CNC系统的组成和功能详解

一、CNC系统的组成

数字控制机床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，它是数控技术的典型应用。

数控系统是实现数字控制的装置，CNC系统是以计算机为核心的数控系统。CNC系统的组成如图2-1所示。

图2-1　CNC系统的组成

1.操作面板

操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘类似）和显示器组成。CNC系统一般采用集成式操作面板，分为显示区、NC键盘区和机床控制面板区三大区域，如图2-2所示。

图2-2　华中数控系统操作面板

显示器一般位于操作面板的左上部，用于菜单、系统状态、故障报警的显示和加工轨迹的图形仿真。较简单的显示器只有若干个数码管，显示信息也很有限，较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富。低档的显示器或液晶显示器只能显示字符，高档的显示器能显示图形。

NC键盘包括标准化的字母数字式MDI键盘和F1～F6功能键，用于零件程序的编制、参数输入、手动数据输入和系统管理操作等。

机床控制面板（MCP）用于直接控制机床的动作或加工过程。一般主要包括：①急停方式；②手动按键；③速率修调（进给修调、快进修调、主轴修调）；④回参考点；⑤手动进给；⑥增量进给；⑦手摇进给；⑧自动运行；⑨单段运行；⑩超程解除；机床动作手动控制，如：冷却启停、刀具松紧、主轴制动、主轴定向、主轴正反转、主轴停止等。

2.输入/输出装置

输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号，传送并存入数控装置内。输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值、报警信号等。数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入/输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。CNC系统还可以用通信的方式进行信息的交换，这是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。

通常采用的通信方式有：

（1）串行通信（RS-232等串行通信接口）。

（2）自动控制专用接口和规范（DNC和MAP等）。

（3）网络技术（INTERNET和LAN等）。

3.CNC装置

CNC装置是CNC系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。CNC装置根据输入的加工程序进行运动轨迹处理和机床输入/输出处理，然后输出控制命令到相应的执行部件，如伺服单元、驱动装置和PLC等使其进行规定的、有序的动作。CNC装置输出的信号有各坐标轴的进给速度、进给方向和位移指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的指令，控制冷却液、润滑油启停，工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位辅助指令信号等。这个过程是由CNC装置内的硬件和软件协调完成的。

4.伺服单元

伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。因此伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别，典型伺服单元如图2-3所示。

图2-3　伺服单元

5.驱动装置

驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们当中有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。

伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组成部分，包含机械、电子、电动机等各种部件，涉及强电与弱电的控制。数控机床的运动速度、跟踪及定位精度，加工表面质量，生产率及工作可靠性，往往主要取决于伺服系统的动态和静态性能。

6.可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。当PLC用于控制机床顺序动作时（以FANUC系统为例），称为PMC（Programmable Machine Controller）模块，它在CNC装置中接收来自操作面板，机床上的各行程开关，传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。

CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC装置主要执行与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接收CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹，刀具的更换，冷却液的开、关等一些辅助动作；它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用来控制加工过程。

二、CNC系统的功能

CNC系统的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC系统的基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。

1.数控功能丰富

（1）插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补。

（2）补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等。

（3）人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口。(www.xing528.com)

（4）编程功能：G代码、蓝图编程、部分自动编程功能。

2.可靠性高

CNC系统采用了集成度高的电子元件、芯片，采用超大规模集成电路（VLSI）本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能（大多由软件实现）可使系统故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。

3.使用维护方便

（1）操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。

（2）编程方便：具有多种编程、程序自动校验和模拟仿真功能。

（3）维护维修方便：部分日常维护工作可自动进行（润滑、关键部件的定期检查等）；通过数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。

4.易于实现机电一体化

CNC系统控制柜的体积小（由于采用计算机，硬件数量减少；由于电子元件的集成度越来越高，硬件的体积不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。

5.CNC系统功能的分类

从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。CNC系统的功能包括基本功能和选配功能。

CNC系统的基本功能是CNC系统基本配置的功能，即必备的功能，包括插补和固定循环功能、控制功能、准备功能、进给功能、刀具管理功能、主轴功能、辅助功能等。

CNC系统的选配功能是用户可以根据实际要求选择的功能，包括补偿功能、人机对话编程功能、自诊断功能和通信功能。

（1）插补和固定循环功能：所谓插补功能是CNC系统实现零件轮廓（平面或空间）加工轨迹运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补功能，而现在较为高档的CNC系统还备有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线以及样条曲线插补等功能。在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且多次重复进行，CNC系统事先将这些典型的固定循环用C代码进行定义，在加工时可直接使用这类C代码完成这些典型的动作循环，从而大大简化了编程工作。

（2）控制功能：CNC系统能控制和联动控制进给的轴数。CNC系统控制的进给轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴，如数控车床至少需要两轴联动，在具有多刀架的车床上则需要两轴以上的控制轴。数控镗铣床、加工中心等需要有3根或3根以上的控制轴。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也就越困难。

（3）准备功能：即G功能，指令机床动作方式的功能。

（4）进给功能：CNC系统进给速度的控制功能主要有以下三种。第一，进给速度，即控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min；第二，同步进给速度，即实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r，用于加工螺纹；第三，进给倍率（进给修调率），即人工实时修调进给速度，通过面板的倍率波段开关在0～200%对预先设定的进给速度实现实时修调。

（5）刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。

（6）主轴功能：主轴功能主要有以下几种。第一，切削速度（主轴转速），即刀具切削点切削速度的控制功能，单位为m/min（r/min）；第二，恒线速度控制，即刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，如端面车削的恒速控制；第三，主轴定向控制，即主轴周向定位控制于特定位置的功能；第四，C轴控制，即主轴周向任意位置控制的功能；第五，切削倍率（主轴修调率），即人工实时修调切削速度，通过面板的倍率波段开关在0～200%对预先设定的主轴速度实现实时修调。

（7）辅助功能：即M功能，用于指令机床辅助操作功能。

（8）补偿功能：第一，刀具半径和长度补偿功能，即按根据零件轮廓编制的程序去控制刀具中心的轨迹，以及在刀具磨损或更换时（刀具半径和长度变化），对刀具半径或长度做相应的补偿。该功能由G指令实现。第二，传动链误差，包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能，即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入CNC装置相应的储存单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补偿；在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。第三，智能补偿功能，即对诸如机床几何误差造成的综合加工误差、热变形引起的误差、静态弹性变形误差以及由刀具磨损所带来的加工误差等，都可采用现代先进的人工智能、专家系统等技术建立模型，利用模型实施在线智能补偿，这是数控技术正在研究开发的技术。

（9）人机对话编程功能：在CNC系统中配有单色或彩色CRT，通过软件可实现字符和图形的显示，以方便用户的操作和使用。在CNC系统中这类功能有：菜单结构的操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。

（10）自诊断功能：一般的CNC系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代的CNC系统。这些自诊断功能主要是用软件来实现的。具有此功能的CNC系统可以在故障出现后迅速查明故障的类型及部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。

通常不同的CNC系统所设置的诊断程序不同，它们可以被包含在系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，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系统可以进行远程通信诊断。

（11）通信功能：即CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。通常CNC系统都具有RS-232C接口，可与上级计算机进行通信，传送零件加工程序；有的还备有DNC接口，以此实现直接数控；更高档的系统还可与MAP（制造自动化协议）相连，以适应FMS、CIMS、IMS等大制造系统集成的要求。

6.CNC系统的特点

CNC系统对零件程序的处理过程如图2-4所示。通过对图2-4的分析可知，CNC系统主要有如下特点。

图2-4　CNC系统对零件程序的处理过程

（1）用存储的软件实现控制。CNC系统是用存储的软件进行操作以代替普通NC的硬件控制。目前，CNC系统都把系统软件存储在半导体只读存储器（ROM），或可擦除的只读存储器（EPROM）中，现在有把硬盘作为存储器的趋势。

（2）有存储零件程序和修改零件程序的能力。一般CNC系统的存储器总划出一部分可读可写存储器用以存储零件程序，有的CNC系统甚至有专门的区域用来存储用户的子程序。CNC系统有编辑功能，用户可以利用显示装置和软件编辑功能来修改零件程序。

（3）有故障诊断的功能。CNC系统有诊断程序，CNC系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障的部件，减少维修停机时间。

（4）可用软件取代机床的继电器控制。利用PLC代替继电器电路，以机床的各种开关控制作为软件控制，由CNC系统的计算机来处理，使机床的全部动作都由软件加以控制和监视。

（5）可实现调节控制。CNC系统把计算机引入机床位置控制回路中，利用计算机的数据处理能力，可实现各种控制策略。

（6）有保护零件的能力。保护零件必须考虑三个方面：必须保证零件程序数据的正确性；必须监视零件程序在机床上的执行情况，以保证机床服从命令；在检测到错误时，必须在零件变成废品之前采取措施。