第3章
數(shù) 控 系 統(tǒng)












CNC裝置的工作過程，是在硬件支持下執(zhí)行軟件的全過程。零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等信息通過輸入設(shè)備輸入CNC裝置。CNC裝置經(jīng)過對各種零件信息、加工信息和其他輔助信息的譯碼處理，將其解釋成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并且CNC裝置再把如刀具補(bǔ)償、進(jìn)給速度處理、插補(bǔ)等功能與加工程序具體地結(jié)合在一起，通過輸出裝置傳輸給進(jìn)給電動機(jī)，完成對工件的加工。CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號是通過I/O處理回路來完成傳輸?shù)�。在CNC裝置的工作過程中，它的自診斷程序運(yùn)行，不間斷地對機(jī)床各部分監(jiān)測點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)故障，就發(fā)送報警信號，方便維修人員快速準(zhǔn)確地判斷、定位并修復(fù)有關(guān)CNC系統(tǒng)或非系統(tǒng)內(nèi)部的各種故障。


3.1數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及部分功能


數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大腦和核心，而數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計算機(jī)，即計算機(jī)控制裝置。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控裝置以微型計算機(jī)數(shù)控（MNC）裝置為主體，統(tǒng)稱為CNC數(shù)控裝置。數(shù)控裝置（習(xí)慣稱為數(shù)控系統(tǒng)）是對機(jī)床進(jìn)行控制，并完成零件自動加工的專用電子計算機(jī)。它接收數(shù)字化的零件圖樣和工藝要求等信息，按照一定的數(shù)字模型進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果實(shí)時地對機(jī)床的各運(yùn)動坐標(biāo)進(jìn)行速度和位置控制，完成零件的加工。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)不斷得到新的硬件、軟件資源而飛速發(fā)展。


3.1.1CNC裝置的結(jié)構(gòu)


CNC系統(tǒng)（又稱計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)）是數(shù)控機(jī)床的重要部分，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展�，F(xiàn)在的數(shù)控裝置由計算機(jī)完成以前由硬件數(shù)控所做的工作。數(shù)控系統(tǒng)由操作面板、輸入/輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、主軸伺服單元、進(jìn)給伺服單元、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成，有時也稱為CNC系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)框圖如圖3��1所示。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。CNC裝置由硬件和軟件組成，CNC裝置的軟件在硬件的支持下，合理地管理整個系統(tǒng)并組織整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CNC裝置性能越來越優(yōu)，價格越來越低。








圖3��1CNC系統(tǒng)框圖








3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)


1. 較高的柔性


柔性即靈活性，與硬件數(shù)控裝置相比，靈活性是CNC裝置的主要特點(diǎn)。硬件數(shù)控裝置的功能一旦制成就難以改變；而CNC裝置只要改變相應(yīng)的控制軟件，就可以改變和擴(kuò)展其功能，補(bǔ)充新技術(shù)，滿足用戶的不同需要。這就延長了硬件結(jié)構(gòu)的使用期限。


2. 良好的通用性


CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)形式多樣，有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展，模塊化軟件能滿足各類數(shù)控機(jī)床（如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等）的不同控制要求。標(biāo)準(zhǔn)化的用戶接口、統(tǒng)一的用戶界面，既方便系統(tǒng)維護(hù)，又方便用戶培訓(xùn)。開放式系統(tǒng)的引入，不但發(fā)展了模塊化的概念，而且將計算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性思想引進(jìn)來，使數(shù)控系統(tǒng)的通用性大大提高。


3. 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能


CNC裝置利用計算機(jī)的高速計算能力，能方便地實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如多種補(bǔ)償功能、動靜態(tài)圖形顯示功能、高次曲線插補(bǔ)功能、數(shù)字伺服控制功能等。同時，隨著處理器的速度越來越快，很多對速度有要求的功能也能由軟件來處理，這樣既可以相對簡化硬件設(shè)計，又可以增加系統(tǒng)的靈活性。


4. 較高的可靠性


數(shù)控機(jī)床待加工零件的加工程序在加工前輸入到CNC裝置中，經(jīng)系統(tǒng)檢查后方可調(diào)用執(zhí)行，這就避免了零件程序錯誤。CNC裝置的許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，使硬件的元器件數(shù)目大為減少，硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，整個系統(tǒng)的可靠性得到很大改善，特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的使用，使硬件高度集成、體積更小，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。


5. 維修、使用方便


CNC裝置的診斷程序使維修、使用CNC裝置變得非常方便，其自診斷功能能夠迅速地報警，或顯示故障的原因和位置，大大方便了維修，減少了停機(jī)時間。CNC裝置有零件程序編輯功能、自動在線編程功能等，使程序編制很方便。零件加工程序編好后，CNC裝置可顯示程序，還可以通過空運(yùn)行將刀具軌跡顯示出來，檢查程序是否正確，體現(xiàn)了其方便的使用性。


6. 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化


隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展以及先進(jìn)制造和安裝技術(shù)的應(yīng)用，CNC裝置的功能不斷增強(qiáng)，功耗逐漸減小，大大縮小了板卡等硬件結(jié)構(gòu)的尺寸，體積越來越小，易于和機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)融合，占地面積小，操作方便。CNC裝置的通信功能不斷增強(qiáng)，利用CNC裝置容易組成數(shù)控加工自動生產(chǎn)線（如FMS和CIMS等），易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。


3.1.3CNC裝置的功能


CNC裝置的硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，許多復(fù)雜的功能靠軟件實(shí)現(xiàn)。CNC裝置的功能通常包括基本功能和選擇功能。不管用于什么場合的CNC裝置，基本功能是其必備的數(shù)控功能；而選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。不同的CNC裝置生產(chǎn)廠家，其CNC裝置的功能是有些差異的，但主要功能是相同的。CNC裝置的主要功能如下。


1. 控制功能


控制功能是指CNC裝置能夠控制的并且能夠同時控制聯(lián)動的軸數(shù)，它是CNC裝置的重要性能指標(biāo)，也是區(qū)分CNC裝置檔次的重要依據(jù)。控制軸有移動軸和回轉(zhuǎn)軸、基本軸和附加軸。數(shù)控車床一般只需X、Z兩軸聯(lián)動控制。數(shù)控銑床、鉆床和加工中心等需三軸控制及三軸聯(lián)動控制。聯(lián)動軸數(shù)越多，說明CNC裝置的功能越強(qiáng)，加工的零件越復(fù)雜。


2. 準(zhǔn)備功能


準(zhǔn)備功能又稱G功能，用來指明機(jī)床的下一步如何動作。它包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、鏡像、固定循環(huán)加工、公英制轉(zhuǎn)換、子程序等指令。ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用指令G和后續(xù)的兩位數(shù)字組成表示指令的功能。西門子公司新出的CNC裝置（如840D、802D）用G帶三位數(shù)表示某一功能。


3. 插補(bǔ)功能


插補(bǔ)功能用于對零件輪廓加工的控制，一般的CNC裝置有直線插補(bǔ)功能、圓弧插補(bǔ)功能，特殊的CNC裝置還有二次曲線插補(bǔ)功能和樣條曲線插補(bǔ)功能。


實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算的方法有逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、直接函數(shù)法和雙DDA法等。


4. 固定循環(huán)加工功能


用數(shù)控機(jī)床加工零件，一些典型的加工工序，如鉆孔、鉸孔、攻螺紋、深孔鉆削、切螺紋等，所需完成的動作循環(huán)十分典型，若用基本指令編寫則較麻煩，使用固定循環(huán)加工功能可以簡化編程工作。固定循環(huán)加工指令將典型動作事先編好程序并儲存在內(nèi)存中，用G代碼進(jìn)行指定。固定循環(huán)加工指令有鉆孔、鉸孔、攻螺紋循環(huán)，車削、銑削循環(huán)，復(fù)合加工循環(huán)及車螺紋循環(huán)等。


5. 進(jìn)給功能


進(jìn)給功能用F指令給出各進(jìn)給軸的進(jìn)給速度大小。在數(shù)控加工中常用到以下幾種與進(jìn)給速度有關(guān)的術(shù)語。


1） 切削進(jìn)給速度


切削進(jìn)給速度（mm/min）指定刀具切削時的移動速度，例如F100表示切削進(jìn)給速度大小為100 mm/min。


2） 同步進(jìn)給速度


同步進(jìn)給速度（mm/r）即主軸每轉(zhuǎn)一圈時進(jìn)給軸的進(jìn)給量。只有主軸裝有位置編碼器的機(jī)床才能指令同步進(jìn)給速度。


3） 快速進(jìn)給速度


快速進(jìn)給速度指機(jī)床的最高移動速度，用G00指令，通過參數(shù)設(shè)定。它可通過操作面板上的快速開關(guān)改變。


4） 進(jìn)給倍率


操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，使用進(jìn)給倍率開關(guān)不用修改零件加工程序就可改變進(jìn)給速度。進(jìn)給倍率可在0~200%之間變化。


6. 主軸功能


主軸功能包括以下幾方面。


1） 指定主軸轉(zhuǎn)速


用S后跟4位數(shù)表示，單位為轉(zhuǎn)/分（r/min），例如S1500表示主軸轉(zhuǎn)速指定為1500 r/min。


2） 設(shè)置恒定線速度


該功能主要用于車削和磨削加工中，能使工件端面質(zhì)量提高。


3） 主軸準(zhǔn)停


該功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止。加工中心必須有主軸準(zhǔn)停功能，換刀時主軸準(zhǔn)停后進(jìn)行卸刀和裝刀動作。


7. 輔助功能


輔助功能主要用于指定主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，切削液泵的打開和關(guān)閉及換刀等動作，用M字母后跟2位數(shù)表示。沒有特指的輔助功能可作其他用途。


8. 刀具功能


刀具功能用來選擇刀具并且指定有效刀具的幾何參數(shù)的地址。


9. 補(bǔ)償功能


補(bǔ)償包括刀具補(bǔ)償（刀具半徑補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、刀具磨損補(bǔ)償）、絲杠螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償。CNC裝置采用補(bǔ)償功能可以把刀具相應(yīng)的補(bǔ)償量、絲杠螺距誤差的補(bǔ)償量和反向間隙的補(bǔ)償量輸入到其內(nèi)部存儲器，在控制機(jī)床進(jìn)給時按一定的計算方法將這些補(bǔ)償量補(bǔ)上。


10. 顯示功能


CNC裝置配置的CRT顯示器或液晶顯示器，用于顯示程序、零件圖形、人機(jī)對話編程菜單、故障信息等。


11. 通信功能


通信功能主要用于完成上級計算機(jī)與CNC裝置之間的數(shù)據(jù)和命令傳送。一般的CNC裝置帶有RS32C串行接口，可實(shí)現(xiàn)DNC方式加工。高級一些的CNC裝置帶有FMS接口，按MAP（制造自動化協(xié)議）通信，可實(shí)現(xiàn)車間和工廠自動化。


12. 自診斷功能


CNC裝置安裝了各種診斷程序，這些程序可以嵌入其他功能程序中，在CNC裝置運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查和診斷。診斷程序也可作為獨(dú)立的服務(wù)性程序，在CNC裝置運(yùn)行前或因故障停機(jī)后進(jìn)行診斷，查找故障的部位。有些CNC裝置具有遠(yuǎn)程診斷功能。


3.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)


隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和表面安裝技術(shù)的發(fā)展，CNC系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進(jìn)。早期數(shù)控系統(tǒng)的輸入、運(yùn)算、插補(bǔ)、控制功能均由電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路組成的邏輯電路實(shí)現(xiàn)，不同的數(shù)控機(jī)床需要設(shè)計專門的邏輯電路。世界上第一個CNC系統(tǒng)于1970年問世，1974年美、日等國便研究出了以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，之后8位、16位、后16位、32位、64位CNC系統(tǒng)相繼被應(yīng)用。CNC系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。


3.2.1單片機(jī)數(shù)控裝置


單片機(jī)是指集成了CPU、存儲器及輸入/輸出接口電路的半導(dǎo)體芯片，習(xí)慣上稱之為單片微型計算機(jī)。它的主要特點(diǎn)是抗干擾性好、可靠性高、速度快、指令系統(tǒng)的效率高、體積小、價格低，適用于簡易的和小型專用的數(shù)控裝置。單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖3��2所示。


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