龔仲華

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)代CNC區(qū)別于傳統(tǒng)CNC的顯著特點(diǎn)之一。目前，國(guó)外先進(jìn)的CNC均在不同程度上應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CNC采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的本質(zhì)是利用總線通信實(shí)現(xiàn)CNC各部件之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制，其目的是簡(jiǎn)化系統(tǒng)連接、方便擴(kuò)展、節(jié)省線材、提高可靠性。但是，目前有的CNC生產(chǎn)廠家有意無(wú)意地在樣本和說(shuō)明書(shū)中混淆這一概念，導(dǎo)致用戶誤解。本文將以FANUC－0iC/D為例，對(duì)此進(jìn)行分析和說(shuō)明，供同行參考。

1 基本要求

一般而言，全功能CNC系統(tǒng)的硬件組成包括CNC裝置、數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置、伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)置或外置PMC（PLC）等。當(dāng)前，幾乎所有的CNC都已用LCD替代了傳統(tǒng)的CRT顯示器，CNC和數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置通常集成一體，兩者的連接已在內(nèi)部完成，不存在簡(jiǎn)化用戶連接、節(jié)省線材等問(wèn)題。因此，CNC網(wǎng)絡(luò)控制所涉及的是CNC與伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸驅(qū)動(dòng)器、上級(jí)計(jì)算機(jī)間的總線鏈接與控制，CNC與外置PMC或CNC內(nèi)置PMC與I/O模塊間的總線鏈接與控制等。但是，如果 CNC只有用于數(shù)據(jù)輸入/輸出的USB接口或一般計(jì)算機(jī)的通信接口，其內(nèi)部組成部件間未采用網(wǎng)絡(luò)總線鏈接，這樣的CNC不能稱為網(wǎng)絡(luò)控制。

CNC的網(wǎng)絡(luò)控制是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，F(xiàn)ANUC和SIEMENS是全球最早使用這一技術(shù)的CNC生產(chǎn)廠家，他們?cè)缭?0世紀(jì)70年代末，已在合作生產(chǎn)的6系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了 FANUC－CNC和 SIEMENS S5－130W PLC間的總線連接和通信。到了80年代初，F(xiàn)ANUC在其研發(fā)的FS－11系統(tǒng)上率先實(shí)現(xiàn)了CNC和PMC、MDI/CRT單元間的光纜通信，隨后網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大、功能日益增強(qiáng)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最初只用于FANUC－11、FANUC－15及SIEMENS 840C/D等高檔CNC，到后來(lái)才逐步推廣到FANUC－0、SIEMENS 802/810等CNC上。以FANUC－0系列系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱FS－0i）為例，在20世紀(jì)末生產(chǎn)的FS－0iA上，只是通過(guò)I/O－Link總線實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置PMC和I/O－Link從站（如I/O單元、分布式I/O等）的總線鏈接，其CNC與伺服驅(qū)動(dòng)器間仍使用PWM電纜連接;到了21世紀(jì)初的FS－0iB上，開(kāi)始配套網(wǎng)絡(luò)控制型αi/βi驅(qū)動(dòng)器，CNC與伺服驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始采用FSSB總線鏈接;而FS－0iC/D則全面應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 主要內(nèi)容

CNC網(wǎng)絡(luò)控制的基本內(nèi)容包括CNC與伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸驅(qū)動(dòng)器、上級(jí)計(jì)算機(jī)間，CNC與外置PMC或CNC內(nèi)置PMC與I/O模塊間的總線鏈接與控制等。

伺服驅(qū)動(dòng)器是CNC系統(tǒng)的重要組成部分，能否在CNC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制，應(yīng)是判定全功能CNC和普及型CNC的標(biāo)準(zhǔn)［1］，它也是國(guó)產(chǎn)CNC和進(jìn)口CNC目前存在的主要技術(shù)差距。傳統(tǒng)的CNC和伺服驅(qū)動(dòng)器采用的是電纜連接，CNC通過(guò)I/O信號(hào)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行，其連接復(fù)雜、擴(kuò)展性能差、耗材較多、距離受限，故需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線來(lái)替代電纜連接。

主軸驅(qū)動(dòng)器的情況與伺服驅(qū)動(dòng)器類似。傳統(tǒng)的CNC只有主軸轉(zhuǎn)速控制功能，它只能輸出S代碼（或S模擬量）和用于轉(zhuǎn)向、啟停、定位控制的輔助控制信號(hào)（M代碼），實(shí)際主軸控制需要通過(guò)PMC和主軸驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代CNC的主軸功能已大為增強(qiáng)，CNC不僅可控制主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和定位，而且也可像伺服軸那樣控制位置并參與插補(bǔ)運(yùn)算（Cs軸），因此，同樣需要用網(wǎng)絡(luò)總線來(lái)替代CNC、PMC和主軸驅(qū)動(dòng)器間的電纜連接。

PMC用于機(jī)床輔助動(dòng)作的控制，它需要連接眾多的行程開(kāi)關(guān)、電磁閥等I/O信號(hào)。為了簡(jiǎn)化連接、節(jié)省線材、提高可靠性，需要像分布式通用PLC那樣，將PMC的I/O單元（模塊）從電柜集中安裝改為總線鏈接的分布式安裝，構(gòu)成所謂的“省配線網(wǎng)”，這是網(wǎng)絡(luò)控制在CNC內(nèi)置PMC上的實(shí)現(xiàn)形式。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和信息化業(yè)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求CNC機(jī)床不僅可作為一臺(tái)獨(dú)立的加工設(shè)備，而且還能組成FMS系統(tǒng)、成為企業(yè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)的一部分，并接受上級(jí)管理計(jì)算機(jī)的集中、統(tǒng)一控制，因此，CNC需要具備與管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈接的功能。

以上是CNC網(wǎng)絡(luò)控制的基本內(nèi)容，由于不同CNC的功能和要求不同，也可能只有部分采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3 FS－0iC/D的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

FS－0iC/D的CNC/MDI/LCD集成一體，它以I/O－Link總線替代了傳統(tǒng)的I/O單元連接電纜;以FSSB總線替代了傳統(tǒng)的伺服PWM電纜;以工業(yè)以太網(wǎng)替代了傳統(tǒng)的通信連接;整個(gè)CNC系統(tǒng)具有圖1所示層次清晰的三層網(wǎng)絡(luò)。

I/O－Link是I/O鏈接網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，亦稱“設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)”、“省配線網(wǎng)”，這是一種用于設(shè)備內(nèi)部的 PMC（PLC）等控制器與開(kāi)關(guān)量輸入/輸出單元（模塊）及傳感器、執(zhí)行器等I/O裝置連接的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，總線一般為2或4芯電纜。采用I/O－Link網(wǎng)絡(luò)后，可將原來(lái)需要集中安裝在電柜內(nèi)的I/O單元轉(zhuǎn)移到緊靠傳感器、執(zhí)行器的分線盒上，從而縮短I/O連接電纜的長(zhǎng)度。在FS－0iC/D上，CNC內(nèi)置PMC是I/O－Link網(wǎng)絡(luò)的主站，而FANUC機(jī)床操作面板、操作面板I/O單元、0iC－I/O單元、分布式I/O單元、βi－I/O－Link驅(qū)動(dòng)器等均可以直接作為I/O－Link網(wǎng)絡(luò)從站** ［注］網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，具有網(wǎng)絡(luò)鏈接功能的物理設(shè)備統(tǒng)稱“站（Station）”，用來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的站稱“主站（Master Station）”;接受主站控制的站稱“從站（Slave Station或Slave）”;在FANUC中文資料中，以上名稱的翻譯不規(guī)范。［注］。

此外，如果FS－0iC/D配套有串行控制的FANUC交流主軸驅(qū)動(dòng)器，主軸驅(qū)動(dòng)器也可通過(guò)I/O－Link總線與CNC鏈接，但由于主軸既要通過(guò)PMC控制其運(yùn)行，又要通過(guò)CNC控制其速度和位置，因此，它需要使用獨(dú)立的串行主軸I/O－Link總線。

FSSB是FANUC高速串行伺服總線（FANUC Seri-al Servo Bus）的簡(jiǎn)稱，它是伺服系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)（Servo System Control Network——SSCNET）的一種，隸屬現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。SSCNET是用于CNC、PMC等位置控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器鏈接的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，用于位置控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定和運(yùn)行監(jiān)控，其通信介質(zhì)一般為光纜，傳輸速率比I/O－Link更高、連接更簡(jiǎn)單。在FS－0iC/D上，CNC為 FSSB的網(wǎng)絡(luò)主站，αi/βi伺服驅(qū)動(dòng)器、外置式測(cè)量檢測(cè)單元等是FSSB網(wǎng)絡(luò)的從站。

工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）是一種用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集整理、設(shè)備管理調(diào)度與控制的開(kāi)放式工廠局域管理網(wǎng)，它通過(guò)管理計(jì)算機(jī)（主站）和設(shè)備控制器（從站，CNC、PMC等）間的通信，可在辦公環(huán)境下直接管理和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行，并能與公共數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（Public Data Network）、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）等廣域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。FS－0iC/D可配置10Base－T（10 Mbit/s）或100Base－T（100 Mbit/s）標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)，但需要增加選擇功能，F(xiàn)S－0iMate系列CNC不能選擇這一功能。

4 FS－0iC/D的網(wǎng)絡(luò)配置

網(wǎng)絡(luò)控制的CNC組成部件（從站）可靈活選擇，從站的安裝位置無(wú)規(guī)定要求，因此，無(wú)論P(yáng)MC或CNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置（Configuration，亦稱組態(tài)）來(lái)確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、從站地址、從站功能，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。FS－0iC/D網(wǎng)絡(luò)配置的主要內(nèi)容如下［2］。

①FSSB網(wǎng)絡(luò)配置。根據(jù)CNC所實(shí)際配套的驅(qū)動(dòng)器、外置測(cè)量檢測(cè)單元情況，定義FSSB從站在網(wǎng)絡(luò)中的地址、名稱、類型等，建立X/Y/Z等坐標(biāo)軸名稱和所使用的驅(qū)動(dòng)器、測(cè)量檢測(cè)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如CNC有Cs軸控制功能，也需要在FSSB網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行同樣的配置。FSSB網(wǎng)絡(luò)配置可用參數(shù)設(shè)定或伺服設(shè)定引導(dǎo)操作進(jìn)行。

②I/O－Link網(wǎng)絡(luò)配置。根據(jù)CNC實(shí)際配套的I/O單元，設(shè)定I/O－Link從站的名稱、類型和DI/DO信號(hào)數(shù)量、編程地址。FS－0iC/D的從站地址有組（GROP）、基座（BASE）、插槽（SLOT）、名稱（NAME）等欄目，初學(xué)者不易理解，說(shuō)明如下。

組（GROP）:FS－0iC/D的I/O－Link采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有I/O單元依次串聯(lián)，組是I/O單元（從站）在I/O－Link網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際安裝位置，離PMC（主站）最近的單元地址為“0”;以后的從站組號(hào)依次遞增。

基座（BASE）:只用于分布式I/O單元。FS－0iC/D的分布式I/O單元為機(jī)架+模塊結(jié)構(gòu)，可連接擴(kuò)展機(jī)架（類似于PLC）?；欠植际絀/O單元的機(jī)架安裝位置，基本機(jī)架的基座號(hào)為“0”，擴(kuò)展機(jī)架的基座號(hào)依次遞增。對(duì)于0iC－I/O單元、操作面板單元等無(wú)擴(kuò)展功能的從站，基座號(hào)總是為“0”。

插槽（SLOT）:同樣只用于分布式I/O單元。分布式I/O單元的每一個(gè)機(jī)架最大可安裝4個(gè)I/O模塊，插槽就是I/O模塊在機(jī)架上的安裝位置。分布式I/O單元的I/O－Link總線連接模塊的插槽號(hào)規(guī)定為“0”（必須安裝在第1個(gè)插槽內(nèi)），用于I/O信號(hào)連接的I/O模塊插槽號(hào)依次遞增。0iC－I/O單元、操作面板單元等只有1個(gè)固定的I/O模塊，因此，其插槽號(hào)總是為“1”。

③串行主軸配置。如果CNC選擇了串行主軸控制功能，同樣需要定義主軸驅(qū)動(dòng)器在網(wǎng)絡(luò)中的地址、名稱、類型等，建立主軸名稱和驅(qū)動(dòng)器、測(cè)量檢測(cè)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于串行主軸的參數(shù)眾多，配置時(shí)一般只需要在CNC上設(shè)定編碼器類型、連接形式、減速比、轉(zhuǎn)向等硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能參數(shù)，如果有Cs軸控制功能，也需要在FSSB網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行配置，但驅(qū)動(dòng)器的PWM載頻，轉(zhuǎn)速/電壓/電流調(diào)節(jié)器和濾波器等與電動(dòng)機(jī)匹配的參數(shù)可直接利用串行主軸引導(dǎo)操作自動(dòng)設(shè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，CNC各組成部件間的總線鏈接和控制是CNC網(wǎng)絡(luò)控制的本質(zhì)，因此，所謂網(wǎng)絡(luò)控制的高檔CNC，應(yīng)是CNC各組成部件采用總線鏈接、并由CNC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制的系統(tǒng)，盡管目前有很多通用伺服驅(qū)動(dòng)器也可用開(kāi)放式的通信總線發(fā)送位置指令脈沖和控制命令，但因其坐標(biāo)軸的位置控制沒(méi)有在CNC上實(shí)現(xiàn)，故仍然屬于普及型CNC的范疇;至于CNC是否有USB接口更不能作為衡量CNC網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)。

［1］龔仲華．論通用伺服與專用伺服［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2011（5）:141－142．

［2］龔仲華．FANUC－0iC數(shù)控系統(tǒng)完全應(yīng)用手冊(cè)［M］．北京:人民郵電出版社，2009．