[科普中國]-CNC控制器

CNC(數(shù)控機床)控制器是指計算機數(shù)字控制機床(computer numerical control)的程序控制系統(tǒng)。能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件，這大大提高了模具加工的生產(chǎn)率。

簡介CNC(數(shù)控機床)控制器是指計算機數(shù)字控制機床(computer numerical control)的程序控制系統(tǒng)。能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件，這大大提高了模具加工的生產(chǎn)率1。

特性1.曲線曲面的非均勻有理b樣條(nurbs)插補該項技術(shù)采用沿曲線插補的方式，而不是采用一系列短直線來擬合曲線。這一技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當普遍。許多模具行業(yè)使用的cam軟件都提供了一個選項，即生成nurbs插補格式的零件程序。同時，功能強大的cnc還提供了五軸插補功能以及與此相關(guān)的特性。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量，改善了電機運行的平穩(wěn)度，提高了切削速度，并使零件加工程序更小。

2. 更小的指令單位大多數(shù)的cnc系統(tǒng)向機床主軸傳遞運動和定位指令的單位不小于1微米。在充分利用cpu處理能力提高這一優(yōu)勢后，一些cnc系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達到1納米(0.000001mm)。在指令單位縮小1000倍后，可獲得更高的加工精度，可使電機運行得更平穩(wěn)。電機運行的平穩(wěn)使得一些機床能夠在床身振動不加大的前提下，以更高的加速度運行。

3. 鐘形曲線加速/減速也稱作為s曲線加速/減速，或爬行控制。與使用直線加速方式相比，這種方式可使機床獲得更好的加速效果。與其它加速方式相比，也包括直線方式和指數(shù)方式，采用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤差。

4. 待加工軌跡監(jiān)控這一技術(shù)已被廣泛使用，該技術(shù)具有眾多性能差異，使其在低檔控制系統(tǒng)中的工作方式與高檔控制系統(tǒng)中的工作方式得以區(qū)別開來?？偟膩碇v， cnc就是通過加工軌跡監(jiān)控來實現(xiàn)對程序的預(yù)處理，以此來確保能獲得更優(yōu)異的加速/減速控制。根據(jù)不同的cnc的性能，待加工軌跡監(jiān)控所需的程序塊數(shù)量從兩個到上百個不等，這主要取決于零件程序的最短加工時間和加速/減速的時間常數(shù)。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個待加工軌跡監(jiān)控程序塊。

5. 數(shù)字伺服控制數(shù)字伺服系統(tǒng)的發(fā)展如此迅速，以至于大多數(shù)機床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，cnc能夠更及時地控制伺服系統(tǒng)，而且cnc對機床的控制也變得更精確。

數(shù)字伺服系統(tǒng)的作用如下：

1) 將提高電流環(huán)路的采樣速度，再加上電流環(huán)控制的改善，從而降低電機溫升。這樣，不僅可以延長電機的壽命，還可以減少傳遞到滾珠絲杠的熱量，從而提高絲杠的精度。除此之外，采樣速度的加快還可以提高速度回路的增益，這些都有助于提高機床的整體性能。

2) 由于許多新的cnc使用高速序列與伺服回路相連，因此通過通訊鏈路，cnc可獲得更多的電機和驅(qū)動裝置的工作信息。這可提高機床的維護性能。

3) 連續(xù)的位置反饋允許在高速進給的情況下進行高精度的加工。cnc運算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機床運行速度的瓶頸。在傳統(tǒng)的反饋方式中，隨著cnc和電子設(shè)備的外部編碼器的采樣速度的變化，反饋速度受到信號類型的制約。采用串行反饋，這一問題將得到很好的解決。即使機床以很高的速度運行，也可達到精密的反饋精度。

6. 直線電機的工作性能和歡迎度有了顯著的提高，所以很多加工中心采用了這一裝置。一些先進技術(shù)使得機床上的直線電機的最大輸出力為15,500n，最大加速度為30g。另一些先進技術(shù)的應(yīng)用使機床的尺寸得以減小，重量得以減輕，冷卻效率大為提高。所有這些技術(shù)上的進步使直線電機在與旋轉(zhuǎn)電機相比時，優(yōu)勢更強：更高的加/減速率；更準確的定位控制，更高的剛度；更高的可靠性；內(nèi)部的動態(tài)制動2。

CNC控制器的功能在這里，主要把前述數(shù)控任務(wù)所要實現(xiàn)的功能進行總結(jié)，以進一步分析與綜合CNC控制器的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)。

CNC控制器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，選擇功能是供用戶按機床特點和用途可進行選擇的功能，CNC通常有如下主要功能：

1、軸控制功能：此功能是指CNC可控制的和同時控制的軸數(shù)。對于數(shù)控機床運動的軸有移動軸和回轉(zhuǎn)軸，有基本軸和附加軸。一般數(shù)控車床只需2根同時控制軸。數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床和加工中心需要有3根或3根以上的控制軸。而同時控制的軸數(shù)按用途不同可以是2軸或3軸等。在加工空間曲面的數(shù)控機床則需要3根以上的同時控制軸?？刂戚S數(shù)越多，尤其是同時控制軸數(shù)越多，CNC控制器就越復雜，多軸聯(lián)動的零件程序編制也就越困難。

2、準備功能：準備功能也稱G功能，它用來指令機床運動方式的功能，包括基本移動、平面選擇、坐標設(shè)定、刀補償、固定循環(huán)、米英制轉(zhuǎn)換等指令。用G和它后面的兩位數(shù)字表述。

3、插補功能：CNC是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動的軌跡。由于輪廓連續(xù)控制時的實時性很強，軟件插補的計算速度較難滿足數(shù)控機床對進給速度和分辨率的要求，以及要求CNC不斷擴展其他方面的功能而減少插補計算所占用CPU時間。因此，CNC的插補功能實際上被分為粗插補和精插補，軟件每次插補一個小線段數(shù)據(jù)稱為粗插補，私服接口根據(jù)粗插補的結(jié)果，將小線段分成單個脈沖輸出，稱為精插補。

進行輪廓加工的零件形狀，大多數(shù)是由直線和圓弧構(gòu)成，有點由更復雜的曲線構(gòu)成，因此有直線、圓弧、拋物線、正弦、圓筒、樣條插補，實現(xiàn)插補運算的方法有逐點比較法，數(shù)字積分法直接函數(shù)運算法等。進給功能，根據(jù)機械加工工藝要求，CNC的進給功能用F直接指令數(shù)控機床各軸的進給速度3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學