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第七章计算机数控（CNC）装置7．1概述7．1．1CNC系统的组成现代数控系统，即CNC系统，主要是靠存储程序来实现各种机床的不同控制要求。由图1.1可知，整个数控系统是由程序、输入/输出设备、计算机数控（CNC）装置、可编程控制器单元、主轴控制单元和速度控制单元等部分组成，习惯上简称为CNC系统。CNC系统能自动阅读输入载体上事先给定的数字值并将其译码，从而使机床动作并加工出符合要求的零件。图CNC系统的组成框图CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置实质上是一种专用计算机，他除了具有一般计算机的结构外，还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件两大部分组成。硬件是基础，软件必须在硬件的支持下运行；软件是灵魂，离开软件，硬件便无法工作；两者相辅相成，缺一不可。硬件的集成度、位数、运算速度、指令系统和内存容量等在很大程度上决定了数控装置的性能，然而高水平的软件又可以弥补硬件性能的某些不足。7.1.2CNC装置的工作过程CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行软件的过程。CNC装置的工作原理是通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据信息，经过译码、计算机的处理、运算，将每个坐标轴的移动分量送到其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位置反馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要求的位置。下面从输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I/O接口、显示和诊断等方面来简述CNC装置的工作过程。1．输入CNC装置开始工作时，首先要通过输入设备完成加工零件各种数据信息的输入工作。输入给CNC装置的各种数据信息包括零件程序、控制参数和补偿数据。输入的方式由光电阅读及纸带输入、键盘输入、磁盘输入、通信接口输入和连接上级计算机的DNC接口输入。在输入过程中CNC装置还要完成输入代码校验和代码转换。输入的全部数据信息都存放在CNC装置的内存储器中。2．译码在输入过程完成之后，CNC装置就要对输入的信息进行译码，即将零件程序以程序段为单位进行处理，把其中的零件轮廓信息、加工速度信息及其其他辅助信息，按照一定的语法规则解释成计算机能识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查等工作。若发现语法错误便立即报警显示。3．刀具补偿通常情况下，CNC机床是以零件加工轮廓轨迹来编程的，但是CNC装置实际控制的是刀具中心轨迹（刀架中心点和刀具中心点），而不是刀尖轨迹。刀具补偿的作用是把零件轮廓国际转换为刀具中心轨迹。刀具补偿是CNC装置在实时插补前要完成的一项插补准备工作。刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿（刀具偏置）。目前，在较先进的CNC装置中，刀具补偿的功能还包括程序段之间的自动转接和切削判别，即所谓的C功能刀具补偿。4．进给速度处理CNC装置在实时插补前要完成的另一项插补准备工作是进给速度处理。因为编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方向上的速度，进给速度处理要根据合成速度计算出个坐标方向的分速度。此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行自动加减速处理。5．插补插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和终点之间进行“数据点的密化”工作。CNC装置中有一个采样周期，即插补周期，一个插补周期形成一个微小的数据段。若干个插补周期后实现从曲线的起点到终点的加工。插补程序在一个插补周期内运行一次，程序执行的时间直接决定了进给速度的大小。因此，插补计算的实时性很强，只有尽量缩短每一次运算的时间，才能提高最大进给速度和留有一定的空闲时间，以便更好地处理其他工作。6．位置控制由图1.1可见，位置控制是在伺服系统的位置环上。位置控制可以由软件完成，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际位置反馈相比较，获得差之躯控制进给伺服电动机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。7．I/O接口I/O接口主要是处理CNC装置与机床之间强电信号的输入、输出和控制，例如换刀、换档、冷却等。8．显示CNC装置显示的主要作用是便于操作者对机床进行各种操作，通常由零件程序显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。9．诊断现代CNC机床都具有联机和脱机诊断功能。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序随时检查不正常的事件。脱机诊断是指系统空运转条件下的诊断。一般CNC装置都配备脱机诊断程序，用以检查存储器、外围设备和I/O接口等。脱机诊断还可以采用远程通信方式进行诊断。把用户的CNC装置通过电话线与远程通信诊断中心的计算机相连，由诊断中心计算机对CNC机床进行诊断、故障定位和修复。7．1．3CNC装置的功能CNC装置的功能是指它满足不同控制对象各种要求的能力，通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，如控制功能、准备功能、插补观念、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能和自诊断功能等。选择功能是供用户根据不同机床的特点和用途进行选择的功能，如补偿功能、固定循环功能、通信功能和人机对话编程功能等。下面简要介绍CNC装置的基本功能和选择功能。1．基本功能⑴控制功能控制功能是指CNC装置控制各类转轴的功能，其功能的强弱取决于能控制的轴数以及能同时控制的轴数（即联动轴数）多少。控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。一般数控车床秩序同时控制两个轴；数控铣床、镗床以及加工中心等需要有3个或3个以上的控制轴；加工空间曲面的数控机床需要3个以上的联动轴。控制轴数越多，尤其是联动轴数越多，CNC装置就越复杂，编制程序也越困难。⑵准备功能准备功能也称G功能，用来指定机床的动作方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。它用字母G和其后的两位数字表示。ISO标准中准备功能有G00至G99共100种，数控系统可以从中选用。⑶插补功能现代CNC机床的数控装置将插补分为软件粗插补和硬件精插补两步进行；先由软件算出每一个插补周期应走的线段长度，即粗插补，再由硬件完成线段长度上的一个个脉冲当量逼近，即精插补。由于数控系统控制加工轨迹的实时性很强，插补计算程序要求不能太长，采用粗精二级插补能满足数控机床高速度和高分辨率的发展要求。⑷进给功能进给功能用F指令直接指定各轴的进给速度。1）切削进给速度以每分钟进给距离的形式指定刀具切削速度，用字母F和其后的数字指定。ISO标准中规定F1~F5位。字母F后的数字代表进给速度的位数。2）同步进给速度以主轴每转进给量规定的进给速度，单位为mm/r。3）快速进给速度数控系统规定了快速进给速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速，还可用操作面板上的快速倍率开关分档。4）进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可在0%~200%之间变化，每档间隔10%。使用进给倍率开关不用修改程序中的F代码，就可改变机床的进给速度。⑸主轴功能主轴功能是指定主轴转速的功能，用字母S和其后的数值表示。一般用S2和S4表示，多用S4，单位为r/min或mm/min。主轴转向用M03（正向）和M04（反向）指定。机床操作面板上设置主轴倍率开关，可以不修改程序改变主轴转速。⑹辅助功能辅助功能是用来指定主轴得起停转向、冷却泵的同志断、刀哭得起厅等的功能，用字母M和其后的两位数字表示。ISO标准中辅助功能有M00至M99，共100种。⑺刀具功能刀具功能是用来选择刀具的功能，用字母T和其后的2位或4位数字表示。⑻字符图形显示功能CNC装置可配置单色或彩色不同尺寸的CRT或液晶显示器，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示程序、参数、补偿值、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形等。⑼自诊断功能CNC装置中设置了故障诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少故障停机时间。不同的CNC装置诊断程序的设置不同，可以设置在系统运行前或故障停机后诊断故障的部位。还可以进行远程通信完成故障诊断。2．选择功能⑴补偿功能在加工过程中，由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙等，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。CNC装置的补偿功能是把刀具长度或半径的补偿量、螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入它的存储器，存储器就按补偿量重新计算刀具运动的轨迹和坐标尺寸，加工出符合要求的零件。⑵固定循环功能用数控机床加工零件，一些典型的加工工序，如钻孔、镗孔、深孔钻削、攻螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在内存中，用G代码进行指令，形成固定循环功能。固定循环功能可以大大简化程序编制。⑶通信功能CNC装置通常具有RS232C接口，有的还配置有DNC接口，可以连接多种输入、输出设备，实现程序和参数的输入、输出和存储。有的CNC装置可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，以适应FMS、CIMS的要求。⑷人机对话编程功能有的CNC装置可以根据蓝图直接编程，编程员只需输入表示图样上几何尺寸的简单命令，就能自动的计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC装置可以根据引导图和说明显示进行对话式编程。有的CNC装置还备有用户宏程序，用户宏程序是用户根据CNC装置提供的一套编程语言——宏程序编程指令，自己编写的一些特殊加工资程序，使用时由零件主程序调入，可以重复使用。未受过编程训练的操作工人都能用此很快进行编程。7．1．4几种典型数控系统的功能与特点1．日本FANUC公司的CNC装置FANUC生产的CNC装置有F0、F10/11/12、F15、F16、F18等系列。F0Mate为F0系列的派生产品。它与F0系列比较，是功能简单、结构更为紧凑的经济型CNC装置。F00/100/110/120/150系列是在F0/10/11/12/15系列的基础上加了MMC（ManMachineController）功能。FANUC生产的CNC装置具有以下特点：⑴从结构上看，较长时间采用了大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构；⑵越来越多地采用专用LSI（大规模集成电路），以此提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本；⑶以现代化的生产和严密的质量保证体系实现可靠度较高的产品；⑷以大批量的规模生产和高效率的自动化生产以及较短的开发周期的高层次的CNC功能来实现较高的性能价格比；⑸产品的应用范围广，有多种系列CNC装置，每一系列CNC装置由提供诸多可供选择的功能；再一种硬件结构的CNC装置上配置多种控制软件，使它使用于多种机床；⑹不断地采用新工艺、新技术，如今年生产的产品中已广泛应用高密度表面安装技术、多层印刷电路板、光导纤维电缆等；⑺CNC装置的体积越来越小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）以及多种型式结构和尺寸规格的空纸箱，以此适应机电一体化的需求。⑻以“用户特订宏程序”、MMC功能等来实现CNC装置面向用户开放的功能；⑼多种语言显示，如日语、英语、德语、法语、意大利语、西班牙语、汉语、荷兰语、瑞典语、挪威语和丹麦语等；⑽备有适应多种用途的外部设备，有FANUCPPR，FANUCFACard，FANUCFLOPPYCASSETE，FANUCPROGRAMFILEMate等；⑾FANUC已推出了MAP接口，FANUCCNC系统通过MAP接口可实现与上一级单元控制器或主计算机通信，进而实现FMS、CIMS；⑿根据用户需要不断地更新CNC产品的功能，形成多种版本。2．德国SIMENS公司的CNC装置SIMENSCNC装置有SINUMERIK3、8、810、820、850、880系列。其中SINUMERIK810和820在体系结构和功能上相近，SINUMERIK850和880也在体系结构和功能上也相近。因此将西门子的CNC装置归结为4种：SINUMERIK3、SINUME