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CNC系統(tǒng)是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，下面分別加以介紹。
1.曲線曲面的非均勻有理B樣條（NURBS）插補(bǔ)該項(xiàng)技術(shù)采用沿曲線插補(bǔ)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(dāng)普遍。許多模具行業(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個(gè)選項(xiàng)，即生成NURBS插補(bǔ)格式的零件程序。同時(shí)，功能強(qiáng)大的CNC還提供了五軸插補(bǔ)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(jī)運(yùn)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(jī)床主軸傳遞運(yùn)動(dòng)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(shì)后，一些CNC系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達(dá)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(jī)運(yùn)行得更平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)使得一些機(jī)床能夠在床身振動(dòng)不加大的前提下，以更高的加速度運(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)到上百個(gè)不等，這主要取決于零件程序的最短加工時(shí)間和加速/減速的時(shí)間常數(shù)。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個(gè)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(jī)床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，CNC能夠更及時(shí)地控制伺服系統(tǒng)，而且CNC對(duì)機(jī)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(jī)溫升。這樣，不僅可以延長(zhǎng)電機(jī)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(jī)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(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的工作信息。這可提高機(jī)床的維護(hù)性能。
3）連續(xù)的位置反饋允許在高速進(jìn)給的情況下進(jìn)行高精度的加工。CNC運(yùn)算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機(jī)床運(yùn)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(hào)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(jī)床以很高的速度運(yùn)行，也可達(dá)到精密的反饋精度。
6.直線電機(jī)近幾年來，直線電機(jī)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。至今，F(xiàn)anuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺(tái)直線電機(jī)。GEFanuc的一些先進(jìn)技術(shù)使得機(jī)床上的直線電機(jī)的最大輸出力為15,500N，最大加速度為30g。另一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)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(jìn)步使直線電機(jī)在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比時(shí)，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)：更高的加/減速率；更準(zhǔn)確的定位控制，更高的剛度；更高的可靠性；內(nèi)部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。>CNC控制器的特點(diǎn)
1、多坐標(biāo)、多系統(tǒng)控制
比如FANUC最新的高檔控制器11S30i—MODELA系統(tǒng)，最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個(gè)系統(tǒng)（通道），最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸，其中進(jìn)給軸32軸，主軸為8軸，最大同時(shí)控制軸數(shù)為24軸／系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個(gè)系統(tǒng)。最大I／O點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn)／4096點(diǎn)，PMC基本命令速度為25ns。最大可預(yù)讀程序段：1000段。這是當(dāng)前世界配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。由于具有多軸多系統(tǒng)配置，因此特別適合大型自動(dòng)機(jī)床，復(fù)合機(jī)床，多頭機(jī)床等的需要。
2、高精、高速加工功能
這是CNC系統(tǒng)最重要的功能，由于有了這個(gè)功能，使制造技術(shù)（MT）大大地向前發(fā)展了。數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制，可以保證加工的零件具有很高的精度重復(fù)性。但為了得到一定的功能，輸入控制器的信號(hào)要經(jīng)過一系列處理，不可避免地要失真、延時(shí)。因此在高速加工時(shí)，要保持高的加工精度就要采取一定的措施減少失真、延時(shí)。高精、高速的加工，除了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造要保證能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外，對(duì)CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。采用前饋控制，以補(bǔ)償由于伺服滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差?！扒罢啊笨刂圃诔绦驁?zhí)行前對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運(yùn)動(dòng)，而且誤差很小。對(duì)于機(jī)床平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制，采用對(duì)指令形式的實(shí)時(shí)識(shí)別，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在最佳狀態(tài)。為了防止擾動(dòng)，開發(fā)數(shù)字濾波器的技術(shù)，以消除機(jī)械的諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精進(jìn)給和主軸的伺服系統(tǒng)對(duì)高速、高精和高效十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及控制單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線移動(dòng)軸可以來用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；減少機(jī)械傳動(dòng)鏈，提高剛度，提高精度。當(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)時(shí)，它非常適用于齒輪機(jī)床的系統(tǒng)，齒輪機(jī)床有時(shí)需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，F(xiàn)ANUC伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)體積小，采用高增益控制，伺服電機(jī)是無齒槽效應(yīng)的電機(jī)，帶有1.6xlo’脈沖／轉(zhuǎn)分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數(shù)字伺服控制，具有很高電流檢測(cè)精度，采用相應(yīng)的硬件，可以產(chǎn)生所謂“納米控制”，也就是在系統(tǒng)檢測(cè)分辨率為1嶺m時(shí)，插補(bǔ)分辨率可以達(dá)到1nm；它使在CNC內(nèi)部的計(jì)算誤差最小化，每次內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位，大大提高了加工的質(zhì)量。對(duì)于控制直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械帶來的多點(diǎn)諧振特性，聯(lián)合這些功能，機(jī)床刀具的運(yùn)動(dòng)就可以準(zhǔn)確地按照著指令執(zhí)行。對(duì)于加工具有自由曲面的模具，會(huì)在程序段之間出現(xiàn)條紋，為了解決這個(gè)問題，F(xiàn)ANUC開發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評(píng)估原始曲線，并對(duì)其進(jìn)行NURBS插補(bǔ)。這些性能滿足了機(jī)床“高速高精”以及“低速高精”的要求。
3、軸加工和復(fù)雜加工功能
由于5軸加工工藝合理，相對(duì)于3維曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進(jìn)行切削，在復(fù)雜形狀的高速高精加工中可以提高效率，提高光潔度。因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。5軸加工的機(jī)械其配置主要有刀具旋轉(zhuǎn)方式、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式和這兩種的混合方式。因此5軸加工功能要能滿足各種配置的要求。根據(jù)5軸加工的特點(diǎn)，把它們，比如TCP（刀具中心控制），刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ埽瑧?yīng)用到不同機(jī)械配置的5軸加工機(jī)床。
4、數(shù)控復(fù)臺(tái)功能
為了提高生產(chǎn)率，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的開發(fā)和制造已變成數(shù)控機(jī)床的一種發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合加工機(jī)床是指在同一機(jī)械上可以進(jìn)行多種工藝的加工，如在一臺(tái)機(jī)床上可以進(jìn)行車加工、銑加工、錘加工等，比如，一個(gè)圓柱體要進(jìn)行圓柱表面的車削、錘子L、還要求在圓柱面上銑溝槽，這些加工都要求在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上完成。這樣就能大大提高生產(chǎn)率。因此，對(duì)于數(shù)控復(fù)合機(jī)床，百先需要增加可以用于進(jìn)行復(fù)合加工功能的控制系統(tǒng)，比如銑床需要增加螺錐線功能、螺旋線功能、3維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等，另外，刀具補(bǔ)償功能也需要既有車加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機(jī)床還經(jīng)常需要高速加工。為了通過PC或數(shù)控系統(tǒng)本身對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。以便傳遞程序，監(jiān)控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡(luò)功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數(shù)據(jù)。CNC具有現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)功能，就可以在CNC與伺服裝置之間，CNC與I／o控制之間傳遞控制、監(jiān)控和診斷數(shù)據(jù)。目前主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無線技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)。無線技術(shù)可以使信息到達(dá)幾乎是任何地方。
6、高可靠性和安全性功能
CNC系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床一起，工作在底層車間，經(jīng)受惡劣的環(huán)境，如：溫度，濕度，振動(dòng)，油霧，粉塵的影響，同時(shí)又要求連續(xù)工作；因此對(duì)可靠性要求特別高，除了可靠性設(shè)計(jì)、制造工藝等措施外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要采取以下措施：①采用光纖，減少電纜連接，比如FANUC的數(shù)控系統(tǒng)通過光纖連接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式從CNC到多個(gè)伺服放大器傳遞大量的數(shù)據(jù)。②采用糾錯(cuò)碼（ECC：EnorCorrectingCODe）傳送數(shù)據(jù)，隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)，也要求對(duì)微處理器、存儲(chǔ)器和LSI的處理速度大大提高。由于這些安裝在CNC的印刷板上的高速電子元器件進(jìn)行高速讀、寫和傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，由IC驅(qū)動(dòng)的信號(hào)波形變?yōu)闇?，在這樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時(shí)，導(dǎo)致不能正確地傳遞數(shù)字信號(hào)。另外，在最新電子元件低壓供電時(shí)，降低了電路低抗噪音的運(yùn)行范圍。為此，CNC電路將采取更先進(jìn)的糾錯(cuò)碼傳遞數(shù)據(jù)。ECC是一種領(lǐng)前的高可靠性技術(shù)，通過把ECC加到數(shù)據(jù)上以傳送各種不同型式的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更可靠。②采用雙檢安全（DualCheckSa缸y）措施。“雙檢安全”與歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)（EN954—1）一致。它的原理是在CNC內(nèi)嵌人多個(gè)處理器冗余地監(jiān)控伺服電機(jī)和主軸電機(jī)以及與安全相關(guān)的I／0信號(hào)并使用急停與相關(guān)的I／0電路使系統(tǒng)安全地運(yùn)行和停止。>CNC控制器的開放
當(dāng)出現(xiàn)NC機(jī)床以后，制造廠家就希望能打開NC系統(tǒng)這個(gè)黑盒子，部分或全部地代替機(jī)床設(shè)計(jì)師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能放進(jìn)NC系統(tǒng)，同時(shí)也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和提供給用戶的開發(fā)平臺(tái)。要求NC控制器透明以使機(jī)床制造商和最終用戶可以自由地執(zhí)行自己的思想。于是產(chǎn)生了開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。
IEEE“開放系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)”定義“開放結(jié)構(gòu)”為：“開放系統(tǒng)所執(zhí)行的應(yīng)用可以運(yùn)行在多家制造者不同的平臺(tái)；并可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用具有互操作性，且呈現(xiàn)與用戶交互協(xié)同（1EEElo03.0）?！币部梢杂孟铝械男阅苤笜?biāo)評(píng)估控制器的開放性。比如應(yīng)用模塊為AM：①移植性：在保持應(yīng)用模塊（AM）的功能下，不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平臺(tái)。②擴(kuò)展性：不同的AM能運(yùn)行在一個(gè)平臺(tái)而不出現(xiàn)沖突。③互操作性：AM在一起工作時(shí)表現(xiàn)為相互協(xié)同，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。④縮放性：按照用戶的需要，AM的功能、性能和硬件的規(guī)?？梢陨炜s。
開放結(jié)構(gòu)的控制器（oAC）使控制器銷售商、機(jī)床制造商和最終用戶可以從柔性和敏捷生產(chǎn)中獲得較大利益。其主要目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境下采用開放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的系統(tǒng)能力被廣泛接受。軟件可以重復(fù)使用，用戶可以按照給定的配置設(shè)計(jì)他們的控制器。
控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)由于考慮到對(duì)實(shí)時(shí)和可靠性要求很嚴(yán)格，因此是高度復(fù)雜的系統(tǒng)。其特點(diǎn)是基于PC，相互鏈接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)組件和接口，系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開放系統(tǒng)中，各個(gè)組件和接口還可以在制造過程中實(shí)現(xiàn)增加智能的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于控制的復(fù)雜性，這些系統(tǒng)的硬件和軟件是基本的工具。控制的接口可以分成兩組：內(nèi)部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接系統(tǒng)和監(jiān)控單元以及子單元、用戶。它們可以分為編程接口和通信接口。NC與PI‘C編程接口采用國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通訊接口也強(qiáng)烈地受標(biāo)準(zhǔn)的影響?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如SERCOS，P凹肋us或DeviceNet用作驅(qū)動(dòng)和I／O的接口。I，AN（局網(wǎng)LocalAreaNetwork）網(wǎng)絡(luò)主要基于以太網(wǎng)和TCP／IP與監(jiān)控系統(tǒng)連系的接口。②內(nèi)部接口：用于組件間的互相作用和數(shù)據(jù)交換，以形成控制系統(tǒng)的核心。在這方面，一個(gè)重要的性能是支持實(shí)時(shí)機(jī)構(gòu)。為了得到可重構(gòu)和白適應(yīng)的控制，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于平臺(tái)的概念。由于軟件組件中無法知道專用硬件的詳情，因而主要的目標(biāo)是建立一個(gè)可定義的但是在軟件組件間進(jìn)行柔性的通訊方法。應(yīng)用編程接口（APl）保證了這些需要?？刂葡到y(tǒng)的全部功能被分為幾個(gè)包，模塊化的軟件組件通過被定義的API互相作用。
根據(jù)1999年美國(guó)機(jī)器人工業(yè)論壇的資料，當(dāng)年美國(guó)機(jī)器人全部裝機(jī)的系統(tǒng)是機(jī)器人本身價(jià)值的3—5倍，也就是如果有l(wèi)o億美元機(jī)器人的市場(chǎng)，等于增加20到40億美元的附加值，如果其中25％歸因于軟件集成的原因引起的，再認(rèn)為如果通過標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)和應(yīng)用，采用開放體系結(jié)構(gòu)的控制器使其中降低50％；那么在采用開放控制器后，每年潛在的價(jià)值就可以節(jié)省2億5千萬到5億美元。
目前，開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3種形式：①基于PC的CNC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以PC機(jī)為平臺(tái)，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過伺服卡傳送數(shù)據(jù)，控制坐標(biāo)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這類系統(tǒng)有時(shí)也稱為SoftNC，這樣的系統(tǒng)容易做到全方位開放。②PC嵌入式：這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統(tǒng)的PC機(jī)器中，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制，或且CNC作為數(shù)控功能運(yùn)行，而PC板作為用戶的人機(jī)接口平臺(tái)。③PC十CNC：目前主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為NC系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，像PC機(jī)存在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長(zhǎng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的NC系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)他們?cè)到y(tǒng)的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開放結(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的NC系統(tǒng)。為了增加開放性，主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機(jī)界面的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)（fusionsystem）。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機(jī)床制造商的歡迎。
文章鏈接：中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng) http://www.jc35.com/news/detail/36467.html
宋經(jīng)理:13705419939 張經(jīng)理:15966602397 