任務(wù)三 計算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的組成

任務(wù)描述

計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部分，它的組成原理和相應(yīng)的工作過程是如何實施的？相應(yīng)的特點有哪些？

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解數(shù)控系統(tǒng)的組成和CNC系統(tǒng)的功能，掌握控制功能和準(zhǔn)備功能等特點。

任務(wù)分析

計算機(jī)數(shù)控（CNC）就相當(dāng)于人體大腦，只有理清大腦頭緒才能更好地完成相應(yīng)的任務(wù)，如控制任務(wù)、準(zhǔn)備任務(wù)等。CNC系統(tǒng)的工作過程是本任務(wù)的重點和難點。

任務(wù)完成

一、CNC系統(tǒng)的組成

CNC系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。其核心是計算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動加工。CNC系統(tǒng)采用了計算機(jī)作為控制部件，通常由其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行實時控制。只要改變計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件就能實現(xiàn)一種全新的控制方式。CNC系統(tǒng)有很多種類型，有車床、銑床、加工中心等的CNC系統(tǒng)。但是，各種數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)一般包括以下幾個部分：中央處理單元CPU、存儲器（ROM/RAM）、輸入/輸出設(shè)備（I/O）、操作面板、顯示器和鍵盤、紙帶穿孔機(jī)、可編程控制器等。圖1-1-2所示為CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。

在圖1-1-2所示的整個計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中，數(shù)控系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器。CNC控制器由計算機(jī)硬件、系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的I/O接口構(gòu)成的專用計算機(jī)與可編程控制器PLC組成。前者處理機(jī)床的軌跡運(yùn)動的數(shù)字控制，后者處理開關(guān)量的邏輯控制。

二、CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過程

1.CNC系統(tǒng)的功能

由于現(xiàn)在普遍采用了微處理器，CNC系統(tǒng)通過軟件可以實現(xiàn)很多功能。數(shù)控系統(tǒng)有多種系列，性能各異。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是用戶根據(jù)機(jī)床特點和用途進(jìn)行選擇的功能。CNC系統(tǒng)的功能主要反映在準(zhǔn)備功能G指令代碼和輔助功能M指令代碼上。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型、用途、檔次的不同，CNC系統(tǒng)的功能有很大差別，下面介紹其主要功能。

1）控制功能

CNC系統(tǒng)能控制的軸數(shù)和能同時控制（聯(lián)動）的軸數(shù)是其主要性能之一。控制軸有移動軸和回轉(zhuǎn)軸，也有基本軸和附加軸。通過軸的聯(lián)動可以完成輪廓軌跡的加工。一般數(shù)控車床只需兩軸控制，兩軸聯(lián)動；一般數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動；一般加工中心為多軸控制，三軸聯(lián)動。控制軸數(shù)越多，特別是同時控制的軸數(shù)越多，要求CNC系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)，同時CNC系統(tǒng)也就越復(fù)雜，編制程序也越困難。

2）準(zhǔn)備功能

準(zhǔn)備功能也稱G指令代碼，它用來指定機(jī)床運(yùn)動方式的功能，包括基本移動、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)等指令。對于點位式的加工機(jī)床，如鉆床、沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。對于輪廓控制的加工機(jī)床，如車床、銑床、加工中心等，需要控制系統(tǒng)有兩個或兩個以上的進(jìn)給坐標(biāo)具有聯(lián)動功能。

3）插補(bǔ)功能

CNC系統(tǒng)是通過軟件插補(bǔ)來實現(xiàn)刀具運(yùn)動軌跡控制的。由于輪廓控制的實時性很強(qiáng)，軟件插補(bǔ)的計算速度難以滿足數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給速度和分辨率的要求，同時由于CNC不斷擴(kuò)展其他方面的功能也要求減少插補(bǔ)計算所占用的CPU時間。因此，CNC的插補(bǔ)功能實際上被分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)，插補(bǔ)軟件每次插補(bǔ)一個小線段的數(shù)據(jù)為粗插補(bǔ)，伺服系統(tǒng)根據(jù)粗插補(bǔ)的結(jié)果，將小線段分成單個脈沖的輸出稱為精插補(bǔ)。有的數(shù)控機(jī)床采用硬件進(jìn)行精插補(bǔ)。

4）進(jìn)給功能

根據(jù)加工工藝要求，CNC系統(tǒng)的進(jìn)給功能用F指令代碼直接指定數(shù)控機(jī)床加工的進(jìn)給速度。

（1）切削進(jìn)給速度 以每分鐘進(jìn)給的毫米數(shù)指定刀具的進(jìn)給速度，如100mm/min。對于回轉(zhuǎn)軸，表示每分鐘進(jìn)給的角度。

（2）同步進(jìn)給速度 以主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給的毫米數(shù)規(guī)定的進(jìn)給速度，如0.02mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)控機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度，用于切削螺紋的編程。

（3）進(jìn)給倍率 操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，倍率可以從0～200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開關(guān)不用修改程序就可以改變進(jìn)給速度，并可以在試切零件時隨時改變進(jìn)給速度或在發(fā)生意外時隨時停止進(jìn)給。

5）主軸功能

主軸功能就是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能。

（1）轉(zhuǎn)速的編碼方式 一般用S指令代碼指定。一般用地址符S后加數(shù)字表示，單位分別為r/min和mm/min。不同的機(jī)床給定方法不一樣。

（2）指定恒定線速度 該功能可以保證車床和磨床加工工件端面質(zhì)量和不同直徑的外圓的加工具有相同的切削速度。

（3）主軸定向準(zhǔn)停 該功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止，有自動換刀功能的機(jī)床必須選取有這一功能的CNC裝置。

6）輔助功能

輔助功能用來指定主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向；切削液的開和關(guān)；刀庫的啟和停等，一般是開關(guān)量的控制，它用M指令代碼表示。各種型號的數(shù)控裝置具有的輔助功能差別很大，而且有許多是自定義的。

7）刀具功能

刀具功能用來選擇所需的刀具，刀具功能字以地址符T為首，后面跟二位或四位數(shù)字，代表刀具的編號。

8）補(bǔ)償功能

補(bǔ)償功能是通過輸入到CNC系統(tǒng)存儲器的補(bǔ)償量，根據(jù)編程軌跡重新計算刀具的運(yùn)動軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的工件。補(bǔ)償功能主要有以下種類：

（1）刀具的尺寸補(bǔ)償 如刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧單位補(bǔ)償。這些功能可以補(bǔ)償?shù)毒吣p，以及換刀時對準(zhǔn)正確位置，簡化編程。

（2）絲杠的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償或者熱變形補(bǔ)償 通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC系統(tǒng)中，在實際加工中進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。

9）字符、圖形顯示功能

CNC控制器可以配置單色或彩色CRT或LCD，通過軟件和硬件接口實現(xiàn)字符和圖形的顯示。通常可以顯示程序、參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對話編程菜單、零件圖形及刀具實際移動軌跡的坐標(biāo)等。

10）自診斷功能

為了防止故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機(jī)時間，CNC系統(tǒng)中設(shè)置了各種診斷程序。不同的CNC系統(tǒng)設(shè)置的診斷程序是不同的，診斷的水平也不同。診斷程序一般可以包含在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查和診斷也可以作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后進(jìn)行診斷，查找故障的部位。有的CNC可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診斷。

11）通信功能

為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的需求，CNC裝置通常具有RS-232C通信接口，有的還備有DNC接口。也有的CNC還可以通過制造自動化協(xié)議（MAP）接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)。

12）人—機(jī)交互圖形編程功能

為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的編程效率，對于NC程序的編制，特別是較為復(fù)雜零件的NC程序都要通過計算機(jī)輔助編程，尤其是利用圖形進(jìn)行自動編程，以提高編程效率。因此，對于現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般要求具有人機(jī)交互圖形編程功能。有這種功能的CNC系統(tǒng)可以根據(jù)零件圖直接編制程序，即編程人員只需送入圖樣上簡單表示的幾何尺寸就能自動計算出全部交點、切點和圓心坐標(biāo)，生成加工程序。有的CNC系統(tǒng)可根據(jù)引導(dǎo)圖和顯示說明進(jìn)行對話式編程，并具有自動工序選擇、刀具和切削條件的自動選擇等智能功能。有的CNC系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能（如日本FANUC系統(tǒng)）。這些功能有助于未受過CNC編程專門訓(xùn)練的機(jī)械工人能夠很快進(jìn)行程序編制工作。

2.CNC系統(tǒng)的一般工作過程

1）輸入

輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機(jī)床參數(shù)和刀具補(bǔ)償參數(shù)。機(jī)床參數(shù)一般在機(jī)床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設(shè)定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級計算機(jī)DNC通信輸入等。CNC輸入工作方式有存儲方式和NC方式。存儲方式是將整個零件程序一次全部輸入到CNC內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出。該方式應(yīng)用較多。NC方式是CNC一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內(nèi)容。

2）譯碼

譯碼是以零件程序的一個程序段為單位進(jìn)行處理，把其中零件的輪廓信息（起點、終點、直線或圓弧等），F(xiàn)、S、T、M等信息按一定的語法規(guī)則解釋（編譯）成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。編譯過程中還要進(jìn)行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。

3）刀具補(bǔ)償

刀具補(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和刀具長度補(bǔ)償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關(guān)。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進(jìn)行。刀具補(bǔ)償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成刀具中心（刀位點）相對于工件的移動軌跡。

刀具補(bǔ)償包括B機(jī)能和C機(jī)能刀具補(bǔ)償功能。在較高檔次的CNC中一般應(yīng)用C機(jī)能刀具補(bǔ)償，C機(jī)能刀具補(bǔ)償能夠進(jìn)行程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判斷等功能。

4）進(jìn)給速度處理

數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標(biāo)合成運(yùn)動方向上的速度，即F代碼的指令值。速度處理首先要進(jìn)行的工作是將各坐標(biāo)合成運(yùn)動方向上的速度分解成各進(jìn)給運(yùn)動坐標(biāo)方向的分速度，為插補(bǔ)時計算各進(jìn)給坐標(biāo)的行程量做準(zhǔn)備；另外對于機(jī)床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。有些數(shù)控機(jī)床的CNC軟件的自動加速和減速也放在這里。

5）插補(bǔ)

零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點坐標(biāo)；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點坐標(biāo)外，還給定其圓心坐標(biāo)或圓弧半徑。要進(jìn)行軌跡加工，CNC必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進(jìn)行“數(shù)據(jù)點密化”的工作，這就是插補(bǔ)。插補(bǔ)在每個規(guī)定的周期（插補(bǔ)周期）內(nèi)進(jìn)行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進(jìn)給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)密化”工作。

6）位置控制

位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，如圖1-1-3所示。它的主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的理論位置與實際反饋位置進(jìn)行比較，用其差值控制進(jìn)給電動機(jī)。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)龋蕴岣邫C(jī)床的定位精度。

7）I/O處理

CNC的I/O處理是CNC與機(jī)床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機(jī)床運(yùn)動過程中的有關(guān)參數(shù)輸入到CNC中；另一方面是將CNC的輸出命令（如換刀、主軸變速換擋、加冷卻液等）變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號，實現(xiàn)對機(jī)床的控制。

8）顯示

CNC系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有CRT顯示器或LCD數(shù)碼顯示器，一般位于機(jī)床的控制面板上。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、報警信息顯示等。有的CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)模擬加工圖形顯示。

上述的CNC的工作流程如圖1-1-4所示。

思考與練習(xí)

1.CNC控制系統(tǒng)的主要特點是什么？它的主要控制任務(wù)是哪些？

2.CNC裝置的主要功能有哪些？