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

任務(wù)描述

計(jì)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(guò)程是如何實(shí)施的？相應(yīng)的特點(diǎn)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(diǎn)。

任務(wù)分析

計(jì)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(guò)程是本任務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過(guò)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(dòng)加工。CNC系統(tǒng)采用了計(jì)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(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。只要改變計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件就能實(shí)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(gè)部分：中央處理單元CPU、存儲(chǔ)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(gè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)的數(shù)字控制，后者處理開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。

二、CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過(guò)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(guò)軟件可以實(shí)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?；竟δ苁菙?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(diǎn)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(shí)控制（聯(lián)動(dòng)）的軸數(shù)是其主要性能之一?？刂戚S有移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸，也有基本軸和附加軸。通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)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(dòng)；一般數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動(dòng)；一般加工中心為多軸控制，三軸聯(lián)動(dòng)?？刂戚S數(shù)越多，特別是同時(shí)控制的軸數(shù)越多，要求CNC系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)，同時(shí)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(lái)指定機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式的功能，包括基本移動(dòng)、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)等指令。對(duì)于點(diǎn)位式的加工機(jī)床，如鉆床、沖床等，需要點(diǎn)位移動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)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(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)給坐標(biāo)具有聯(lián)動(dòng)功能。

3）插補(bǔ)功能

CNC系統(tǒng)是通過(guò)軟件插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡控制的。由于輪廓控制的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，軟件插補(bǔ)的計(jì)算速度難以滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給速度和分辨率的要求，同時(shí)由于CNC不斷擴(kuò)展其他方面的功能也要求減少插補(bǔ)計(jì)算所占用的CPU時(shí)間。因此，CNC的插補(bǔ)功能實(shí)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(gè)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(gè)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(duì)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(kāi)關(guān)，倍率可以從0～200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開(kāi)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(shí)隨時(shí)改變進(jìn)給速度或在發(fā)生意外時(shí)隨時(shí)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(dòng)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(lái)指定主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向；切削液的開(kāi)和關(guān)；刀庫(kù)的啟和停等，一般是開(kāi)關(guān)量的控制，它用M指令代碼表示。各種型號(hào)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(lái)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(hào)。

8）補(bǔ)償功能

補(bǔ)償功能是通過(guò)輸入到CNC系統(tǒng)存儲(chǔ)器的補(bǔ)償量，根據(jù)編程軌跡重新計(jì)算刀具的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(shí)對(duì)準(zhǔn)正確位置，簡(jiǎn)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(guò)事先檢測(cè)出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC系統(tǒng)中，在實(shí)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(guò)軟件和硬件接口實(shí)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(duì)話編程菜單、零件圖形及刀具實(shí)際移動(dòng)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(shí)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(guò)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(jì)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(guò)制造自動(dòng)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(duì)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助編程，尤其是利用圖形進(jìn)行自動(dòng)編程，以提高編程效率。因此，對(duì)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(jiǎn)單表示的幾何尺寸就能自動(dòng)計(jì)算出全部交點(diǎn)、切點(diǎn)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(shuō)明進(jìn)行對(duì)話式編程，并具有自動(dòng)工序選擇、刀具和切削條件的自動(dòng)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(guò)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(guò)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(shí)或在用戶安裝調(diào)試時(shí)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(jí)計(jì)算機(jī)DNC通信輸入等。CNC輸入工作方式有存儲(chǔ)方式和NC方式。存儲(chǔ)方式是將整個(gè)零件程序一次全部輸入到CNC內(nèi)部存儲(chǔ)器中，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中把一個(gè)一個(gè)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(shí)，輸入后一個(gè)程序段的內(nèi)容。

2）譯碼

譯碼是以零件程序的一個(gè)程序段為單位進(jìn)行處理，把其中零件的輪廓信息（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等），F(xiàn)、S、T、M等信息按一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋（編譯）成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)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(guò)程中還要進(jìn)行語(yǔ)法檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)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(zhǎng)度補(bǔ)償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時(shí)零件程序是以零件輪廓軌跡來(lái)編程的，與刀具尺寸無(wú)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(chǔ)的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成刀具中心（刀位點(diǎn)）相對(duì)于工件的移動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)接和過(guò)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(duì)于工件的移動(dòng)速度是在各個(gè)坐標(biāo)合成運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向上的速度分解成各進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方向的分速度，為插補(bǔ)時(shí)計(jì)算各進(jìn)給坐標(biāo)的行程量做準(zhǔn)備；另外對(duì)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(dòng)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(duì)于加工直線的程序段僅給定起、終點(diǎn)坐標(biāo)；對(duì)于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上自動(dòng)進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”的工作，這就是插補(bǔ)。插補(bǔ)在每個(gè)規(guī)定的周期（插補(bǔ)周期）內(nèi)進(jìn)行一次，即在每個(gè)周期內(nèi)，按指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過(guò)若干個(gè)插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完一個(gè)程序段的加工，也就完成了從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)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(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置進(jìn)行比較，用其差值控制進(jìn)給電動(dòng)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)?，以提高機(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(dòng)過(guò)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)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(dòng)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(diǎn)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？