当前，机床行业正向高速和高精方向发展，同时，零件高的表面质量也是广大用户追求的目标，尤其在航空、航天、船舶以及模具加工等领域。另一方面，数控机床也朝人性化方向发展，不断追求易操作性。这就对数控系统提出了很高要求，比如系统的运行速度、多轴/五轴功能、高速高精以及高表面质量特性、好的可维护性以及好的人机操作界面等。下文结合海德汉iTNC530控制系统对这一些典型的特性进行简要地介绍。图1为海德汉提供的全套数字系统iTNC 530。
图1 海德汗iTNC530控制系统
1 数控系统的高速、高精和高表面质量特性
1.1好的硬件设计理念
硬件设计的好坏决定控制系统能否适合于高速、高精以及高表面质量加工。iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力。控制器本身包含了主机单元（MC ）和控制单元（CC ）两个部分：
1.1.1主机单元（MC ）
采用了奔腾IIII-800芯片、133MHz 总线频率，并带有各类数据通讯接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），这是进行所有计算、屏幕显示和数据通讯的的保证。海德汉的控制系统所有的实时任务均在自己开发的实时操作系统（HEROS ）下完成，而且海德汉也可提供带双处理器的主计算机，它既可以保证系统的实时计算和稳定性能，同时又能满足用户对Windo ws 应用程序的需求。
1.1.2控制单元（CC ）
最新的设计中集成了控制系统的所有伺服控制回路（位置环/速度环/电流环），所有的伺服计算都在DSP （数字信号处理器）中完成。测量元件的反馈均集成在CC 上，包含位置反馈和速度反馈。其优势在于：保证伺服计算快速和实时要求，减小各伺服回路周期，减少各个回路间的通讯延迟，可在位置回路实现高增益，实现高速和高表面质量加工，并可很好地控制直接驱动（直线电机和力矩电机）。
1.1.3好的伺服控制和高速控制能力
针对复杂的曲面，如果要实现高速、高精和高表面质量加工，在具备好的硬件基础上控制系统软件也必须具有好的伺服性能以及高速性能。
在强大硬件的支持下，iTNC 530采用了全数字化技术，在其控制软件中运用了最新的技术及其独特的算法才使得它成为用于高速铣削加工的最佳选择。iTNC 530能保持系统平衡，实现短的程序段处理时间（0.5ms ）和短的各控制回路周期以及各类插补（直线/圆弧/螺旋线/样条），其独特的Jerk （加加速）控制技术可防止机床震动，其程序预读功能（256段）和轮廓上的优化控制技术能让机床既能保持高速运行，又能保持轮廓精度和表面质量。iTN
C 530可实现高速主轴控制，目前海德汉提供的主轴转速可达40000转/分。同时，iTNC 530可实现各种误差补偿，包括线性和非线性轴误差、反向间隙、圆周运动的方向尖角、热膨胀及粘滞摩擦。
1.2 加加速控制（突变控制）及过滤器
1.2.1 加加速控制（Jerk ）
图2 加加速度限制和光滑
加速度的导数定义为加加速(Jerk)。众所周知，要机床具备良好的加减速功能，必须要保持合理的加加速。如果加加速过大（过于突然），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面加工质量；如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，如何保证高速和高表面质量非常重要。iTNC 530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理来实现上述功能。通过该功能的使用既可以减少加工中由于加加速突变而产生的机床振动而实现高表面质量加工，同时又能达到机床良好的加减速性能。图2中给出了两种不同情形。其中2(a)是采用匀加速度来加速运行过程，从而造成了在起始加速和停止加速时出现无穷的加加速度，引起机床的振荡。
而iTNC 530采用了图3(b)所示的变加速度并限制和光滑加加速度来运行，机床得以平滑运行。图3给出了一对测试结果，(a)为不带加加速度控制，而(b)则为带有加加速控制。通过比较可以看出，带加加速限制和光滑处理后，轮廓偏置得到了大大的改善。
图3 带与不带加加速度限制和光滑处理的控制比较
1.2.2名义位置过滤器
在控制系统执行完插补功能以后，产生名义位置值提供给后续的位置回路。大家知道，实现高速、高精和高表面质量要求与很多因素相关，尤其是机床本身的动态性能。海德汉iTNC 530系统提供了不同类型的内置的名义位置过滤器，比如单过滤器（standard filter）、双过滤器（double filter）和高速过滤器（HSC filter）。系统可根据用户的不同需求和机床本身的动态性能确定采用哪种过滤器，它可通过设置不同的参数完成。图4为不同过滤器作用范围。
图4 过滤器
1.3 五轴-多轴-加工中心控制
针对带有摆头和旋转工作台的5轴联动加工的需求，iTNC 530提供了很多功能，比如刀具中心点管理控制(TCPM)、3D 刀具补偿功能、支持倾斜面以及圆柱表面加工功能。通过机床参数设置，iTNC 530可支持不同结构的5轴加工机床。举例来讲，进行3-D 加工时，需要利用样条插补和Jerk 控制技术，通过表面法向矢量进行3-D 刀具补偿，利用刀具中心点管理（TCMP ）功能控制轮廓加工并保持刀具与轮廓垂直，从而可满足3-D 加工要求并达到高的精度和表面质量要求。同时，海德汉的“GANTRY”同步技术为龙门框架结构的机床提供最佳性能的保证。
iTNC 530具备所有加工中心所需要的功能，比如，通过刀具表对任意把刀具进行管理(自动换刀、刀具寿命、刀具磨损等) 、交换工作台管理、用3D 触发式测头进行设定工件原点、自动工件测量、刀具自动测量和断裂检查等。
海德汉最新开发的动态碰撞监控功能对于比较复杂的机床，可在碰撞发生前预先知道，从而可以防止碰撞的发生。
2 用户友好性和可操作性
海德汉控制器从一开始就是面向车间发展起来的数控系统，因而它具有独特对话式编程方式和友好的人机界面，分述如下：
2.1 对话式编程及支持
iTNC 530控制系统最大的一个优点在于它操作的简易性。iTNC 530系统采用HEIDENHAIN 对话式编程语言，通过点击键盘上的轮廓元素键，并利用连续图形对话方式即可在机床上实现加工程序编辑。使用这种方式，操作人员根本不用记忆G 代码，只需使用专用键和软键就可以设定直线区段、定义圆弧和循环程序，构成所期望的零件形状。有时轮廓元素并不一定都按NC 方式来表示的，使用自由轮廓程序编辑方式可减少转换或补充等额外的计算。在使用该方式时，只需将所有的约束信息输入到控制器即可。如果轮廓有多种解答方式，iTNC 530会全部列出以供选择。
同时在编程过程中iTNC 530提供强大的图形支持和图形模拟功能，让用户在编程时得到系统的充分支持，并在正式运行程序前进行模拟检测。当然，iTNC 530也支持使用G 代码的I SO 编程模式。另一方面，iTNC 530具有很好的兼容能力，也就是说以前的程序可在现有的控制系统中运行，因此用户只需学习新的功能。
2.2 标准铣、钻、镗和攻丝加工的固定循环
图5 固定循环人机界面
iTNC530的另一个优点是它将经常重复使用的加工过程做成标准的循环程序。iTNC 530系统提供的标准循环包含有钻孔、攻丝、镙纹铣削、铰孔、镗孔、孔组合以及粗铣和精铣沟槽、型腔和凸台等。同时，对于复杂轮廓，iTNC530提供了子轮廓组合循环（SL 循环），特别适合于型腔铣削。利用SL 循环，可在子程序中定义各种子轮廓或轮廓区段(型腔或凸台) ，然后根据需要加以组合。以这种方式，单一的轮廓描述就可以适用于多种使用不同刀具的操作。加工时最多可迭加12个子轮廓，而控制器会自动计算产生最终轮廓及粗铣和清除表面的刀具路径。
使用上述循环时，用户只需在系统的文字提示和图形支持下输入简单的几个参数，便可实现大的加工工艺，从而缩短程序编辑时间、提高生产效率。图5是镙纹铣削实例的一个画面。 同时，海德汉提供固定循环设计的PC 软件：CycleDesign 。OEM 和用户也可根据需要设计自己的固定循环程序，以适应其机床的特殊制造工艺。
2.3 可维护性和诊断功能
海德汉控制系统无论从硬件还是软件都在诊断方面做了大量的工作。从硬件方面，海德汉的各驱动模块和电源模块中各添加了一块特殊的芯片，在系统运行过程中记载了一些有用的信息。从软件方面，海德汉控制系统集成了用于诊断的软件。利用这些软件和硬件，如果出现故障就可以比较方便地查找故障源，从而能及时而快速地排除故障。同时，使用该功能，为用户提供了远程诊断功能，不仅提高排除故障的速度，同时也可以节省系统维修的开销。
2.4 逻辑编程（PLC ）功能
海德汉采用开放式和模块化的逻辑编程方式。对OEM ，海德汉提供PLC 基本程序，它包含了超过95%的用于各类机床的标准功能模块，而且这些模块都是通过海德汉和大量OEM 用户反复验证过切实可行的。因此，OEM 在集成海德汉控制系统时所需的工作较小。同时海德汉还
提供用于PLC 变成的编辑和调试PC 软件PLCDesignNT ，这为OEM 添加特殊功能提供了有力的辅助工具。
2.5 系统调试优化功能
是否能充分发挥机床本身的特点和性能，控制系统的调试功能非常重要。海德汉控制系统提供了内置的滤波器和外置的PC 调试优化软件TNCOpt 。利用这些工具，OEM 可以根据机床的本身特性，调试系统的各伺服回路的参数以及各种过滤器的设置，从而可尽可能地发挥机床动态性能，尤其对于精度要求比较高，例如用于模具、航空航天以及船舶类零件加工的机床。
当前，机床行业正向高速和高精方向发展，同时，零件高的表面质量也是广大用户追求的目标，尤其在航空、航天、船舶以及模具加工等领域。另一方面，数控机床也朝人性化方向发展，不断追求易操作性。这就对数控系统提出了很高要求，比如系统的运行速度、多轴/五轴功能、高速高精以及高表面质量特性、好的可维护性以及好的人机操作界面等。下文结合海德汉iTNC530控制系统对这一些典型的特性进行简要地介绍。图1为海德汉提供的全套数字系统iTNC 530。
图1 海德汗iTNC530控制系统
1 数控系统的高速、高精和高表面质量特性
1.1好的硬件设计理念
硬件设计的好坏决定控制系统能否适合于高速、高精以及高表面质量加工。iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力。控制器本身包含了主机单元（MC ）和控制单元（CC ）两个部分：
1.1.1主机单元（MC ）
采用了奔腾IIII-800芯片、133MHz 总线频率，并带有各类数据通讯接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），这是进行所有计算、屏幕显示和数据通讯的的保证。海德汉的控制系统所有的实时任务均在自己开发的实时操作系统（HEROS ）下完成，而且海德汉也可提供带双处理器的主计算机，它既可以保证系统的实时计算和稳定性能，同时又能满足用户对Windo ws 应用程序的需求。
1.1.2控制单元（CC ）
最新的设计中集成了控制系统的所有伺服控制回路（位置环/速度环/电流环），所有的伺服计算都在DSP （数字信号处理器）中完成。测量元件的反馈均集成在CC 上，包含位置反馈和速度反馈。其优势在于：保证伺服计算快速和实时要求，减小各伺服回路周期，减少各个回路间的通讯延迟，可在位置回路实现高增益，实现高速和高表面质量加工，并可很好地控制直接驱动（直线电机和力矩电机）。
1.1.3好的伺服控制和高速控制能力
针对复杂的曲面，如果要实现高速、高精和高表面质量加工，在具备好的硬件基础上控制系统软件也必须具有好的伺服性能以及高速性能。
在强大硬件的支持下，iTNC 530采用了全数字化技术，在其控制软件中运用了最新的技术及其独特的算法才使得它成为用于高速铣削加工的最佳选择。iTNC 530能保持系统平衡，实现短的程序段处理时间（0.5ms ）和短的各控制回路周期以及各类插补（直线/圆弧/螺旋线/样条），其独特的Jerk （加加速）控制技术可防止机床震动，其程序预读功能（256段）和轮廓上的优化控制技术能让机床既能保持高速运行，又能保持轮廓精度和表面质量。iTN
C 530可实现高速主轴控制，目前海德汉提供的主轴转速可达40000转/分。同时，iTNC 530可实现各种误差补偿，包括线性和非线性轴误差、反向间隙、圆周运动的方向尖角、热膨胀及粘滞摩擦。
1.2 加加速控制（突变控制）及过滤器
1.2.1 加加速控制（Jerk ）
图2 加加速度限制和光滑
加速度的导数定义为加加速(Jerk)。众所周知，要机床具备良好的加减速功能，必须要保持合理的加加速。如果加加速过大（过于突然），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面加工质量；如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，如何保证高速和高表面质量非常重要。iTNC 530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理来实现上述功能。通过该功能的使用既可以减少加工中由于加加速突变而产生的机床振动而实现高表面质量加工，同时又能达到机床良好的加减速性能。图2中给出了两种不同情形。其中2(a)是采用匀加速度来加速运行过程，从而造成了在起始加速和停止加速时出现无穷的加加速度，引起机床的振荡。
而iTNC 530采用了图3(b)所示的变加速度并限制和光滑加加速度来运行，机床得以平滑运行。图3给出了一对测试结果，(a)为不带加加速度控制，而(b)则为带有加加速控制。通过比较可以看出，带加加速限制和光滑处理后，轮廓偏置得到了大大的改善。
图3 带与不带加加速度限制和光滑处理的控制比较
1.2.2名义位置过滤器
在控制系统执行完插补功能以后，产生名义位置值提供给后续的位置回路。大家知道，实现高速、高精和高表面质量要求与很多因素相关，尤其是机床本身的动态性能。海德汉iTNC 530系统提供了不同类型的内置的名义位置过滤器，比如单过滤器（standard filter）、双过滤器（double filter）和高速过滤器（HSC filter）。系统可根据用户的不同需求和机床本身的动态性能确定采用哪种过滤器，它可通过设置不同的参数完成。图4为不同过滤器作用范围。
图4 过滤器
1.3 五轴-多轴-加工中心控制
针对带有摆头和旋转工作台的5轴联动加工的需求，iTNC 530提供了很多功能，比如刀具中心点管理控制(TCPM)、3D 刀具补偿功能、支持倾斜面以及圆柱表面加工功能。通过机床参数设置，iTNC 530可支持不同结构的5轴加工机床。举例来讲，进行3-D 加工时，需要利用样条插补和Jerk 控制技术，通过表面法向矢量进行3-D 刀具补偿，利用刀具中心点管理（TCMP ）功能控制轮廓加工并保持刀具与轮廓垂直，从而可满足3-D 加工要求并达到高的精度和表面质量要求。同时，海德汉的“GANTRY”同步技术为龙门框架结构的机床提供最佳性能的保证。
iTNC 530具备所有加工中心所需要的功能，比如，通过刀具表对任意把刀具进行管理(自动换刀、刀具寿命、刀具磨损等) 、交换工作台管理、用3D 触发式测头进行设定工件原点、自动工件测量、刀具自动测量和断裂检查等。
海德汉最新开发的动态碰撞监控功能对于比较复杂的机床，可在碰撞发生前预先知道，从而可以防止碰撞的发生。
2 用户友好性和可操作性
海德汉控制器从一开始就是面向车间发展起来的数控系统，因而它具有独特对话式编程方式和友好的人机界面，分述如下：
2.1 对话式编程及支持
iTNC 530控制系统最大的一个优点在于它操作的简易性。iTNC 530系统采用HEIDENHAIN 对话式编程语言，通过点击键盘上的轮廓元素键，并利用连续图形对话方式即可在机床上实现加工程序编辑。使用这种方式，操作人员根本不用记忆G 代码，只需使用专用键和软键就可以设定直线区段、定义圆弧和循环程序，构成所期望的零件形状。有时轮廓元素并不一定都按NC 方式来表示的，使用自由轮廓程序编辑方式可减少转换或补充等额外的计算。在使用该方式时，只需将所有的约束信息输入到控制器即可。如果轮廓有多种解答方式，iTNC 530会全部列出以供选择。
同时在编程过程中iTNC 530提供强大的图形支持和图形模拟功能，让用户在编程时得到系统的充分支持，并在正式运行程序前进行模拟检测。当然，iTNC 530也支持使用G 代码的I SO 编程模式。另一方面，iTNC 530具有很好的兼容能力，也就是说以前的程序可在现有的控制系统中运行，因此用户只需学习新的功能。
2.2 标准铣、钻、镗和攻丝加工的固定循环
图5 固定循环人机界面
iTNC530的另一个优点是它将经常重复使用的加工过程做成标准的循环程序。iTNC 530系统提供的标准循环包含有钻孔、攻丝、镙纹铣削、铰孔、镗孔、孔组合以及粗铣和精铣沟槽、型腔和凸台等。同时，对于复杂轮廓，iTNC530提供了子轮廓组合循环（SL 循环），特别适合于型腔铣削。利用SL 循环，可在子程序中定义各种子轮廓或轮廓区段(型腔或凸台) ，然后根据需要加以组合。以这种方式，单一的轮廓描述就可以适用于多种使用不同刀具的操作。加工时最多可迭加12个子轮廓，而控制器会自动计算产生最终轮廓及粗铣和清除表面的刀具路径。
使用上述循环时，用户只需在系统的文字提示和图形支持下输入简单的几个参数，便可实现大的加工工艺，从而缩短程序编辑时间、提高生产效率。图5是镙纹铣削实例的一个画面。 同时，海德汉提供固定循环设计的PC 软件：CycleDesign 。OEM 和用户也可根据需要设计自己的固定循环程序，以适应其机床的特殊制造工艺。
2.3 可维护性和诊断功能
海德汉控制系统无论从硬件还是软件都在诊断方面做了大量的工作。从硬件方面，海德汉的各驱动模块和电源模块中各添加了一块特殊的芯片，在系统运行过程中记载了一些有用的信息。从软件方面，海德汉控制系统集成了用于诊断的软件。利用这些软件和硬件，如果出现故障就可以比较方便地查找故障源，从而能及时而快速地排除故障。同时，使用该功能，为用户提供了远程诊断功能，不仅提高排除故障的速度，同时也可以节省系统维修的开销。
2.4 逻辑编程（PLC ）功能
海德汉采用开放式和模块化的逻辑编程方式。对OEM ，海德汉提供PLC 基本程序，它包含了超过95%的用于各类机床的标准功能模块，而且这些模块都是通过海德汉和大量OEM 用户反复验证过切实可行的。因此，OEM 在集成海德汉控制系统时所需的工作较小。同时海德汉还
提供用于PLC 变成的编辑和调试PC 软件PLCDesignNT ，这为OEM 添加特殊功能提供了有力的辅助工具。
2.5 系统调试优化功能
是否能充分发挥机床本身的特点和性能，控制系统的调试功能非常重要。海德汉控制系统提供了内置的滤波器和外置的PC 调试优化软件TNCOpt 。利用这些工具，OEM 可以根据机床的本身特性，调试系统的各伺服回路的参数以及各种过滤器的设置，从而可尽可能地发挥机床动态性能，尤其对于精度要求比较高，例如用于模具、航空航天以及船舶类零件加工的机床。