纳米插补。
　 3) AI纳米高精度控制：使用高速的RISC处理器，以相应于机床性能的最佳进给率，在纳米插补下进行加工。为了使平滑的运动有效，可对机床的各个轴因不同惯量产生不同的偏差进行分别的加速度设定；这样可以起到以下作用：达到多程序段的平滑加减速。由判别所指令的形状进行自动进给率控制；在允许的加速度范围内对每个轴的进给率进行控制；为避免产生轨迹的误差进行插补前的加减速。
; c/ V7 X' k, k; z. b, ]　 4) 加速度控制：防止由于加工形状的突然变化而产生的加速度的急剧变化，从而引起的冲击和振动，这个功能可以提高加工表面的质量，减少加工时间。
) m" a) P5 l1 v; s　 5) NURBS插补：NURBS (Non Uniform Rational B-Spline)是一种自由曲线；当采用CAD设计模具时，NURBS被广泛地用来表示自由曲线。NGC系列的16i和30i支持对NURBS曲线的编程。对于模具所需要复杂曲线的加工，最可行的是将定义CAD设计的自由曲线的函数指令给CNC控制系统。于是开发出NURBS插补的方法。允许用较少的程序段定义出由大量短直线段组成的程序。减轻了数据流的瓶颈。NURBS在用CAD进行模具设计时，自由曲线(或自由曲面)得到了广泛的应用。NURBS是自由曲线(或自由曲面)的一种形式。它除了具有整个曲线平滑的特征(1次、2次可导)外，还能表现出曲线和样条曲线所不能表现出的如椭圆、抛物线、双曲线那样的二次曲线和直线。而且，由于其表示方程式为多项式的组合，所以具有可局部地变更曲线的性能。NURBS已经在CAD中得到普及。NURBS使用控制点、节点矢量、权三个变量来表达自由曲线。如果采用该三个变量指令NC零件程序，则NC在内部生成NURBS曲线；CNC进行NURBS插补，并沿着该NURBS曲线平滑驱动机床。使加工的工件形状非常接近CAD设计的几何形状。
　 NURBS有如下的优点：
3 `2 B, W3 z8 {# y/ A7 p　 （1）由于NURBS曲线近似小直线段，所以误差很小，精度很高。
　 （2）与以小线段近似的曲线比较，CNC的零件程序大大缩短。不必要以高速下载零件程序到CNC系统，而且工件的表面非常平滑。
　 （3）配备64位的RISC时，段处理时间可减少。
# Q# Z% w9 D% d1 q& ~# g　 （4）进行高精加工时，进给率自动控制：在拐角自动进行加减速，进给率自动控制使之不超过机床允许的加速度率。
　 该系列CNC精密地按NURBS曲线插补，于是加工出的零件近似于CAD设计的几何形状。NURBS插补也支持5轴联动。
- i; w5 v9 I/ _4 R* T/ X　 6) 纳米平滑：在模具加工中，可以再现由CAD设计的自由曲面，实现“无研磨”平滑。具有自由曲面形状的模具加工，在利用CAD/CAM系统创建加工程序的过程中，采用减小设计形状和程序命令的容许误差，即“公差值”，以提高加工表面的质量的方法。但是，用程序指定的点由于圆整误差而没有处在理想的曲线上，或是由于在直线插补中指定了加工程序而使得曲线成为多角形等原因，导致加工表面出现痕纹。“纳米平滑”是以NURBS曲线从CAD/CAM系统的创建的微小线段程序中推测原来的自由曲面，以纳米为单位对业已创建的NURBS曲线进行插补的技术。因此，可以得到接近所设计的形状的光洁的加工表面，减小手工研磨的工序。由于纳米插补使用由CAD/CAM系统创建的微小的线段程序，因此可以继续使用过去已用惯的程序。
　 7) 前瞻控制：一般的数控系统，执行程序是边输入、边运算、边执行，当正在执行某段程序时，CNC就计算出下段程序的数据。如果执行一个程序段过快，比如移动距离短、进给速度快的程序段，那么就会产生运算和处理追不上运动的现象。因此，系统需要进行缓冲。这是数控系统的重要功能。为了使机床连续运行，在执行某个程序段时，读取另一个程序段并进行运算，把运算的结果存到缓冲器中。这样，运行的程序完成以后，下个程序段可以立刻进行。当数控系统应用在高速加工时，进给率大大提高，因此由于加速度、减速度产生的延迟和伺服产生的延迟引起的误差也大大增加。如果在不同的加工形状时对进给率和加减速进行预计算，使得数控系统在程序编制以后，执行以前，预先计算出各程序段的运动轨迹和运动速度；即对将要运行的程序进行预先处理，根据上面提到的控制进给率和加、减速度方法，预先计算出一些程序段的进给率和加、减速度，进而计算出运动的几何轨迹，然后送到多段缓冲器，当运行时刀具按一定的速度高速运动，而加工形状的误差却仍然小。这就是“前瞻控制”（“lookahead”）。执行这种控制，根据控制的程序段数，需要以下的控制相配合：
% ^+ b# r5 t# W* u; Q　 (1)预先进行补前加减速控制（包括伺服控制中的“预先前馈控制”）；
　 (2)多段缓冲器：由于增加了多段缓冲器，就可以避免连续很小程序段加工产生的中断；
% }! Z" b  J  e# G1 U; h# m　 (3)在加工圆弧时，可以箝制进给率；
　 (4)补后直线加减速；
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表4 NGC系列前瞻控制段数
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六、伺服HRV（High Response Vector）控制
　 FANUC的伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制。目前已发展和实现了HRV4控制。这种控制具有以下的特点：1.作为伺服的位置指令，总是使用以纳米为单位的命令；2.标准安装具有1600万/rev分辨率的ai脉冲编码器作为检测器；3.采用超高速的伺服控制处理器，可以在最高速下实现周期时间为31.25μs的电流控制和周期时间为250μs的速度控制；4.利用共振跟踪型HRV过滤器来避免机械共振，同时通过畸变预测控制来降低机床的振动。通过以上功能的组合，进行纳米级别的控制，实现高质量的机械加工。
# y: r# B4 P/ @) L6 t　 采用HRV4控制，可以大幅提高对命令的响应性和抑制外部干扰。电流的控制是所有伺服控制的基础，HRV4可实现最高超过1kHz的高频响应特性。它还可以实现增益更高的速度控制。
1 N% ?3 H8 n" W; z　 主轴HRV控制可实现主轴的高响应性和高精度；主轴HRV4的控制具有以下特点：1.在位置控制方式下与纳米插补相应，与进给轴一样，在主轴上也实现了纳米CNC系统；2.通过利用绕组温度信息的最佳电流相位控制，降低电机的发热量，实现不受温度影响的恒定输出。通过主轴HRV控制，实现机床主轴的高精度、高响应和高效率。
七、丰富的网络功能
( H8 b# x/ x1 V& T. x　 利用丰富的网络功能和软件，通过网络传递和共亨信息，管理系统和使用系统。利用以太网与工厂的网络相互连接构成FA（工厂自动化）系统、也可以从工厂外部进行远程监控；将CNC与PC机连接起来，即可观察NC程序的传输和机床的运转状态，又可以实时集中监控加工现场的作业。另外，通过将CNC连接到工厂的网络，即可将管理部门和加工工厂连接起来。这样，就可以通过生产指令和实际加工数据对整个工厂进行管理，从而提高生产效率。此外，也从工厂外的管理部门和家庭连接因特网，远程监控机床的运转状态。在显示器旁插入PCMCIA卡，可以简单地与计算机连接起来，进行机床的调试和维护。系统支持下列的现场总线：1.FL-net；2.PROFIBUS-DP，实现基于欧洲标准的12Mbps 的高速传输；  　 3.DeviceNet；4.I/O Link-II。
　 系统可以配置数据服务器，可以将微小移动距离、连续模具加工的大容量程序，存储在内置的快速数据服务器ATA闪存卡中进行高速加工。
. B, E' T& k5 G7 o　 数据服务器运行的同时，也可以使用其他的以太网功能。在数据服务器和PC之间，可以高速进行加工程序的传输。也可以进行CNC参数和刀具信息文件等的接收和发送。 可以调用ATA闪存卡中的宏语句和子程序的存储器运行。也可以从PC机执行DNC的运行。对存储在ATA闪存卡中的程序可以进行编辑。通过系统的以太网功能，利用FANUC的软件调试工具“SERVO GUIDE”可以对伺服进行调试；也可以利用“FAPT LADDER”的软件对系统PMC的梯形图进行调试。
八、方便操作的“MANUAL GUIDE”
7 i# V7 G: _7 v& h　 它是在一个画面上支持从加工程序的编制、程序的检查、准备到实际加工等所有操作的操作指南功能；免掉了操作人员来回切换屏幕的麻烦；可以在程序屏幕和偏置屏幕上一次显示出大量数据，提高输入和确认的操作效率；在多轴系统中可以一次显示出多个位置信息，使得操作性有了改善；在多路径的系统中，最多可以将4个路径显示在一个屏幕上。在构建复杂的多路径系统中，实现优良的可视性和操作性。
九、方便调试的“SERVO GUIDE”
　 它通过CNC的以太网，把CNC和PC连在一起，利用 FANUC的“SERVO GUIDE”软件作为伺服和主轴的调整工具；很容易检测出机床的误差和伺服调整的状态；它具有参数窗口（通过PC设定伺服参数，输出到CNC）、程序窗口（从PC机端编制测试程序，输出给CNC执行）和图形窗口（电机反馈脉冲经过CNC的缓冲器后显示在图形窗口，以便观测）。
十、适应控制器开放的要求
　 NGC系列的3个系列数控系统都可以在不同程度上开放；
* f+ y* `8 t1 s  P7 Y# C. P(1)0i-C利用系统的以太网接口，通过FANUC的HSSB高速串行总线与PC机连一起，对用户开放。
(2)160i/180i/210i 和 300i/310i/320i是与Windows的OS对应的开放式数控系统。它是在16i/18i/21i 和 30i/31i/32i系统中，增加了PC机，PC机通过CNC的独有高速接口连接起来，并能高速传输大量数据，形成了最佳的融合。有些厂家也把这种装置称为融合系统（fusion system）。由于它工作可靠，界面开放，不仅可以简单地实现机床制造商独有的功能，而且还与最终用户的要求灵活对应；可以使用最新的信息技术，比如配备PC特有的图形用户接口GUI的CNC和利用机床的操作、网络功能的信息交换、利用数据库的刀具文件管理等，以实现机床的智能化；越来越受到机床制造商的欢迎。
  p" j. ^* u0 R: ?十一、双检安全功能
. F5 F5 S/ b" d0 ?" d0 R　  NGC系列16i/18i/21i 和 30i/31i/32i 中，设置有双检安全功能；它适合于欧洲安全标准EN954-1的安全功能。内嵌在CNC中的多个处理器双重监控伺服电机和主轴电机的位置、速度及与安全相关的I/O。这样，可以大幅简化为保证安全所必备的主轴电机速度监控装置以及简化紧急停止电路等为适合安全标准所追加的电路，因而可以降低机床必要的成本。由于该功能对以往在外部电路中一直难以实现的伺服电机的停止状态和位置也实行监控，因而可以将当今最高的安全功能添加到机床上。此外，机床制造商还可以将使用的液压、气动来控制外围等用于控制的I/O信号作为安全关联I/O进行定义，并通过双重监控实现灵活而又便于使用的功能。
十二、纠错码的应用
　 FANUC的CNC是基于系统化的LSI。根据FANUC设计开发的原则，其电路的印刷板应含最少的元件。由于CNC计算速度的提高，电子电路的速度也得提高， 它需要降低供电电压，以降低其损耗；这时驱动LSI的数字信号就象一个模拟信号；这就使CNC的信噪比降低了。为此就有可能降低系统的可靠性。纠错码是一种最尖端的可靠性技术，它在传输各类数据的过程中将纠错码添加在数据上，以使在数据传输过程中即便发生错误，也可以通过纠错码而检测出错误并予以纠正。FANUC公司的CNC，从一开始就针对CNC内部的半导体存储器以及FSSB而使用ECC。此外，ECC还用在高速CNC内部BUS上。这样，其可靠性一直深受用户好评的FANUC公司的CNC，它的可靠性又得到了进一步加强。
　 (5)RISC(精简指令集计算机)控制：如果需要预计算的程序段很多，比如高速加工需要进行多达几十段甚至几百段的程序预计算，这是非常复杂的。对于一般CNC而言，系统并没有这个处理能力。为了提高计算机的计算能力，采用了RISC芯片控制。NGC系列的前瞻控制段数据如表4所示。
/ |% p, Q& B; q5 l五、高速、大容量、多通道的PMC
　 30i系列由专用的处理器和最新的专用LSI组成的PMC，对大量的顺序控制进行高速处理。可以在一台PMC上执行最多3个通道、各自独立的梯形程序。每个梯形程序对应其自身独立的数据区，因而可以进行具有较高独立性的模块化、程序化的开发。可以分别创建用于装载轴控制和外围设备控制的梯形程序，并对其自由地进行添加和修改。可以根据每个用户的机床配置，简单地进行梯形程序的开发，实现机床的系统化。此外，由于不需要用于外围设备控制的外部PLC，因而可以降低系统的成本。
　 由PMC管理的各类I/O与FANUC的I/O LINK串行连接。FANUC I/OLINK除了连接通用的I/O外，还可以连接机床操作面板、用于外围设备控制的β伺服放大器、便携式机床操作面板。
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