1.3　FANUC数控系统概况

1.3.1　FANUC数控系统发展简史

FANUC公司是全球最大、最著名的数控系统生产厂家之一，整体技术水平居世界领先地位，产品占全球CNC市场的30%以上。FANUC数控系统以先进、可靠、实用著称，其数控系统发展历史基本上代表了数控系统的技术发展过程。

FANUC公司的数控系统产品大致可分为以下几代。

（1）第一代

第一代数控系统以电子电路控制、步进电机或电液脉冲马达驱动为标志。第一代数控系统的数控装置、驱动器采用的是电子管、晶体管等分立元件与小规模集成电路，伺服驱动系统为开环位置控制。

FANUC第一代数控系统的发展简史如下。

1956年：研发了全日本第一台电子管控制、电液脉冲马达驱动的点位控制型数控系统。

1959年：研发了全日本第一台电子管控制、电液脉冲马达驱动的连续控制型数控系统。

1960年：研发了全日本第一台步进电机直接驱动的数控系统。

1966年：研发了采用集成电路、电液脉冲马达或步进电机直接驱动的数控系统。

1968年：研发了全世界首台可用于多台机床控制的控数控系统（当时称为计算机集群系统）。

1969—1974年：研发了采用集成电路、电液脉冲马达或步进电机直接驱动的数控系统标志性产品F200A/B系列，并在数控机床上得到了较大范围的应用。

通过以上产品研发，1974年FANUC数控系统的市场占有率已位居世界第一。但是，由于步进电机和电液脉冲马达受原理、结构等因素的限制，在本质上存在控制精度低（步距角大）、运动速度慢（高频失步）、输出转矩小、运行噪声大等诸多即使今天都不能完全解决的技术问题，严重制约了数控系统的进一步推广和应用。为此，FANUC公司毅然放弃了步进电机和电液脉冲马达的进一步研究，决定从美国GETTYS公司引进当时最先进的直流伺服电机制造技术，并研发了采用直流伺服驱动的新一代数控系统。

FANUC公司这一决策彻底改变了数控系统的伺服驱动技术发展方向，推动了全球数控技术的全面进步，从此，数控系统开启了以直流伺服驱动代替液压驱动、以闭环控制代替开环控制的全新历程。

（2）第二代

第二代数控系统以微处理器控制、直流伺服驱动为标志。第二代数控系统的数控装置采用了8位微处理器、中规模集成电路、晶闸管等第一代微电子及电力电子器件，伺服驱动系统为直流伺服电机驱动、闭环位置控制。

FANUC公司第二代数控系统的发展简史如下。

1975年：为了推动直流伺服驱动技术的进步，FANUC公司与SIEMENS公司合作，并开始研发FANUC直流伺服、主轴电机。

1976—1978年：研发了配套FANUC（或SIEMENS）直流伺服、主轴驱动的高性能数控系统FANUC-SIEMENS SYSTEM 7（目前一般以FANUC Series表示，简称FS 7，下同）及简约型数控系统FANUC SYSTEM 5（简称FS 5）。FS7系统具有4轴控制、3轴联动功能，其性能可满足大多数数控机床的控制要求。

1979—1982年：研发了配套FANUC（或SIEMENS）直流伺服、主轴驱动的新一代高性能数控系统FANUC-SIEMENS SYSTEM 6（简称FS 6）及简约型数控系统FANUC SYSTEM 3（简称FS 3）等第二代数控系统的标志性产品。

FS 6系列数控系统采用了标准的MDI/CRT操作单元，系统已具备5轴控制、4轴联动功能，并可采用SIEMENS公司生产的SIMATIC S5-130W模块式PLC作为辅助控制器，系列产品的实际使用性能可满足绝大多数数控机床的需要。因此，FS 6成为当时数控机床普遍使用的主导产品，在各类数控机床上得到了大量的应用，FANUC也由此奠定了数控系统在全球的领先地位。

（3）第三代

第三代数控系统以交流伺服驱动、微电子产品普及、高速高精度加工为标志，开启了交流伺服全面代替直流伺服的革命，数控装置普遍采用了16位、32位微处理器及大规模集成电路、IGBT、IPM等新一代微电子及电力电子器件，数控系统的轨迹控制精度、进给速度、主轴转速大幅度提高，并逐步以网络总线通信代替了传统的信号连接电缆。

FANUC公司第三代数控系统的发展简史如下。

1983年：FANUC S系列交流伺服、主轴驱动系列产品研发成功，数控系统伺服、主轴驱动系统的可靠性、使用寿命大幅度提高。

1984—1985年：研发了配套交流伺服、主轴驱动，使用光缆总线的高性能数控系统FANUC SYSTEM 10/11/12（简称FS 10/11/12）及简约型数控系统FANUC SYSTEM 0（简称FS 0）系列产品。

FS 10/11/12系列数控系统率先使用了光缆总线通信的集成PMC、分布式I/O单元等新技术，数控系统可实现5轴控制、5轴联动，软件功能十分丰富。FS 10/11/12系列数控系统的研发，奠定了FANUC高性能数控系统的发展基础。对于单机控制而言，FS 10/11/12的大部分技术性能，即使用于现代数控机床仍不显落后。

简约型系统FS 0是FANUC历史上研发最为成功的数控系统产品之一，系列产品的可靠性大大高于当时的同类产品，而且其性能价格比与同类产品比较具有极大的优势，因此，它们在实用型数控机床上得到了极为广泛的应用。

1986—1987年：研发了使用MMC（man machine communication）操作界面的工业计算机代替CRT显示器的FANUC SYSTEM 00/100/110/120系列数控系统，以及改进版交流数字伺服、主轴驱动等产品。

1988—1993年：研发了FANUC SYSTEM 15（简称FS 15）系列高速高精度加工控制用的高性能数控系统以及FANUC-α系列交流伺服、主轴驱动等产品。

FS 15系列数控系统采用了当时最先进的64位高速微处理器和RISC（reduced instruction set computing，精简指令集计算机）、超大规模立体集成电路等新颖控制器件，系统的处理速度、运算精度大大提高。最初的FS 15最大控制/联动轴数可达24/24轴，位置分辨率可达1nm，快进速度可达240m/min，并具有Cs轴控制、五轴加工等现代化控制功能；系统集成PMC的程序存储容量为24000步，处理速度为0.1μs/步。以上技术指标均代表了第三代数控系统的最高水平，并且在后续的FS 15B等改进版产品中不断提高。

1994—1996年：以提高FS 15系统性价比为主要发展方向，在FS 15系列数控系统的基础上，相继研发了FS 16（最初为18轴控制/6轴联动）、FS 18（最初为10轴控制/4轴联动）、FS 20（最初为8轴控制/4轴联动）、FS 21（最初为6轴控制/4轴联动）、FS 22（最初为4轴控制/4轴联动），使用MMC操作界面的工业计算机代替显示器的FS 150/160/180/210等FS 15系列拓展产品，简约型数控系统的改进产品FANUC SYSTEM 0-MODEL B/C（简称FS 0B、FS 0C）等。

FS 15系列和FS 0系列产品的研发，分别占领了高性能数控机床和普通型数控机床的应用市场，在国际国内数控机床上得到了极为广泛的应用，标志着FANUC数控系统产品的市场占有率开始大幅度领先于其他数控系统生产厂家。

（4）第四代

第四代数控系统以多轨迹（多路径）控制、五轴联动与复合加工、直接驱动等最新技术应用和利用IT技术的远程控制、诊断与维修功能为标志，它是适应现代数控机床技术发展需求的新一代数控系统。

第四代数控系统以网络总线代替了传统的信号连接电缆，在大幅度简化系统连接的同时，大大提高了系统的扩展和网络集成能力；数控系统充分利用了现代计算机的高速高精度性能，通过高速高精度的多轨迹插补运算，具备了同时运行多个加工程序、控制多种轨迹加工的能力，故可满足现代多主轴同时加工、复合加工、五轴加工数控机床和FMC、FMS的控制需要。与此同时，还可使用工业平板电脑代替LCD显示器，大大提高系统操作性能和远程通信能力，使得数控系统的远程控制、诊断与维修成为现实。

FANUC公司的第四代数控系统的研发始于FS 15系列和FS 0系列，并以最新的FS 30i系列和FS 0i系列作为标志性产品，产品的发展简史如下。

1997—2000年：研发了应用IT技术的i系列高性能数控系统FANUC SYSTEM 15i/16i/18i/21i-MODEL A（简称FS 15iA/16iA/18iA/21iA）、使用MMC操作界面的工业计算机代替显示器的FS 150iA/160iA/180iA/210iA系统和简约型FANUC SYSTEM 0i-MODEL A（简称FS 0iA）系统，以及新一代使用FSSB（FANUC serial servo bus）高速串行伺服总线连接的FANUC-αi高性能伺服主轴驱动产品；与此同时，还推出了适合普通数控机床用的高性价比β系列交流伺服主轴驱动产品。

2001—2002年：研发了五轴联动与复合加工控制用的FANUC SYSTEM 16i/18i/21i-MODEL B5（简称FS 16i/18i/21iB5）系列高性能数控系统，改进版的FS 0iB、FS 0i Mate A/0i Mate B等简约型数控系统，同时，还研发了应用IT技术的FANUC-βi系列高性价比普通型伺服主轴驱动等产品。

2003—2004年：研发了用来替代FS 15i系列高性能数控系统的全新系列产品FANUC SYSTEM 30i/31i/32i-MODEL A（简称FS 30iA/31iA/32iA）、五轴联动与复合加工控制系统FS 30iA5，同时，推出了改进版的FANUC-αis系列伺服主轴驱动等产品。

2005—2008年：相继研发了五轴联动与复合加工控制系统FS 31iA5/32iA5，使用MMC操作界面的工业计算机代替显示器的FS 300iA/310iA/320iA、FS 300is A/310is A/320is A、FS 310iA5/310is A5等高性能数控系统，以及改进版的FS 0iC、FS 0i Mate C等简约型数控系统产品。

2009—2012年：相继研发了FS 30i系列改进版的FS 30iB/31iB/32iB、FS 35iA，五轴联动与复合加工控制系统FS 30iB5等高性能数控系统，以及改进版的FS 0iD、FS 0i Mate D系列简约型数控系统。

2013—2015年：相继研发了改进版的FS 35iB、五轴联动与复合加工控制系统FS 31iB5/32iB5等系列高性能数控系统，改进版的FS 0iF系列简约型数控系统，以及FANUC Lis系列直线电机、Dis系列转台直驱电机、Bi系列电主轴等新一代直接驱动伺服电机、主轴电机产品。

2016—2019年：相继研发了使用iHMI操作界面的FANUC PANEL i系列工业平板电脑代替显示器的FS 30iB系列高性能数控系统和简约型升级版数控系统FS 0i F-Plus，新一代运动控制器FANUC POWER Motion i-MODEL A（4路径、32轴控制），同时，还推出了改进版的FANUC Lis-B系列直线电机、Dis-B系列转台直驱电机、Bi-B系列电主轴等直接驱动伺服电机、主轴电机等最新一代产品。

FANUC PANEL i（包括PANEL iH、PANEL iH Pro）系列工业平板电脑（industrial panel PC）采用Intel Core i5处理器、电容式触摸屏、1920×1080像素Full HD（full high definition，全高清）10.4～21.5in（1in=2.54cm）显示、iHMI操作界面，并利用FANUC HSSB（high speed serial bus，高速串行总线）与CNC连接，大大提高了CNC操作和远程控制、诊断与维修性能。

1.3.2　当前主要产品

（1）简约型系统

FANUC SYSTEM 0i（简称FS 0i）系列简约型数控系统是FANUC公司销量最大、可靠性最好、性价比最高的数控系统，产品在各类数控机床上得到了极为广泛的应用。

简约型数控系统最初是FANUC公司专门为5轴以下、大批量生产数控机床所研发的实用型数控系统，但是，最新的FS 0iF/F Plus已具备12轴控制、4轴联动功能，因此，实际上已可用于除五轴联动及复合加工中心以外的绝大多数数控机床控制。

FS 0i的数控装置（以下简称CNC）型号的一般表示方法如下：

截至目前，FS 0i已经推出了FS 0iA、FS 0iB、FS 0iC、FS 0iD、FS 0iF、FS 0iF Plus共6大系列、多种类别的数控系统产品，产品性能不断提高。FS 0i不同系列产品在结构、功能及用途上的主要区别如下。

①产品结构。在数控系统基本结构上，早期的FS 0iA、FS 0iB采用的是MDI/LCD（手动数据输入/显示单元，下同）和CNC（数控装置，下同）分离型结构，通常而言，MDI/LCD安装在机床操纵台上、CNC安装在控制柜内；后期的FS 0iC、FS 0iD、FS 0iF、FS 0iF Plus均采用MDI/LCD/CNC一体型结构，整个单元均安装在机床操纵台上，其结构更紧凑、安装更方便。

在网络结构上，FS 0iA系列PMC的I/O单元与CNC之间采用了I/O-Link网络总线连接，但是，CNC与伺服驱动器仍需要使用传统的电缆连接，因此，所配套的驱动器为α系列、β系列电缆连接驱动器；自FS 0iB起，后续的产品均采用了FANUC高速串行伺服总线（FANUC serial servo bus，FSSB）技术，实现了CNC和伺服驱动器的光缆网络连接，所配套的驱动器为FSSB光缆连接的αi/βi系列驱动器。

②产品功能。FS 0i的功能有标准配置和用户选配两种，FS 0iD及前期产品的标准配置系统需要增加功能代号“Mate”，用户选配系统不加功能代号；FS 0iF/0iF Plus则以Type3或Type5表示。

标准配置FS 0i Mate的软硬件功能不能改变，FANUC已根据数控机床的基本控制要求，配置了标准的选择功能软件包及常规硬件。FS 0i Mate的CNC主板无安装扩展模块的接口，故不能选择通信接口、数据服务卡、附加轴控制、附加主轴控制等扩展模块及多轴控制、多路径控制、同步轴控制、倾斜轴控制、增强型PMC等软件功能，也不能选择10.4in分离型LCD等部件。用户选配的FS 0i的CNC主板带扩展模块接口，可根据用户需要，增加硬件模块与软件功能，增强系统功能。

例如，标准配置的FS 0i Mate D为水平布置或垂直布置的8.4in LCD/CNC/MDI一体型单元，其最大控制轴数为6轴（5轴进给+1主轴），联动轴数为4轴，PMC最大I/O点为256/256点，程序容量8000步，基本指令执行时间为1μs。

用户选配的FS 0iD不但可选用水平布置或垂直布置的8.4in LCD/CNC/MDI一体型单元，并且，还可以根据需要选择10.4in LCD/CNC单元加分离型MDI的结构，CNC最大可扩展至2加工路径（FS 0i TTD）、11轴控制（8轴进给+3主轴）/4轴联动等软硬件，PMC的最大I/O点可扩展到2048/2048点，程序容量可增加到32000步，基本指令执行时间可提高到0.025μs等。

最新的FS 0iF Plus系列产品，最大可用于3机械组、2路径加工、2路径装卸控制（有关机械组、路径控制的含义详见第3章），最大控制轴数为12轴（不分进给轴、主轴），4轴联动。系统分为用户选配型（Type1，可选择全部功能）、高速高精度加工标准配置型（Type3）、一般加工标准配置型（Type5）3种规格。

标准配置的FS 0iF Plus Type3、Type5为水平布置或垂直布置的10.4in LCD/MDI/CNC一体型单元，系统为单机械组、1加工路径、6轴控制/4轴联动，PMC最大I/O点为2048/2048点，程序容量24000步，基本指令执行时间为0.018μs。

用户选配的FS 0iF Plus Type1可选配使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工业平板电脑代替显示器；PMC最大可扩展至3路径（机械组）控制，3程序同步运行，程序容量约为100000步（48000步+32000步+16000步）。

③产品外形。FS 0iF系列数控系统的外形如图1.3.1所示。

标准配置的FS 0iF Type3、Type5系统有图1.3.1（a）所示的水平布置和垂直布置8.4in LCD/CNC/MDI一体型2种基本结构；如果需要，也可选配图1.3.1（b）所示的10.4in LCD/CNC单元加分离型MDI面板的结构。用户选配的FS 0iF/0iF Plus Type1系统，不仅可以选择水平布置和垂直布置8.4in LCD/CNC/MDI一体型、10.4in LCD/CNC单元加分离型MDI面板等结构，而且还可选配如图1.3.1（c）所示的15in LCD/CNC单元加分离型MDI面板结构。

最新的FS 0iF Plus系统外形如图1.3.2所示。

标准配置的FS 0iF Plus Type3、Type5系统有图1.3.2（a）所示的水平布置和垂直布置10.4in LCD/CNC/MDI一体型2种结构；用户选配的FS 0iF Plus Type1系统可选配使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工业平板电脑代替显示器，垂直布置的15in iHMI/CNC加分离型MDI结构的CNC如图1.3.2（b）所示。

（2）高性能型系统

FANUC 30i系列CNC是为了适应世界机床行业技术发展，而开发的高速高精度五轴及复合加工、FMC、FMS控制用数控系统，其产品性能居当今世界领先水平。

FS 30i系列数控系统采用了当前最先进的超高速处理器、FSSB高速串行伺服总线技术（FANUC serial servo bus）、64位RISC（精简指令系统）等技术，大大提高了NC的处理速度；IC元件的立体化安装有效地提高了可靠性、缩小了体积。CNC的最小输入单位、最小输出单位、插补单位可达1nm（0.001μm），伺服电机内置有每转32000000脉冲FANUCαiA 32000高分辨率编码器，并可选配五轴联动加工、坐标系设定误差补偿、刀具端点自动控制、坐标系空间旋转、倾斜面加工等当代高速高精度五轴及复合加工用的先进功能。系统选配使用iHMI操作界面的FANUC PANEL i系列工业平板电脑代替显示器时，可直接使用Windows OS、Windows CE操作系统，进行数据、文件、资料的管理，并可选择C语言编程功能，制作用户个性化画面。

FS 30i目前主要有FS 30i、FS 31i、FS 32i、FS 35i四大系列产品，以FS 30i的功能为最强。最新的FS 30iB最大可控制5机械组、15路径加工，最大控制轴数为96轴（72进给轴+24主轴），最大联动轴数可达24轴；FS 31iB5最大可控制6路径加工，最大控制轴数为34轴（26进给轴+8主轴），最大联动轴数为5轴；FS 32iB最大可控制2路径加工，最大控制轴数为20轴（12进给轴+8主轴），最大联动轴数为4轴；FS 35iB最大可控制4路径加工，最大控制轴数为20轴（16进给轴+4主轴），最大联动轴数为4轴。有关机械组、路径控制的含义详见第3章。

FS 30i系列集成PMC最大可控制5路径、5程序同时运行，最大I/D点可达5×2048/2048点I/O，最大程序总容量为300000步，基本指令执行时间为0.018μs。

FS 30i系列数控系统的CNC外形如图1.3.3所示。

FANUC 30i可选择图1.3.3（a）所示的10.4in LCD/CNC或1.3.3（b）所示的15in LCD/CNC加MDI分离型结构，或者选配图1.3.3（c）所示的使用iHMI操作界面的10.4in、15in、21.5in FANUC PANEL i系列工业平板电脑代替显示器的MDI分离型结构。

1.3.3　FS 0iF主要功能

（1）CNC主要功能

FANUC公司的FS 0i系列简约型数控系统是国际国内市场用量最大、可靠性最高的数控系统，其中，FS 0iF/F Plus是当前的主导产品。为了便于用户使用，FANUC公司对FS 0iF/F Plus的功能进行了“打包”处理，并分为如下Type1、Type3、Type5三种规格。

Type1：用户选配系统，可选配FS 0iF/F Plus的全部功能，CNC最大可控制2路径12轴，4轴联动；Type1可选配3机械组（machine group）、2路径装卸控制（loader control）功能；PMC支持3程序同步运行（3路径PMC控制），最大程序容量可达100000步。

Type3：现代高速高精度加工机床用标准配置系统，CNC配置有高速高精度加工功能和基本功能2个软件包，CNC最大可控制1路径7轴，4轴联动；系统可用于无装卸轴、单机械组控制；PMC为1路径控制、单程序运行，最大程序容量为24000步。

Type5：传统加工机床用标准配置系统，CNC只配置1个基本功能软件包，CNC最大可控制1路径7轴，4轴联动；系统同样用于无装卸轴、单机械组控制；PMC为1路径控制、单程序运行，最大程序容量为24000步。

表1.3.1为FS 0iF主要功能及与PMC程序设计相关的软件功能一览表，表中的FS 0iMF用于镗铣类机床控制，FS 0iTF用于车削类机床控制。有关路径、装卸轴、机械组等基本概念的说明详见第3章。

（2）PMC基本功能

FS 0iF的PMC规格有多路径控制PMC和双重检测安全型PMC（dual check safety PMC，简称DCS PMC）两种规格，用户选配的FS 0iF Type1系统PMC最大可选配3路径控制，标准配置的FS 0iF Type3、Type5系统PMC使用1路径控制DCS PMC。

FS 0iF系统的PMC主要PMC技术参数如表1.3.2所示。