机床数控技术优化：介绍机床的数控技术

数控技术是指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术，也是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。数控技术把机械装备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新水平，使传统的制造业发生了深刻的变化。

本节所述的数控技术仅限于机床数控技术，力求在有限的篇幅下反映当代数控技术的主要内容、发展现状和趋势。

1.机床数控系统

（1）机床数控系统的组成及功能原理

如图3-11所示，CNC机床数控系统由数控装置、可编程控制器（PLC）、进给伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置、输入输出接口，以及机床控制面板和人机界面等部分组成。其中数控装置为机床数控系统的核心，其主要功能有运动轴控制和多轴联动控制功能；准备功能，即用来设定机床动作方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等；插补功能，包括直线插补、圆弧插补、抛物线插补等；辅助功能，即用来规定主轴的启停、转向，冷却润滑的通断、刀库的启停等；补偿功能，包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、反向间隙补偿、螺距补偿、温度补偿等。此外，还有字符图形显示、故障诊断、系统通信、程序编辑等功能。

图3-11　CNC数控系统组成原理

数控系统中的PLC主要用于开关量的输入和控制，包括控制面板的输入、机床主轴的启停与换向、刀具的更换、冷却润滑的启停、工件的夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。

数控系统的工作过程：首先从零件程序存储区逐段读出数控程序，对读出的程序段进行译码，将程序段中的数据依据各自的地址送到相应的缓冲区，同时完成对程序段的语法检查，然后进行数据预处理，包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、象限及进给方向判断、进给速度换算以及机床辅助功能判断，将预处理数据直接送入工作寄存器，提供给系统进行后续的插补运算，接着进行插补运算，根据数控程序G代码提供的插补类型及所在象限、作用平面等进行相应的插补运算，并逐次以增量坐标值或脉冲序列形式输出，使伺服电机以给定速度移动，控制刀具按预定的轨迹加工，数控程序中的M、S、T等辅助功能代码经过PLC逻辑运算后控制机床继电器、电磁阀、主轴控制器等执行元件动作，位置检测元件将坐标轴的实际位置和工作速度实时反馈给数控装置或伺服装置，并与机床指令进行比较后对系统的控制量进行修正和调节。

（2）数控系统的硬件结构

数控系统从硬件结构上可分为单CPU结构、多CPU结构及直接采用PC计算机的系统结构。

1）单CPU结构。单CPU数控装置是以一个CPU为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采用集中控制、分时处理的工作方式完成数控加工中各项控制任务。

2）多CPU结构。多CPU数控装置配置多个CPU处理器，通过公用地址与数据总线进行相互连接，每个CPU共享系统公用存储器与I/O接口，各自完成系统所分配的功能，从而将单CPU系统中的集中控制、分时处理作业方式转变为多CPU多任务并行处理方式，使整个系统的计算速度和处理能力得到大大提高，图3-12为一种典型的多CPU结构的CNC系统框图。多CPU结构的CNC装置以系统总线为中心，把各个模块有效地连接在一起，按照系统总体要求交换各种数据和控制信息，实现各种预定的控制功能。这种结构的基本功能模块可分为以下几类：①CNC管理模块，用于控制管理的中央处理机；②位置控制模块、PIE模块及对话式自动编程模块，用于处理不同的控制任务；③存储器模块，存储各类控制数据和机床数据；④CNC插补模块，对零件程序进行译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等插补前的预处理，完成插补计算，为各坐标轴提供精确的给定位置；⑤输入/输出和显示模块，用于工艺数据处理的二进制输入/输出接口、外围设备耦合的串行接口，以及处理结构输出显示。多CPU结构的CNC系统具有良好的适应性、扩展性和可靠性，性能价格比高，被众多数控系统所采用。

3）基于PC微机的CNC系统。基于PC微机的CNC系统是当前数控系统的一种发展趋势，它得益于PC微机的飞速发展和软件控制技术的日益完善。利用PC微机丰富的软硬件资源可将许多现代控制技术融入数控系统；借助PC微机友好的人机交互界面，可为数控系统增添多媒体功能和网络功能。

图3-12　多CPU结构CNC框图

图3-13为基于PC微机和美国Delta Tau公司PMAC多轴运动卡所构造的CNC系统，它包括工控机IPC、多轴运动卡PMAC、双端口RAM、带光隔的I/O接口、永磁同步式交流伺服电机、变频调速主轴电机、接线器等。PMAC与IPC之间的通信可通过PC总线和双端口RAM两种方式进行：当IFC向PMAC写数据时，双端口RAM能够在实时状态下快速地将位置指令或程序信息进行下载；若从PMAC中读取数据时，IPC通过双端口RAM可以快速地获取系统的状态、电动机的位置、速度、跟随误差等各种数据。利用双端口RAM大大提高了数控系统的响应能力和加工精度，同时也方便了用户的系统开发。

图3-13　基于PMAC的CNC系统结构

（3）数控系统的软件组成

CNC系统是一个多任务系统，它通常作为一个独立的控制单元用在自动化生产中。CNC系统的软件结构由一个主控模块与若干功能模块组成。主控模块为用户提供一个友好的系统操作界面，在此界面下系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块分为实时控制类模块和非实时管理类模块两大类，如图3-14所示。实时控制类模块是控制机床运动和动作的软件模块，具有毫秒级甚至更高要求的时间响应；非实时管理类模块没有具体的时间响应要求。

图3-14　CNC系统的软件组成

非实时管理类软件模块包括参数输入、系统设置、系统诊断、系统通信、显示处理以及程序编辑等，这类软件模块可利用PC微机所提供的计算机语言和软件工具来实现。

实时控制类软件模块包括程序译码、刀具补偿、速度处理、运动插补、数据采集以及PLC逻辑控制等。在这些实时控制软件模块中，有些多轴运动卡以硬件形式已提供了许多基本功能，如运动插补、刀具补偿、速度处理等，这就大大方便了系统软件的开发。

CNC系统软件又有前后台型软件结构与中断型软件结构之分。

在前后台型CNC系统软件结构中，前台程序为中断服务程序，完成系统的全部实时控制功能；后台程序为循环运动程序，一些非实时的管理类软件以及插补准备预处理软件在后台完成。在后台程序运行过程中，前台的实时中断程序不断插入，与后台程序相配合共同完成零件加工的控制任务。

中断型CNC系统软件结构的特点是整个软件就是一个大的中断系统，除了初始化程序外，整个系统各个软件模块安排在不同级别的中断服务中，通过不同的中断来调用所需功能模块。同样，管理类软件模块也是通过各级中断服务的相互通信来运行的。

2.数控加工编程技术

（1）数控加工编程一般步骤

数控加工编程就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量、位移方向及其他辅助动作（刀具选择、冷却开闭、工件夹紧松开等），按运动顺序和所用数控系统规定的坐标系和指令代码及格式来编制加工程序单，经校核、试切无误后储备在存储介质上，然后再由相应的阅读器将程序输入数控装置，从而控制数控设备的运行。这一过程称为数控加工编程。

数控加工编程一般可分为如下的几个步骤。

1）工艺处理。根据被加工零件图样及技术要求进行工艺分析，明确加工内容和要求，确定工艺方案，选择合适的加工工具和合理的切削用量，在保证加工精度的前提下应满足工艺方案的合理性和经济性。

2）数值计算。根据零件的几何形状、加工路线和数控系统的情况，并考虑所允许的编程误差，进行基点、节点和刀具中心轨迹等计算。

3）编制零件加工程序单。根据所确定的工艺内容和数值计算结果，按照数控系统所规定的程序指令和程序格式，逐段编写零件加工程序单。

4）输入数控程序。通过键盘输入或磁盘读入，或通过RS-232C接口将数控加工程序输入到数控系统。(www.xing528.com)

5）程序校验。编制好的程序，在正式用于生产加工前必须进行程序运行检查。在某些情况下，还需做零件试加工。根据试加工检验结果，对程序进行修改和调整，直到获得完全满足加工要求的程序为止。

（2）计算机辅助数控加工编程

数控加工程序可以由手工编制，但手工编程只能编制那些几何形状不复杂、计算量不大、加工程序不多的简单零件；对于一些复杂零件，如带有非圆曲面、自由曲面的凸轮、模具型腔等，其手工编程变得极为困难。据统计，一般手工编程所需时间与机床加工时间之比约为30∶1。因此，快速而准确地编制数控加工程序就成为数控技术发展和应用中的一个重要环节，而计算机辅助编程技术正是针对这一问题而产生和发展起来的。

如图3-15所示，计算机辅助数控加工编程有两种不同的方式：一是借助于数控语言进行自动编程；另一是利用CAD/CAM软件工具完成数控加工程序的编制。

图3-15　计算机辅助数控编程原理图

1）数控语言自动编程。该方法几乎是与数控机床同步发展起来的，APT语言是一种典型的数控编程语言。编程人员根据零件图样和工艺要求，应用数控语言编制零件加工源程序，通过该源程序描述零件的几何形状、尺寸大小、工艺路线与参数以及刀具与零件的相对运动关系等，经过系统编译和刀具轨迹计算，生成中性的刀位文件（Cutter Location Data），最后根据所要求的指令和格式进行后置处理，生成具体机床的零件加工数控程序，从而最终完成自动编程工作。

2）CAD/CAM系统数控编程。它是直接利用CAD造型所生成的三维几何实体，采用人机交互的方式，由操作者在计算机屏幕上指定三维实体被加工的部位，输入合适的切削参数和刀具参数，交互选择走刀方式，然后由系统自动进行刀具轨迹计算和处理，生成刀位文件。同样，经过后置处理生成所需的数控加工程序。

与数控语言自动编程比较，利用CAD/CAM软件系统进行数控编程具有如下的特点：

①将零件数控加工编程过程中的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等作业过程结合在一起，有效地解决了编程的数据来源、图形显示、加工模拟和交互修改问题，弥补了数控语言编程的不足。②编程过程是在计算机上直接面向零件的三维实体图形交互进行，不需要用户编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观、准确，便于检查。③有利于实现系统的集成，不仅能够实现产品设计（CAD）与数控编程（CNCP）的集成，还便于实现与工艺设计（CAPP）、刀夹量具设计等其他生产过程的集成。

（3）数控编程系统的进展

1）面向车间的编程。面向车间的编程（WOP，Workshop Orientated Programming）是20世纪90年代初兴起的一种新的编程方法。WOP基本思想是用图形符号代替数控语言，编程者按照系统菜单提示选择相应的图形符号，并回答屏幕上所提出的问题，输入必要的工艺数据，从而由系统自动完成编程工作。按照WOP编程方法，编程员用所给的图形符号对机加工零件进行描述，充分利用WOP系统所推荐的工艺数据，并结合自身的生产经验进行工艺优化，具体的数控程序则由WOP编程系统自动生成。

WOP作为一种新的数控编程方法，其显著特点是：它不仅考虑了零件编程的柔性和适应性，还充分利用和发挥编程人员的专门知识和经验，实用性强，同时，由于所给图形的直观性，将更容易被人们接受和应用。

2）数字化扫描编程。近十多年来，随着CAD/CAM技术的成熟，出现了各种实体数字化扫描技术。数字化扫描技术（Digital Scanning）现已成为汽车、航空、航天、轻工、医疗等行业中一些零件和模具制造的关键技术。数字化扫描系统由数据采集装置、数据处理软件模块及其控制系统组成，它是借助接触式或非接触式采样头，快速实现复杂曲面的扫描，由此获得一系列模型表面的坐标点集，由这些坐标点集自动生成零件加工的数控程序。此外，根据需要也可以将扫描的数据送到CAD系统中进行修改。

数字化扫描及其相关技术又称为反求工程（RE，Reverse Engineering）。反求工程的典型应用是数控仿形加工，其工作过程为：首先借助于采样头采集模型的每一点几何数据，通过数据处理生成数控程序，由该数控程序控制机床复制加工出所需零件。也可在三坐标测量仪上对样本进行数据扫描，通过数据接口与CAD/CAM系统相连，利用CAD软件模块重新建模，生成扫描件三维实体模型，绘制扫描件的零件图样。

世界著名的RENISHAU公司为机械制造商们提供了高速数字化扫描系统RESCAN，可将该扫描系统直接安装在现有的数控机床或加工中心机床上，对各种样本进行仿形加工和反求工程作业。

3.机床数控技术发展趋势

自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术发展迅速，经历了六代、两个阶段的发展历程。其中第一个阶段为NC阶段，它包含了电子管、晶体管和小规模集成电路的三代发展。自1970年小型计算机应用于数控系统，成为第四代数控系统，它标志着数控系统进入到第二个发展阶段，称为CNC阶段。从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数控系统。在20多年内，在生产中实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外围器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化程度越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大、中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划为所谓的第六代数控系统。

下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床数控技术的发展趋势。

（1）性能发展方面

1）高速高精高效化。开发高速高精高效功能的数控系统是数控技术不断创新的体现，也是制造业发展的实际需要。①高生产率，目前加工中心进给速度已达到80～120 m/min，换刀时间小于1 s；②高加工精度，以前精密零件的加工要求一般为1μm，随着精密产品的出现，对精度要求提到0.1μm，有些零件甚至已达到0.01μm，高精密零件要求提高机床加工精度，包括采用温度补偿；③微机电加工，其尺寸大小一般在1mm以下，表面粗糙度为纳米数量级，要求数控系统能直接控制纳米级机床。

2）柔性化。包含两个方面的柔性：①数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，便于不同用户的需求；②DNC系统的柔性，同一DNC系统能够依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥DNC系统的效能。

3）工艺复合化和多轴化。数控机床的工艺复合化，是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或旋转工作台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术的进步提供了多轴和多轴联动控制功能，如FANUC 15系统的可控轴数和联动轴数均达到24轴。

4）实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能，则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统与人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要的分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制等。

（2）功能发展方面

1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与操作者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面已成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术，也对用户界面提出了更高的要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、图形模拟、三维彩色立体动态图实现、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现等。

2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

3）插补和补偿方式多样化。多种插补方式，如直线插补、圆弧插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、样条插补、NURBS插补、多项式插补等。多种补偿功能，如反向间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距补偿、测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿等。

4）内置高性能。数控系统内置高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床、铣床的标准PLC用户程序，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改。从而方便地建立自己的应用程序。

5）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像、通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断。生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

（3）体系结构的发展

1）集成化。采用高度集成化芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、质量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为与CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术主流。应用先进封装和互联技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度，减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减少组件尺寸，提高系统的可靠性。

2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同功能要求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通信等模块做成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

3）网络化。机床网络可进行远程控制和无人化操作，通过机床联网，可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作和运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

4）开放式闭环控制模式。采用通用计算机组成总线式、模块化、开放、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素。因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。