1.3　FANUC數控系統概況

1.3.1　FANUC數控系統發展簡史

FANUC公司是全球最大、最著名的數控系統生產廠家之一，整體技術水平居世界領先地位，產品占全球CNC市場的30%以上。FANUC數控系統以先進、可靠、實用著稱，其數控系統發展歷史基本上代表了數控系統的技術發展過程。

FANUC公司的數控系統產品大致可分為以下幾代。

（1）第一代

第一代數控系統以電子電路控制、步進電機或電液脈沖馬達驅動為標志。第一代數控系統的數控裝置、驅動器采用的是電子管、晶體管等分立元件與小規模集成電路，伺服驅動系統為開環位置控制。

FANUC第一代數控系統的發展簡史如下。

1956年：研發了全日本第一臺電子管控制、電液脈沖馬達驅動的點位控制型數控系統。

1959年：研發了全日本第一臺電子管控制、電液脈沖馬達驅動的連續控制型數控系統。

1960年：研發了全日本第一臺步進電機直接驅動的數控系統。

1966年：研發了采用集成電路、電液脈沖馬達或步進電機直接驅動的數控系統。

1968年：研發了全世界首臺可用于多臺機床控制的控數控系統（當時稱為計算機集群系統）。

1969—1974年：研發了采用集成電路、電液脈沖馬達或步進電機直接驅動的數控系統標志性產品F200A/B系列，并在數控機床上得到了較大范圍的應用。

通過以上產品研發，1974年FANUC數控系統的市場占有率已位居世界第一。但是，由于步進電機和電液脈沖馬達受原理、結構等因素的限制，在本質上存在控制精度低（步距角大）、運動速度慢（高頻失步）、輸出轉矩小、運行噪聲大等諸多即使今天都不能完全解決的技術問題，嚴重制約了數控系統的進一步推廣和應用。為此，FANUC公司毅然放棄了步進電機和電液脈沖馬達的進一步研究，決定從美國GETTYS公司引進當時最先進的直流伺服電機制造技術，并研發了采用直流伺服驅動的新一代數控系統。

FANUC公司這一決策徹底改變了數控系統的伺服驅動技術發展方向，推動了全球數控技術的全面進步，從此，數控系統開啟了以直流伺服驅動代替液壓驅動、以閉環控制代替開環控制的全新歷程。

（2）第二代

第二代數控系統以微處理器控制、直流伺服驅動為標志。第二代數控系統的數控裝置采用了8位微處理器、中規模集成電路、晶閘管等第一代微電子及電力電子器件，伺服驅動系統為直流伺服電機驅動、閉環位置控制。

FANUC公司第二代數控系統的發展簡史如下。

1975年：為了推動直流伺服驅動技術的進步，FANUC公司與SIEMENS公司合作，并開始研發FANUC直流伺服、主軸電機。

1976—1978年：研發了配套FANUC（或SIEMENS）直流伺服、主軸驅動的高性能數控系統FANUC-SIEMENS SYSTEM 7（目前一般以FANUC Series表示，簡稱FS 7，下同）及簡約型數控系統FANUC SYSTEM 5（簡稱FS 5）。FS7系統具有4軸控制、3軸聯動功能，其性能可滿足大多數數控機床的控制要求。

1979—1982年：研發了配套FANUC（或SIEMENS）直流伺服、主軸驅動的新一代高性能數控系統FANUC-SIEMENS SYSTEM 6（簡稱FS 6）及簡約型數控系統FANUC SYSTEM 3（簡稱FS 3）等第二代數控系統的標志性產品。

FS 6系列數控系統采用了標準的MDI/CRT操作單元，系統已具備5軸控制、4軸聯動功能，并可采用SIEMENS公司生產的SIMATIC S5-130W模塊式PLC作為輔助控制器，系列產品的實際使用性能可滿足絕大多數數控機床的需要。因此，FS 6成為當時數控機床普遍使用的主導產品，在各類數控機床上得到了大量的應用，FANUC也由此奠定了數控系統在全球的領先地位。

（3）第三代

第三代數控系統以交流伺服驅動、微電子產品普及、高速高精度加工為標志，開啟了交流伺服全面代替直流伺服的革命，數控裝置普遍采用了16位、32位微處理器及大規模集成電路、IGBT、IPM等新一代微電子及電力電子器件，數控系統的軌跡控制精度、進給速度、主軸轉速大幅度提高，并逐步以網絡總線通信代替了傳統的信號連接電纜。

FANUC公司第三代數控系統的發展簡史如下。

1983年：FANUC S系列交流伺服、主軸驅動系列產品研發成功，數控系統伺服、主軸驅動系統的可靠性、使用壽命大幅度提高。

1984—1985年：研發了配套交流伺服、主軸驅動，使用光纜總線的高性能數控系統FANUC SYSTEM 10/11/12（簡稱FS 10/11/12）及簡約型數控系統FANUC SYSTEM 0（簡稱FS 0）系列產品。

FS 10/11/12系列數控系統率先使用了光纜總線通信的集成PMC、分布式I/O單元等新技術，數控系統可實現5軸控制、5軸聯動，軟件功能十分豐富。FS 10/11/12系列數控系統的研發，奠定了FANUC高性能數控系統的發展基礎。對于單機控制而言，FS 10/11/12的大部分技術性能，即使用于現代數控機床仍不顯落后。

簡約型系統FS 0是FANUC歷史上研發最為成功的數控系統產品之一，系列產品的可靠性大大高于當時的同類產品，而且其性能價格比與同類產品比較具有極大的優勢，因此，它們在實用型數控機床上得到了極為廣泛的應用。

1986—1987年：研發了使用MMC（man machine communication）操作界面的工業計算機代替CRT顯示器的FANUC SYSTEM 00/100/110/120系列數控系統，以及改進版交流數字伺服、主軸驅動等產品。

1988—1993年：研發了FANUC SYSTEM 15（簡稱FS 15）系列高速高精度加工控制用的高性能數控系統以及FANUC-α系列交流伺服、主軸驅動等產品。

FS 15系列數控系統采用了當時最先進的64位高速微處理器和RISC（reduced instruction set computing，精簡指令集計算機）、超大規模立體集成電路等新穎控制器件，系統的處理速度、運算精度大大提高。最初的FS 15最大控制/聯動軸數可達24/24軸，位置分辨率可達1nm，快進速度可達240m/min，并具有Cs軸控制、五軸加工等現代化控制功能；系統集成PMC的程序存儲容量為24000步，處理速度為0.1μs/步。以上技術指標均代表了第三代數控系統的最高水平，并且在后續的FS 15B等改進版產品中不斷提高。

1994—1996年：以提高FS 15系統性價比為主要發展方向，在FS 15系列數控系統的基礎上，相繼研發了FS 16（最初為18軸控制/6軸聯動）、FS 18（最初為10軸控制/4軸聯動）、FS 20（最初為8軸控制/4軸聯動）、FS 21（最初為6軸控制/4軸聯動）、FS 22（最初為4軸控制/4軸聯動），使用MMC操作界面的工業計算機代替顯示器的FS 150/160/180/210等FS 15系列拓展產品，簡約型數控系統的改進產品FANUC SYSTEM 0-MODEL B/C（簡稱FS 0B、FS 0C）等。

FS 15系列和FS 0系列產品的研發，分別占領了高性能數控機床和普通型數控機床的應用市場，在國際國內數控機床上得到了極為廣泛的應用，標志著FANUC數控系統產品的市場占有率開始大幅度領先于其他數控系統生產廠家。

（4）第四代

第四代數控系統以多軌跡（多路徑）控制、五軸聯動與復合加工、直接驅動等最新技術應用和利用IT技術的遠程控制、診斷與維修功能為標志，它是適應現代數控機床技術發展需求的新一代數控系統。

第四代數控系統以網絡總線代替了傳統的信號連接電纜，在大幅度簡化系統連接的同時，大大提高了系統的擴展和網絡集成能力；數控系統充分利用了現代計算機的高速高精度性能，通過高速高精度的多軌跡插補運算，具備了同時運行多個加工程序、控制多種軌跡加工的能力，故可滿足現代多主軸同時加工、復合加工、五軸加工數控機床和FMC、FMS的控制需要。與此同時，還可使用工業平板電腦代替LCD顯示器，大大提高系統操作性能和遠程通信能力，使得數控系統的遠程控制、診斷與維修成為現實。

FANUC公司的第四代數控系統的研發始于FS 15系列和FS 0系列，并以最新的FS 30i系列和FS 0i系列作為標志性產品，產品的發展簡史如下。

1997—2000年：研發了應用IT技術的i系列高性能數控系統FANUC SYSTEM 15i/16i/18i/21i-MODEL A（簡稱FS 15iA/16iA/18iA/21iA）、使用MMC操作界面的工業計算機代替顯示器的FS 150iA/160iA/180iA/210iA系統和簡約型FANUC SYSTEM 0i-MODEL A（簡稱FS 0iA）系統，以及新一代使用FSSB（FANUC serial servo bus）高速串行伺服總線連接的FANUC-αi高性能伺服主軸驅動產品；與此同時，還推出了適合普通數控機床用的高性價比β系列交流伺服主軸驅動產品。

2001—2002年：研發了五軸聯動與復合加工控制用的FANUC SYSTEM 16i/18i/21i-MODEL B5（簡稱FS 16i/18i/21iB5）系列高性能數控系統，改進版的FS 0iB、FS 0i Mate A/0i Mate B等簡約型數控系統，同時，還研發了應用IT技術的FANUC-βi系列高性價比普通型伺服主軸驅動等產品。

2003—2004年：研發了用來替代FS 15i系列高性能數控系統的全新系列產品FANUC SYSTEM 30i/31i/32i-MODEL A（簡稱FS 30iA/31iA/32iA）、五軸聯動與復合加工控制系統FS 30iA5，同時，推出了改進版的FANUC-αis系列伺服主軸驅動等產品。

2005—2008年：相繼研發了五軸聯動與復合加工控制系統FS 31iA5/32iA5，使用MMC操作界面的工業計算機代替顯示器的FS 300iA/310iA/320iA、FS 300is A/310is A/320is A、FS 310iA5/310is A5等高性能數控系統，以及改進版的FS 0iC、FS 0i Mate C等簡約型數控系統產品。

2009—2012年：相繼研發了FS 30i系列改進版的FS 30iB/31iB/32iB、FS 35iA，五軸聯動與復合加工控制系統FS 30iB5等高性能數控系統，以及改進版的FS 0iD、FS 0i Mate D系列簡約型數控系統。

2013—2015年：相繼研發了改進版的FS 35iB、五軸聯動與復合加工控制系統FS 31iB5/32iB5等系列高性能數控系統，改進版的FS 0iF系列簡約型數控系統，以及FANUC Lis系列直線電機、Dis系列轉臺直驅電機、Bi系列電主軸等新一代直接驅動伺服電機、主軸電機產品。

2016—2019年：相繼研發了使用iHMI操作界面的FANUC PANEL i系列工業平板電腦代替顯示器的FS 30iB系列高性能數控系統和簡約型升級版數控系統FS 0i F-Plus，新一代運動控制器FANUC POWER Motion i-MODEL A（4路徑、32軸控制），同時，還推出了改進版的FANUC Lis-B系列直線電機、Dis-B系列轉臺直驅電機、Bi-B系列電主軸等直接驅動伺服電機、主軸電機等最新一代產品。

FANUC PANEL i（包括PANEL iH、PANEL iH Pro）系列工業平板電腦（industrial panel PC）采用Intel Core i5處理器、電容式觸摸屏、1920×1080像素Full HD（full high definition，全高清）10.4～21.5in（1in=2.54cm）顯示、iHMI操作界面，并利用FANUC HSSB（high speed serial bus，高速串行總線）與CNC連接，大大提高了CNC操作和遠程控制、診斷與維修性能。

1.3.2　當前主要產品

（1）簡約型系統

FANUC SYSTEM 0i（簡稱FS 0i）系列簡約型數控系統是FANUC公司銷量最大、可靠性最好、性價比最高的數控系統，產品在各類數控機床上得到了極為廣泛的應用。

簡約型數控系統最初是FANUC公司專門為5軸以下、大批量生產數控機床所研發的實用型數控系統，但是，最新的FS 0iF/F Plus已具備12軸控制、4軸聯動功能，因此，實際上已可用于除五軸聯動及復合加工中心以外的絕大多數數控機床控制。

FS 0i的數控裝置（以下簡稱CNC）型號的一般表示方法如下：

截至目前，FS 0i已經推出了FS 0iA、FS 0iB、FS 0iC、FS 0iD、FS 0iF、FS 0iF Plus共6大系列、多種類別的數控系統產品，產品性能不斷提高。FS 0i不同系列產品在結構、功能及用途上的主要區別如下。

①產品結構。在數控系統基本結構上，早期的FS 0iA、FS 0iB采用的是MDI/LCD（手動數據輸入/顯示單元，下同）和CNC（數控裝置，下同）分離型結構，通常而言，MDI/LCD安裝在機床操縱臺上、CNC安裝在控制柜內；后期的FS 0iC、FS 0iD、FS 0iF、FS 0iF Plus均采用MDI/LCD/CNC一體型結構，整個單元均安裝在機床操縱臺上，其結構更緊湊、安裝更方便。

在網絡結構上，FS 0iA系列PMC的I/O單元與CNC之間采用了I/O-Link網絡總線連接，但是，CNC與伺服驅動器仍需要使用傳統的電纜連接，因此，所配套的驅動器為α系列、β系列電纜連接驅動器；自FS 0iB起，后續的產品均采用了FANUC高速串行伺服總線（FANUC serial servo bus，FSSB）技術，實現了CNC和伺服驅動器的光纜網絡連接，所配套的驅動器為FSSB光纜連接的αi/βi系列驅動器。

②產品功能。FS 0i的功能有標準配置和用戶選配兩種，FS 0iD及前期產品的標準配置系統需要增加功能代號“Mate”，用戶選配系統不加功能代號；FS 0iF/0iF Plus則以Type3或Type5表示。

標準配置FS 0i Mate的軟硬件功能不能改變，FANUC已根據數控機床的基本控制要求，配置了標準的選擇功能軟件包及常規硬件。FS 0i Mate的CNC主板無安裝擴展模塊的接口，故不能選擇通信接口、數據服務卡、附加軸控制、附加主軸控制等擴展模塊及多軸控制、多路徑控制、同步軸控制、傾斜軸控制、增強型PMC等軟件功能，也不能選擇10.4in分離型LCD等部件。用戶選配的FS 0i的CNC主板帶擴展模塊接口，可根據用戶需要，增加硬件模塊與軟件功能，增強系統功能。

例如，標準配置的FS 0i Mate D為水平布置或垂直布置的8.4in LCD/CNC/MDI一體型單元，其最大控制軸數為6軸（5軸進給+1主軸），聯動軸數為4軸，PMC最大I/O點為256/256點，程序容量8000步，基本指令執行時間為1μs。

用戶選配的FS 0iD不但可選用水平布置或垂直布置的8.4in LCD/CNC/MDI一體型單元，并且，還可以根據需要選擇10.4in LCD/CNC單元加分離型MDI的結構，CNC最大可擴展至2加工路徑（FS 0i TTD）、11軸控制（8軸進給+3主軸）/4軸聯動等軟硬件，PMC的最大I/O點可擴展到2048/2048點，程序容量可增加到32000步，基本指令執行時間可提高到0.025μs等。

最新的FS 0iF Plus系列產品，最大可用于3機械組、2路徑加工、2路徑裝卸控制（有關機械組、路徑控制的含義詳見第3章），最大控制軸數為12軸（不分進給軸、主軸），4軸聯動。系統分為用戶選配型（Type1，可選擇全部功能）、高速高精度加工標準配置型（Type3）、一般加工標準配置型（Type5）3種規格。

標準配置的FS 0iF Plus Type3、Type5為水平布置或垂直布置的10.4in LCD/MDI/CNC一體型單元，系統為單機械組、1加工路徑、6軸控制/4軸聯動，PMC最大I/O點為2048/2048點，程序容量24000步，基本指令執行時間為0.018μs。

用戶選配的FS 0iF Plus Type1可選配使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工業平板電腦代替顯示器；PMC最大可擴展至3路徑（機械組）控制，3程序同步運行，程序容量約為100000步（48000步+32000步+16000步）。

③產品外形。FS 0iF系列數控系統的外形如圖1.3.1所示。

標準配置的FS 0iF Type3、Type5系統有圖1.3.1（a）所示的水平布置和垂直布置8.4in LCD/CNC/MDI一體型2種基本結構；如果需要，也可選配圖1.3.1（b）所示的10.4in LCD/CNC單元加分離型MDI面板的結構。用戶選配的FS 0iF/0iF Plus Type1系統，不僅可以選擇水平布置和垂直布置8.4in LCD/CNC/MDI一體型、10.4in LCD/CNC單元加分離型MDI面板等結構，而且還可選配如圖1.3.1（c）所示的15in LCD/CNC單元加分離型MDI面板結構。

最新的FS 0iF Plus系統外形如圖1.3.2所示。

標準配置的FS 0iF Plus Type3、Type5系統有圖1.3.2（a）所示的水平布置和垂直布置10.4in LCD/CNC/MDI一體型2種結構；用戶選配的FS 0iF Plus Type1系統可選配使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工業平板電腦代替顯示器，垂直布置的15in iHMI/CNC加分離型MDI結構的CNC如圖1.3.2（b）所示。

（2）高性能型系統

FANUC 30i系列CNC是為了適應世界機床行業技術發展，而開發的高速高精度五軸及復合加工、FMC、FMS控制用數控系統，其產品性能居當今世界領先水平。

FS 30i系列數控系統采用了當前最先進的超高速處理器、FSSB高速串行伺服總線技術（FANUC serial servo bus）、64位RISC（精簡指令系統）等技術，大大提高了NC的處理速度；IC元件的立體化安裝有效地提高了可靠性、縮小了體積。CNC的最小輸入單位、最小輸出單位、插補單位可達1nm（0.001μm），伺服電機內置有每轉32000000脈沖FANUCαiA 32000高分辨率編碼器，并可選配五軸聯動加工、坐標系設定誤差補償、刀具端點自動控制、坐標系空間旋轉、傾斜面加工等當代高速高精度五軸及復合加工用的先進功能。系統選配使用iHMI操作界面的FANUC PANEL i系列工業平板電腦代替顯示器時，可直接使用Windows OS、Windows CE操作系統，進行數據、文件、資料的管理，并可選擇C語言編程功能，制作用戶個性化畫面。

FS 30i目前主要有FS 30i、FS 31i、FS 32i、FS 35i四大系列產品，以FS 30i的功能為最強。最新的FS 30iB最大可控制5機械組、15路徑加工，最大控制軸數為96軸（72進給軸+24主軸），最大聯動軸數可達24軸；FS 31iB5最大可控制6路徑加工，最大控制軸數為34軸（26進給軸+8主軸），最大聯動軸數為5軸；FS 32iB最大可控制2路徑加工，最大控制軸數為20軸（12進給軸+8主軸），最大聯動軸數為4軸；FS 35iB最大可控制4路徑加工，最大控制軸數為20軸（16進給軸+4主軸），最大聯動軸數為4軸。有關機械組、路徑控制的含義詳見第3章。

FS 30i系列集成PMC最大可控制5路徑、5程序同時運行，最大I/D點可達5×2048/2048點I/O，最大程序總容量為300000步，基本指令執行時間為0.018μs。

FS 30i系列數控系統的CNC外形如圖1.3.3所示。

FANUC 30i可選擇圖1.3.3（a）所示的10.4in LCD/CNC或1.3.3（b）所示的15in LCD/CNC加MDI分離型結構，或者選配圖1.3.3（c）所示的使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工業平板電腦代替顯示器的MDI分離型結構。

1.3.3　FS 0iF主要功能

（1）CNC主要功能

FANUC公司的FS 0i系列簡約型數控系統是國際國內市場用量最大、可靠性最高的數控系統，其中，FS 0iF/F Plus是當前的主導產品。為了便于用戶使用，FANUC公司對FS 0iF/F Plus的功能進行了“打包”處理，并分為如下Type1、Type3、Type5三種規格。

Type1：用戶選配系統，可選配FS 0iF/F Plus的全部功能，CNC最大可控制2路徑12軸，4軸聯動；Type1可選配3機械組（machine group）、2路徑裝卸控制（loader control）功能；PMC支持3程序同步運行（3路徑PMC控制），最大程序容量可達100000步。

Type3：現代高速高精度加工機床用標準配置系統，CNC配置有高速高精度加工功能和基本功能2個軟件包，CNC最大可控制1路徑7軸，4軸聯動；系統可用于無裝卸軸、單機械組控制；PMC為1路徑控制、單程序運行，最大程序容量為24000步。

Type5：傳統加工機床用標準配置系統，CNC只配置1個基本功能軟件包，CNC最大可控制1路徑7軸，4軸聯動；系統同樣用于無裝卸軸、單機械組控制；PMC為1路徑控制、單程序運行，最大程序容量為24000步。

表1.3.1為FS 0iF主要功能及與PMC程序設計相關的軟件功能一覽表，表中的FS 0iMF用于鏜銑類機床控制，FS 0iTF用于車削類機床控制。有關路徑、裝卸軸、機械組等基本概念的說明詳見第3章。

（2）PMC基本功能

FS 0iF的PMC規格有多路徑控制PMC和雙重檢測安全型PMC（dual check safety PMC，簡稱DCS PMC）兩種規格，用戶選配的FS 0iF Type1系統PMC最大可選配3路徑控制，標準配置的FS 0iF Type3、Type5系統PMC使用1路徑控制DCS PMC。

FS 0iF系統的PMC主要PMC技術參數如表1.3.2所示。