CNC控制器的特征

　　CNC系統是一個(gè)的實(shí)時(shí)多任務(wù)計算機系統，在它的控制軟件中融合了當今計算機軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，下面分別加以介紹。
　　
　　1.曲線(xiàn)曲面的非均勻有理B樣條（NURBS）插補該項技術(shù)采用沿曲線(xiàn)插補的方式，而不是采用一系列短直線(xiàn)來(lái)擬合曲線(xiàn)。這一技術(shù)的應用已經(jīng)相當普遍。許多模具行業(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個(gè)選項，即生成NURBS插補格式的零件程序。同時(shí)，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的CNC系統向機床主軸傳遞運動(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)勢后，一些CNC系統的zui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。電機運行的平穩使得一些機床能夠在床身振動(dòng)不加大的前提下，以更高的加速度運行。
　　
　　3.鐘形曲線(xiàn)加速/減速也稱(chēng)作為S曲線(xiàn)加速/減速，或爬行控制。與使用直線(xiàn)加速方式相比，這種方式可使機床獲得更好的加*果。與其它加速方式相比，也包括直線(xiàn)方式和指數方式，采用鐘形曲線(xiàn)方式可獲得更小的定位誤差。
　　
　　4.待加工軌跡監控這一技術(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中的工作方式與控制系統中的工作方式得以區別開(kāi)來(lái)?？偟膩?lái)講，CNC就是通過(guò)加工軌跡監控來(lái)實(shí)現對程序的預處理，以此來(lái)確保能獲得更優(yōu)異的加速/減速控制。根據不同的CNC的性能，待加工軌跡監控所需的程序塊數量從兩個(gè)到上百個(gè)不等，這主要取決于零件程序的zui短加工時(shí)間和加速/減速的時(shí)間常數。一般而言，要想滿(mǎn)足加工要求，至少需要十五個(gè)待加工軌跡監控程序塊。
　　
　　5.數字伺服控制數字伺服系統的發(fā)展如此迅速，以至于大多數機床制造商都選擇該系統作為機床的伺服控制系統。使用該系統后，CNC能夠更及時(shí)地控制伺服系統，而且CNC對機床的控制也變得更。
　　
　　數字伺服系統的作用如下：
　　
　　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(cháng)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(guò)通訊鏈路，CNC可獲得更多的電機和驅動(dòng)裝置的工作信息。這可提高機床的維護性能。
　　
　　3）連續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。在傳統的反饋方式中，隨著(zhù)CNC和電子設備的外部編碼器的采樣速度的變化，反饋速度受到信號類(lèi)型的制約。采用串行反饋，這一問(wèn)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(xiàn)電機近幾年來(lái)，直線(xiàn)電機的工作性能和歡迎度有了顯著(zhù)的提高，所以很多加工中心采用了這一裝置。至今，Fanuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺直線(xiàn)電機。GEFanuc的一些先進(jìn)技術(shù)使得機床上的直線(xiàn)電機的zui大輸出力為15,500N，zui大加速度為30g。另一些先進(jìn)技術(shù)的應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(jìn)步使直線(xiàn)電機在與旋轉電機相比時(shí)，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；內部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。>CNC控制器的特點(diǎn)
　　
　　1、多坐標、多系統控制
　　
　　比如FANUC的控制器11S30i—MODELA系統，zui大控制系統數為10個(gè)系統（通道），zui多軸數和zui大主軸配置數為40軸，其中進(jìn)給軸32軸，主軸為8軸，zui大同時(shí)控制軸數為24軸／系統。zui大PMC系統為3個(gè)系統。zui大I／O點(diǎn)數為4096點(diǎn)／4096點(diǎn)，PMC基本命令速度為25ns。zui大可預讀程序段：1000段。這是當前世界配置zui高的數控系統。由于具有多軸多系統配置，因此特別適合大型自動(dòng)機床，復合機床，多頭機床等的需要。
　　
　　2、高精、高速加工功能
　　
　　這是CNC系統zui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。數控機床采用計算機控制，可以保證加工的零件具有很高的精度重復性。但為了得到一定的功能，輸入控制器的信號要經(jīng)過(guò)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，除了機械設計和制造要保證能實(shí)現目標外，對CNC系統的要求主要是處理速度快、控制精度高。采用前饋控制，以補償由于伺服滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。適當控制進(jìn)給率和采用恰當的加減速曲線(xiàn)可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。“前瞻”控制在程序執行前對運動(dòng)數據進(jìn)行計算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運動(dòng)，而且誤差很小。對于機床平滑運行的高精度輪廓控制，采用對指令形式的實(shí)時(shí)識別，可以*地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在*狀態(tài)。為了防止擾動(dòng)，開(kāi)發(fā)數字濾波器的技術(shù)，以消除機械的諧振，提高伺服系統的位置增益。高精進(jìn)給和主軸的伺服系統對高速、高精和十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機和驅動(dòng)器以及控制單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線(xiàn)移動(dòng)軸可以來(lái)用直線(xiàn)伺服電機驅動(dòng)；減少機械傳動(dòng)鏈，提高剛度，提高精度。當主軸電機采用同步電機時(shí)，它非常適用于齒輪機床的系統，齒輪機床有時(shí)需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，FANUC伺服電機的設計體積小，采用高增益控制，伺服電機是無(wú)齒槽效應的電機，帶有1.6xlo’脈沖／轉分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數字伺服控制，具有很高電流檢測精度，采用相應的硬件，可以產(chǎn)生所謂“納米控制”，也就是在系統檢測分辨率為1嶺m時(shí)，插補分辨率可以達到1nm；它使在CNC內部的計算誤差zui小化，每次內部計算以納米或更小的單位，大大提高了加工的質(zhì)量。對于控制直線(xiàn)電機，設計數字濾波器以避免直接驅動(dòng)機械帶來(lái)的多點(diǎn)諧振特性，聯(lián)合這些功能，機床刀具的運動(dòng)就可以準確地按照著(zhù)指令執行。對于加工具有自由曲面的模具，會(huì )在程序段之間出現條紋，為了解決這個(gè)問(wèn)題，FANUC開(kāi)發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評估原始曲線(xiàn)，并對其進(jìn)行NURBS插補。這些性能滿(mǎn)足了機床“高速高精”以及“低速高精”的要求。
　　
　　3、軸加工和復雜加工功能
　　
　　由于5軸加工工藝合理，相對于3維曲面加工，它可以充分利用刀具的*幾何形狀進(jìn)行切削，在復雜形狀的高速高精加工中可以提率，提高光潔度。因此得到越來(lái)越廣泛的應用。5軸加工的機械其配置主要有刀具旋轉方式、工作臺旋轉方式和這兩種的混合方式。因此5軸加工功能要能滿(mǎn)足各種配置的要求。根據5軸加工的特點(diǎn)，把它們，比如TCP（刀具中心控制），刀具半徑補償等功能，應用到不同機械配置的5軸加工機床。
　　
　　4、數控復臺功能
　　
　　為了提高生產(chǎn)率，數控復合加工機床的開(kāi)發(fā)和制造已變成數控機床的一種發(fā)展趨勢。復合加工機床是指在同一機械上可以進(jìn)行多種工藝的加工，如在一臺機床上可以進(jìn)行車(chē)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(chē)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數控機床上完成。這樣就能大大提高生產(chǎn)率。因此，對于數控復合機床，百先需要增加可以用于進(jìn)行復合加工功能的控制系統，比如銑床需要增加螺錐線(xiàn)功能、螺旋線(xiàn)功能、3維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等，另外，刀具補償功能也需要既有車(chē)加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機床還經(jīng)常需要高速加工。為了通過(guò)PC或數控系統本身對多臺機床進(jìn)行集中監控和管理，系統需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。以便傳遞程序，監控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡(luò )功能還可以傳送維修數據，對系統進(jìn)行遠程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數據。CNC具有現場(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、監控和診斷數據。目前主要采用以太網(wǎng)以及現場(chǎng)總線(xiàn)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，應用無(wú)線(xiàn)技術(shù)也已經(jīng)出現。無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以使信息到達幾乎是任何地方。
　　
　　6、高可靠性和安全性功能
　　
　　CNC系統與數控機床一起，工作在底層車(chē)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)又要求連續工作；因此對可靠性要求特別高，除了可靠性設計、制造工藝等措施外，現代數控系統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的數控系統通過(guò)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據。②采用糾錯碼（ECC：EnorCorrectingCODe）傳送數據，隨著(zhù)軟件高速處理大量數據，也要求對微處理器、存儲器和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(xiě)和傳遞數據時(shí)，由IC驅動(dòng)的信號波形變?yōu)闇?，在這樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時(shí)，導致不能正確地傳遞數字信號。另外，在電子元件低壓供電時(shí)，降低了電路低抗噪音的運行范圍。為此，CNC電路將采取更先進(jìn)的糾錯碼傳遞數據。ECC是一種領(lǐng)前的高可靠性技術(shù)，通過(guò)把ECC加到數據上以傳送各種不同型式的數據，使系統更可靠。②采用雙檢安全（DualCheckSa缸y）措施。“雙檢安全”與歐洲安全標準（EN954—1）一致。它的原理是在CNC內嵌人多個(gè)處理器冗余地監控伺服電機和主軸電機以及與安全相關(guān)的I／0信號并使用急停與相關(guān)的I／0電路使系統安全地運行和停止。>CNC控制器的開(kāi)放
　　
　　當出現NC機床以后，制造廠(chǎng)家就希望能打開(kāi)NC系統這個(gè)黑盒子，部分或全部地代替機床設計師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能放進(jìn)NC系統，同時(shí)也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數控系統具有友好的人機界面和提供給用戶(hù)的開(kāi)發(fā)平臺。要求NC控制器透明以使機床制造商和zui終用戶(hù)可以自由地執行自己的思想。于是產(chǎn)生了開(kāi)放結構的數控系統。
　　
　　IEEE“開(kāi)放系統技術(shù)委員會(huì )”定義“開(kāi)放結構”為：“開(kāi)放系統所執行的應用可以運行在多家制造者不同的平臺；并可以與其他系統的應用具有互操作性，且呈現與用戶(hù)交互協(xié)同（1EEElo03.0）。”也可以用下列的性能指標評估控制器的開(kāi)放性。比如應用模塊為AM：①移植性：在保持應用模塊（AM）的功能下，不需任何變化就可以應用到不同的平臺。②擴展性：不同的AM能運行在一個(gè)平臺而不出現沖突。③互操作性：AM在一起工作時(shí)表現為相互協(xié)同，可以根據定義相互交換數據。④縮放性：按照用戶(hù)的需要，AM的功能、性能和硬件的規?？梢陨炜s。
　　
　　開(kāi)放結構的控制器（oAC）使控制器銷(xiāo)售商、機床制造商和zui終用戶(hù)可以從柔性和敏捷生產(chǎn)中獲得較大利益。其主要目標是在標準化環(huán)境下采用開(kāi)放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的系統能力被廣泛接受。軟件可以重復使用，用戶(hù)可以按照給定的配置設計他們的控制器。
　　
　　控制系統的開(kāi)放體系結構由于考慮到對實(shí)時(shí)和可靠性要求很?chē)栏?，因此是高度復雜的系統。其特點(diǎn)是基于PC，相互鏈接的關(guān)鍵結構為系統組件和接口，系統組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開(kāi)放系統中，各個(gè)組件和接口還可以在制造過(guò)程中實(shí)現增加智能的優(yōu)點(diǎn)。對于控制的復雜性，這些系統的硬件和軟件是基本的工具?？刂频慕涌诳梢苑殖蓛山M：內部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接系統和監控單元以及子單元、用戶(hù)。它們可以分為編程接口和通信接口。NC與PI‘C編程接口采用國家或標準，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通訊接口也強烈地受標準的影響?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統，如SERCOS，P凹肋us或DeviceNet用作驅動(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與監控系統連系的接口。②內部接口：用于組件間的互相作用和數據交換，以形成控制系統的核心。在這方面，一個(gè)重要的性能是支持實(shí)時(shí)機構。為了得到可重構和白適應的控制，控制系統的內部結構基于平臺的概念。由于軟件組件中無(wú)法知道硬件的詳情，因而主要的目標是建立一個(gè)可定義的但是在軟件組件間進(jìn)行柔性的通訊方法。應用編程接口（APl）保證了這些需要?？刂葡到y的全部功能被分為幾個(gè)包，模塊化的軟件組件通過(guò)被定義的API互相作用。
　　
　　根據1999年美國機器人工業(yè)論壇的資料，當年美國機器人全部裝機的系統是機器人本身價(jià)值的3—5倍，也就是如果有lo億美元機器人的市場(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，再認為如果通過(guò)標準化的開(kāi)發(fā)和應用，采用開(kāi)放體系結構的控制器使其中降低50％；那么在采用開(kāi)放控制器后，每年潛在的價(jià)值就可以節省2億5千萬(wàn)到5億美元。
　　
　　目前，開(kāi)放的數控系統結構主要有3種形式：①基于PC的CNC系統，這種系統以PC機為平臺，開(kāi)發(fā)數控系統的各種功能，通過(guò)伺服卡傳送數據，控制坐標軸電機的運動(dòng)。這類(lèi)系統有時(shí)也稱(chēng)為SoftNC，這樣的系統容易做到開(kāi)放。②PC嵌入式：這種系統的基本結構為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統的PC機器中，CNC主要運行以坐標軸運動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制，或且CNC作為數控功能運行，而PC板作為用戶(hù)的人機接口平臺。③PC十CNC：目前主流NC系統生產(chǎn)廠(chǎng)家認為NC系統zui主要的性能是可靠性，像PC機存在的死機現象是不允許的。而系統功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠(chǎng)家長(cháng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的NC系統；體系結構的變化會(huì )對他們原系統的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開(kāi)放結構作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結構的NC系統。為了增加開(kāi)放性，主流NC系統生產(chǎn)廠(chǎng)家往往在不變化原系統基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤(pán)使用戶(hù)能把PC和CNC在一起，大大提高了人機界面的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系統。有些廠(chǎng)家也把這種裝置稱(chēng)為融合系統（fus*tem）。由于它工作可靠，界面開(kāi)放，越來(lái)越受到機床制造商的歡迎。