CNC控製器的特征

　　CNC係統是一個的實時多任務計算機係統，在它的控製軟件中融合了當今計算機軟件技術中的許多先進技術，下麵分別加以介紹。
　　
　　1.曲線曲麵的非均勻有理B樣條（NURBS）插補該項技術采用沿曲線插補的方式，而不是采用一係列短直線來擬合曲線。這一技術的應用已經相當普遍。許多模具行業目前使用的CAM軟件都提供了一個選項，即生成NURBS插補格式的零件程序。同時，功能強大的CNC還提供了五軸插補功能以及與此相關的特性。這些性能提高了表麵精加工的質量，改善了電機運行的平穩度，提高了切削速度，並使零件加工程序更小。
　　
　　2.更小的指令單位大多數的CNC係統向機床主軸傳遞運動和定位指令的單位不小於1微米。在充分利用CPU處理能力提高這一優勢後，一些CNC係統的zui小指令單位甚至可達到1納米（0.000001mm）。在指令單位縮小1000倍後，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不加大的前提下，以更高的加速度運行。
　　
　　3.鍾形曲線加速/減速也稱作為S曲線加速/減速，或爬行控製。與使用直線加速方式相比，這種方式可使機床獲得更好的加*果。與其它加速方式相比，也包括直線方式和指數方式，采用鍾形曲線方式可獲得更小的定位誤差。
　　
　　4.待加工軌跡監控這一技術已被廣泛使用，該技術具有眾多性能差異，使其在低檔控製係統中的工作方式與控製係統中的工作方式得以區別開來。總的來講，CNC就是通過加工軌跡監控來實現對程序的預處理，以此來確保能獲得更優異的加速/減速控製。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到上百個不等，這主要取決於零件程序的zui短加工時間和加速/減速的時間常數。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個待加工軌跡監控程序塊。
　　
　　5.數字伺服控製數字伺服係統的發展如此迅速，以至於大多數機床製造商都選擇該係統作為機床的伺服控製係統。使用該係統後，CNC能夠更及時地控製伺服係統，而且CNC對機床的控製也變得更。
　　
　　數字伺服係統的作用如下：
　　
　　1）將提高電流環路的采樣速度，再加上電流環控製的改善，從而降低電機溫升。這樣，不僅可以延長電機的壽命，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，這些都有助於提高機床的整體性能。
　　
　　2）由於許多新的CNC使用高速序列與伺服回路相連，因此通過通訊鏈路，CNC可獲得更多的電機和驅動裝置的工作信息。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給的情況下進行高精度的加工。CNC運算速度的加快使得位置反饋的速率成為製約機床運行速度的瓶頸。在傳統的反饋方式中，隨著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型的製約。采用串行反饋，這一問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.直線電機近幾年來，直線電機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，Fanuc公司至少已經安裝了1000台直線電機。GEFanuc的一些先進技術使得機床上的直線電機的zui大輸出力為15,500N，zui大加速度為30g。另一些先進技術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。所有這些技術上的進步使直線電機在與旋轉電機相比時，優勢更強：更高的加/減速率；更準確的定位控製，更高的剛度；更高的可靠性；內部的動態製動。>CNC控製器的特點
　　
　　1、多坐標、多係統控製
　　
　　比如FANUC的控製器11S30i—MODELA係統，zui大控製係統數為10個係統（通道），zui多軸數和zui大主軸配置數為40軸，其中進給軸32軸，主軸為8軸，zui大同時控製軸數為24軸／係統。zui大PMC係統為3個係統。zui大I／O點數為4096點／4096點，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高的數控係統。由於具有多軸多係統配置，因此特別適合大型自動機床，複合機床，多頭機床等的需要。
　　
　　2、高精、高速加工功能
　　
　　這是CNC係統zui重要的功能，由於有了這個功能，使製造技術（MT）大大地向前發展了。數控機床采用計算機控製，可以保證加工的零件具有很高的精度重複性。但為了得到一定的功能，輸入控製器的信號要經過一係列處理，不可避免地要失真、延時。因此在高速加工時，要保持高的加工精度就要采取一定的措施減少失真、延時。高精、高速的加工，除了機械設計和製造要保證能實現目標外，對CNC係統的要求主要是處理速度快、控製精度高。采用前饋控製，以補償由於伺服滯後所產生的誤差，提高加工精度。適當控製進給率和采用恰當的加減速曲線可以減少加減速滯後所產生的誤差。“前瞻”控製在程序執行前對運動數據進行計算、處理和多段緩衝，從而控製刀具按高速運動，而且誤差很小。對於機床平滑運行的高精度輪廓控製，采用對指令形式的實時識別，可以*地控製速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在*狀態。為了防止擾動，開發數字濾波器的技術，以消除機械的諧振，提高伺服係統的位置增益。高精進給和主軸的伺服係統對高速、高精和十分重要。目前主要從以下幾方麵提高其性能。減少電機和驅動器以及控製單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線移動軸可以來用直線伺服電機驅動；減少機械傳動鏈，提高剛度，提高精度。當主軸電機采用同步電機時，它非常適用於齒輪機床的係統，齒輪機床有時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，采用高增益控製，伺服電機是無齒槽效應的電機，帶有1.6xlo’脈衝／轉分辨率的編碼器。伺服控製采用交流數字伺服控製，具有很高電流檢測精度，采用相應的硬件，可以產生所謂“納米控製”，也就是在係統檢測分辨率為1嶺m時，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量。對於控製直線電機，設計數字濾波器以避免直接驅動機械帶來的多點諧振特性，聯合這些功能，機床刀具的運動就可以準確地按照著指令執行。對於加工具有自由曲麵的模具，會在程序段之間出現條紋，為了解決這個問題，FANUC開發了“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，並對其進行NURBS插補。這些性能滿足了機床“高速高精”以及“低速高精”的要求。
　　
　　3、軸加工和複雜加工功能
　　
　　由於5軸加工工藝合理，相對於3維曲麵加工，它可以充分利用刀具的*幾何形狀進行切削，在複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、工作台旋轉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5軸加工的特點，把它們，比如TCP（刀具中心控製），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、數控複台功能
　　
　　為了提高生產率，數控複合加工機床的開發和製造已變成數控機床的一種發展趨勢。複合加工機床是指在同一機械上可以進行多種工藝的加工，如在一台機床上可以進行車加工、銑加工、錘加工等，比如，一個圓柱體要進行圓柱表麵的車削、錘子L、還要求在圓柱麵上銑溝槽，這些加工都要求在同一台數控機床上完成。這樣就能大大提高生產率。因此，對於數控複合機床，百先需要增加可以用於進行複合加工功能的控製係統，比如銑床需要增加螺錐線功能、螺旋線功能、3維圓弧功能、刀具中心點控製等，另外，刀具補償功能也需要既有車加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機床還經常需要高速加工。為了通過PC或數控係統本身對多台機床進行集中監控和管理，係統需要通過網絡進行通信。以便傳遞程序，監控加工狀態。除此以外，網絡功能還可以傳送維修數據，對係統進行遠程控製、操作和診斷；傳送CAD／CAM數據。CNC具有現場通信網絡功能，就可以在CNC與伺服裝置之間，CNC與I／o控製之間傳遞控製、監控和診斷數據。目前主要采用以太網以及現場總線。隨著技術的發展，應用無線技術也已經出現。無線技術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係統與數控機床一起，工作在底層車間，經受惡劣的環境，如：溫度，濕度，振動，油霧，粉塵的影響，同時又要求連續工作；因此對可靠性要求特別高，除了可靠性設計、製造工藝等措施外，現代數控係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的數控係統通過光纖連接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。由於這些安裝在CNC的印刷板上的高速電子元器件進行高速讀、寫和傳遞數據時，由IC驅動的信號波形變為滯後，在這樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時，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，降低了電路低抗噪音的運行範圍。為此，CNC電路將采取更先進的糾錯碼傳遞數據。ECC是一種領前的高可靠性技術，通過把ECC加到數據上以傳送各種不同型式的數據，使係統更可靠。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內嵌人多個處理器冗餘地監控伺服電機和主軸電機以及與安全相關的I／0信號並使用急停與相關的I／0電路使係統安全地運行和停止。>CNC控製器的開放
　　
　　當出現NC機床以後，製造廠家就希望能打開NC係統這個黑盒子，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、管理經驗和操作技能放進NC係統，同時也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數控係統具有友好的人機界麵和提供給用戶的開發平台。要求NC控製器透明以使機床製造商和zui終用戶可以自由地執行自己的思想。於是產生了開放結構的數控係統。
　　
　　IEEE“開放係統技術委員會”定義“開放結構”為：“開放係統所執行的應用可以運行在多家製造者不同的平台；並可以與其他係統的應用具有互操作性，且呈現與用戶交互協同（1EEElo03.0）。”也可以用下列的性能指標評估控製器的開放性。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台。②擴展性：不同的AM能運行在一個平台而不出現衝突。③互操作性：AM在一起工作時表現為相互協同，可以根據定義相互交換數據。④縮放性：按照用戶的需要，AM的功能、性能和硬件的規模可以伸縮。
　　
　　開放結構的控製器（oAC）使控製器銷售商、機床製造商和zui終用戶可以從柔性和敏捷生產中獲得較大利益。其主要目標是在標準化環境下采用開放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的係統能力被廣泛接受。軟件可以重複使用，用戶可以按照給定的配置設計他們的控製器。
　　
　　控製係統的開放體係結構由於考慮到對實時和可靠性要求很嚴格，因此是高度複雜的係統。其特點是基於PC，相互鏈接的關鍵結構為係統組件和接口，係統組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開放係統中，各個組件和接口還可以在製造過程中實現增加智能的優點。對於控製的複雜性，這些係統的硬件和軟件是基本的工具。控製的接口可以分成兩組：內部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接係統和監控單元以及子單元、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。現場總線係統，如SERCOS，P凹肋us或DeviceNet用作驅動和I／O的接口。I，AN（局網LocalAreaNetwork）網絡主要基於以太網和TCP／IP與監控係統連係的接口。②內部接口：用於組件間的互相作用和數據交換，以形成控製係統的核心。在這方麵，一個重要的性能是支持實時機構。為了得到可重構和白適應的控製，控製係統的內部結構基於平台的概念。由於軟件組件中無法知道硬件的詳情，因而主要的目標是建立一個可定義的但是在軟件組件間進行柔性的通訊方法。應用編程接口（APl）保證了這些需要。控製係統的全部功能被分為幾個包，模塊化的軟件組件通過被定義的API互相作用。
　　
　　根據1999年美國機器人工業論壇的資料，當年美國機器人全部裝機的係統是機器人本身價值的3—5倍，也就是如果有lo億美元機器人的市場，等於增加20到40億美元的附加值，如果其中25％歸因於軟件集成的原因引起的，再認為如果通過標準化的開發和應用，采用開放體係結構的控製器使其中降低50％；那麽在采用開放控製器後，每年潛在的價值就可以節省2億5千萬到5億美元。
　　
　　目前，開放的數控係統結構主要有3種形式：①基於PC的CNC係統，這種係統以PC機為平台，開發數控係統的各種功能，通過伺服卡傳送數據，控製坐標軸電機的運動。這類係統有時也稱為SoftNC，這樣的係統容易做到開放。②PC嵌入式：這種係統的基本結構為：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為主的實時控製，或且CNC作為數控功能運行，而PC板作為用戶的人機接口平台。③PC十CNC：目前主流NC係統生產廠家認為NC係統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。而係統功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經生產大量的NC係統；體係結構的變化會對他們原係統的維修服務和可靠性產生不良的影響。因此不把開放結構作為主要的產品，仍然大量生產原結構的NC係統。為了增加開放性，主流NC係統生產廠家往往在不變化原係統基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC在一起，大大提高了人機界麵的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j係統。有些廠家也把這種裝置稱為融合係統（fus*tem）。由於它工作可靠，界麵開放，越來越受到機床製造商的歡迎。