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1、一、数字控制与数控技术一、数字控制与数控技术数字控制（数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。 数控技术（数控技术（Numerical Control Technology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。 数控机床（数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控系统（数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。计算机数控系统（计算机数控系统
2、（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心 的数控系统。二、什么是数控系统二、什么是数控系统数控系统是数字控制系统简称，英文名称为 Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970 年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized numerical control,简称 CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC 系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系
3、统。CNC 系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC 装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成，如图 2-1 所示。输入 装置通信 线路输出 装置计算机 数字控 制装置 (CNC 装置)主轴控制单元可编程控制器(PLC)速度控制单元主轴伺服驱 动机 床进给伺服驱 动位置检测装 置MDI信息载体编程器 上位机 CAD/CAM图 CNC 系统的组成图CNC 系统的核心是 CNC 装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用 PLC 代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更 好，易于实现复杂的
4、数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程 通信的功能。三、数控系统的组成三、数控系统的组成计算机数控系统由程序、输入/输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。如图 2.1 所示图 2.1 计算机数控系统框图计算机数控系统的核心是 CNC 装置，它不同于以前的 NC 装置。NC 装置由各 种逻辑元件、记忆元件等组成数字逻辑电路，由硬件来实现数控功能，是固定 接线的硬件结构。CNC 装置采用专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功 能，具有良好的“柔性”，容易通过改变软件来更改或扩展其功能。CNC 装置 由硬件和软件组成，软件在硬件的
5、支持下运行，离开软件硬件便无法工作，两 者缺一不可。四、数控系统功能四、数控系统功能CNC 系统的功能 CNC 系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能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，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC 系统的功能主要反映在准备功能 G 指令代码和辅助功能 M 指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。1. 控制功能 CNC 系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本
6、轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或212轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求 CNC 系统的功能就越强，同时 CNC 系统也就越复杂，编制程序也越困难。2. 准备功能 准备功能也称 G 指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。3. 插补功能
7、CNC 系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于 CNC 不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的 CPU 时间。因此 ，CNC 的插补功能实际上被分为粗插补和精插补，插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。4. 进给功能 根据加工工艺要求，CNC 系统的进给功能用 F 指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。（1）切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对
8、于回转轴，表示每分钟进给的角度。（2）同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。（3）进给倍率 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从 0200%之间变化，每档间隔 10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。5. 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能。（1）转速的编码方式 一般用 S 指令代码指定。一般用地址符 S 后加两位数字或四位数字表示，单位分别为 r/min 和 mm/min。（2）指定恒定线速度 该功能
9、可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。（3）主轴定向准停 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的 CNC 装置。6. 辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量的控制，它用 M 指令代码表示。各种型号的数控装置具有的辅助功能差别很大，而且有许多是自定义的。7. 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符 T 为首，后面跟二位或四位数字，代表刀具的编号。8. 补偿功能 补偿功能是通过输入到 CNC 系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标
10、尺寸，从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下种类：（1）刀具的尺寸补偿 如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位置，简化编程。（2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿 通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到 CNC 系统中，在实际加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。9. 字符、图形显示功能 CNC 控制器可以配置单色或彩色 CRT 或 LCD，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。10. 自诊断功能 为
11、了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC 系统中设置了各种诊断程序。不同的 CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的 CNC 可以进行远程通信诊断。11. 通信功能 为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC 装置通常具有 RS232C 通信接口，有的还备有 DNC 接口。也有的 CNC 还可以通过制造自动化协议（MAP）接入工厂的通信网络。12. 人机交互图形编程功能
12、 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于 NC 程序的编制，特别是较为复杂零件的 NC 程序都要通过计算机辅助编程，尤 其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代 CNC 系统一般 要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的 CNC 系统可以根据零件图直接 编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出 全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的 CNC 系统可根据引导图和显 示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等 智能功能。有的 CNC 系统还备有用户宏程序功能（如日本 FANUC 系统）。这些 功能有助于那些未受过 CNC
13、 编程专门训练的机械工人能够很快地进行程序编制 工作。五、数控系统的一般工作过程五、数控系统的一般工作过程1. 输入 输入 CNC 控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC 系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机 DNC 通讯输入等。CNC 输入工作方式有存储方式和 NC 方式。存储方式是将整个零件程序一次全部输入到 CNC 内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。NC 方式是 CNC 一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入
14、后一个程序段的内容。2. 译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F、S、T、M 等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。3. 刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。刀具补偿包括 B 机能和
15、 C 机能刀具补偿功能。在较高档次的 CNC 中一般应用 C 机能刀具补偿，C 机能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。4. 进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即 F 代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量做准备；另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。有的数控机床的 CNC 软件的自动加速和减速也放在这里。5. 插补 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如对于加工直线的程序段仅给定起、终点坐标；对于加工圆弧
16、的程序段除了给定其起、终点坐标外，还给定其圆心坐标或圆弧半径。要进行轨迹加工，CNC 必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作，这就是插补。插补在每个规定的周期（插补周期）内进行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。6. 位置控制 位置控制装置位于伺服系统的位置环上，如图 4-2 所示。它的主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。位置控制可由软件完成，也可由硬件完成。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等，以提高机床的定位精度。插补输出指令位置控制速度控制进给电动机测量反馈图 4-2 位置控制的原理7. I/O 处理 CNC 的 I/O 处理是 CNC 与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到 CNC 中；另一方面是将C
