数控系统基础认知——数控装置的组成

了解并掌握数控系统相关理论知识，如数控装置的组成、工作过程和功能等，为后面的实训做好理论基础。

1.数控装置的组成

数控系统是数控机床的重要部分，它是利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。数控系统由数控程序、输入/输出（I/O）设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括检测装置）等组成，其中CNC装置是CNC系统的核心。CNC系统框图如图2-68所示。

图2-68　CNC系统框图

图2-68中，CNC装置就如同一台小型计算机，由硬件和软件两大部分组成。CNC的硬件除了具有一般计算机的基本结构，还有数控机床所特有的功能模块与接口单元。CNC装置的软件又称系统软件，由管理软件和控制软件两部分组成。管理软件包括零件的输入/输出程序、显示程序和CNC装置的自诊断程序等；控制软件包括译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等。

例如，FANUC 0i数控装置由主板模块和I/O接口模块两部分构成。主板模块主要包括CPU、内存（系列软件、宏程序、梯形图、参数等）、PMC控制、I/O LINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡I/F及LED显示等。I/O模块主要包括电源、I/O接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。

为提高机床的进给速度，一些实时控制可由硬件完成，如硬件插补器。这样CPU可做一些插补前的准备工作，而位置控制由硬件电路完成。所以硬件承担的任务的划分是绝对不变的。

2. CNC装置的功能

CNC装置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，许多复杂的功能靠软件实现。而选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。不同CNC装置厂家，其生产的CNC装置的功能有所不同，但基本功能是相同的。CNC装置的基本功能有以下几方面。

（1）控制功能

控制功能是CNC装置的重要性能指标，是指CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数。控制轴有移动轴和回转轴两种。通过制造各个轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。数控车床一般只需两轴联动控制。数控铣床、钻床和加工中心需三轴控制及三轴联动控制。联动轴数越多，CNC系统的功能越强，加工的零件越复杂。

（2）准备功能

准备功能又称G功能，用来指明机床的下一步如何动作。在ISO标准中规定，用指令G和后续两位数字组成表示指令的功能。准备功能包括基本移动、程序暂停、平面选择、刀具补偿、基准点返回、固定循环加工、子程序等指令。

（3）插补功能

CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。插补计算是在一个加工程序轨迹的起点和终点之间进行中间点的计算，分别向各个坐标轴发出方向、大小都确定的协调的运动命令，通过各个轴的合成，产生数控加工程序段要求的运动轨迹。一般的CNC装置有直线插补、圆弧插补功能，特殊的还有其他二次曲线的插补功能。

（4）进给功能

进给功能用F指令给出各进给轴的进给速度。在数控加工中常用到以下与进给速度有关的术语。

① 切削进给速度（mm/min）：以每分钟进给的毫米数规定的进给速度，如F100表示切削速度为100mm/min。

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，单位为mm/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，倍率可以在0～200%变化。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。

（5）主轴功能

主轴功能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 指定线性速度：该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量及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这一功能的CNC装置。

（6）补偿功能

补偿功能是为了使数控加工程序编制过程能相对独立，不用事先考虑实际使用的机床类型和刀具几何尺寸而设计的。补偿功能是通过输入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。(www.xing528.com)

（7）辅助功能

辅助功能即开关量控制功能，一般由可编程控制器（PLC）实现。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。此外，它还能实现一些机床状态的监测和诊断功能，如一般开关功能应与几何数据的处理相同步，或正在使用刀具的几何语言未执行完时，PLC不能执行换刀命令等。补助功能一般用M指令代码表示。

另外，可选功能不仅提高了数控加工过程和操作的方便性与舒适性，而且拓宽了数控系统的选用范围，使制造系统中制造单元的集成成为可能。常用的可选功能有图形模拟功能、监测和诊断功能、测量和校正功能、用户界面和单元功能等。

3.数控装置的工作原理

CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码处理、数据处理、插补运算与位置控制、输入/输出处理、显示和诊断程序等方面进行控制，如图2-69所示。

（1）输入

输入CNC装置的可以是零件加工程序、机床参数和刀具补偿数据等。机床参数一般在机床出厂时已经安装调试好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式分为手动输入和自动输入两种方式。手动输入通常用键盘输入；自动输入可用穿孔纸带、磁带或通信的方式。

（2）译码处理

译码处理主要是将标准程序格式翻译成便于计算机处理数据的格式（高级语言-机器语言），并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，发现错误后立即报警。

（3）数据处理

数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算及补助功能的处理等。一般来说，对输入数据处理程序的实时性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。

（4）插补运算与位置控制

插补运算程序完成CNC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配的功能。脉冲分配包括点位、直线及曲线三个方面。在有些系统中还采用粗插补与精插补相结合的方法，软件只做粗插补，即每次插补一个小线段；硬件再将小线段分成单个脉冲输出，完成精插补。这样既可提高进给速度，又能使计算机空出更多的时间进行必要的数据处理。

插补运算的结果输出，经过位置控制部分控制伺服系统运动，控制刀具按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务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相比较，用其差值去控制进给电动机。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。

图2-69　CNC工作流程图

（5）输入/输出处理

输入/输出处理主要是处理CNC装置与机床之间来往信号输入、输出和控制。CNC装置与机床之间必须通过光电隔离电路进行隔离，确保CNC装置稳定运行。

（6）显示

CNC装置显示是为操作者提供方便，通常有零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图形显示、报警显示等功能。

（7）诊断程序

CNC装置利用内部诊断程序可以进行故障诊断，主要有启动诊断和在线诊断两种。启动诊断是指CNC装置每次从通电开始至进入正常的运行；准备状态中，系统相应的自诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设是否正常。只有当检查到的各个项目都确认正确无误后，整个系统才能进入正常运行的准备状态。在线诊断是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的内装诊断程序，通过定时中断程序检查CNC装置本身及外设。只要系统不停电，在线诊断就不停止。

4. FANUC-Oi数控系统

从1952年数控系统诞生到现在已有多种数控可供选择，每一种数控系统都有自己的优缺点，常见的数控系统有西门子数控系统、FANUC数控系统、三菱MELDAS数控系统、海德汉森数控系统、西班牙FAGOR数控系统和华中数控系统等。其中FANUC和西门子数控系统市场占有率最高，应用最普遍。

FANUC-Oi系列数控系统是2000年后北京FANUC公司的新一代产品，硬件采用表面贴装技术（SMT），结构紧凑、接线简单，采用了高速串行伺服总线和串行I/O数据口，有以太网口。

该系列数控系统使用了FANUC的α及αi系列伺服电动机或β及βi系列伺服电动机，并且αi系列采用FSSB（FANUC串行伺服总线）结构，光缆传输，具有HRV（高度矢量控制）1～3功能，可实现高速高精度轮廓加工。

FANUCO系列有A、B、C、D四种产品。目前，我国使用最多的是普及型FANUC-OD和全功能型FANUC-OC两个系列。FANUC数控系统在电气结构上的主要组成部件有CNC系统、内置PMC（可编程机床控制器）及接口电路和主轴伺服驱动装置。图2-68为FANUC-OD系列车床的系统配置图。

图2-68　FANUC-OD系列车床的系统配置图