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CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務計算機系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當今計算機軟件技術中的許多先進技術，下面分別加以介紹。
1.曲線曲面的非均勻有理B樣條（NURBS）插補該項技術采用沿曲線插補的方式，而不是采用一系列短直線來擬合曲線。這一技術的應用已經(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。這些性能提高了表面精加工的質量，改善了電機運行的平穩(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)向機床主軸傳遞運動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(tǒng)的最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(wěn)。電機運行的平穩(wěn)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.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)控這一技術已被廣泛使用，該技術具有眾多性能差異，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)控來實現(xiàn)對程序的預處理，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)量從兩個到上百個不等，這主要取決于零件程序的最短加工時間和加速/減速的時間常數(shù)。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(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)機床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，CNC能夠更及時地控制伺服系統(tǒng)，而且CNC對機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(xù)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制約機床運行速度的瓶頸。在傳統(tǒng)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制約。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，F(xiàn)anuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺直線電機。GEFanuc的一些先進技術使得機床上的直線電機的最大輸出力為15,500N，最大加速度為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(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；內部的動態(tài)制動。>CNC控制器的特點
1、多坐標、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，其中進給軸32軸，主軸為8軸，最大同時控制軸數(shù)為24軸／系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個系統(tǒng)。最大I／O點數(shù)為4096點／4096點，PMC基本命令速度為25ns。最大可預讀程序段：1000段。這是當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(tǒng)最重要的功能，由于有了這個功能，使制造技術（MT）大大地向前發(fā)展了。數(shù)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)過一系列處理，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，除了機械設計和制造要保證能實現(xiàn)目標外，對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。適當控制進給率和采用恰當?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)行前對運動數(shù)據(jù)進行計算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運動，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時識別，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，開發(fā)數(shù)字濾波器的技術，以消除機械的諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精進給和主軸的伺服系統(tǒng)對高速、高精和高效十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機和驅動器以及控制單元的大小，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，它非常適用于齒輪機床的系統(tǒng)，齒輪機床有時需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，F(xiàn)ANUC伺服電機的設計體積小，采用高增益控制，伺服電機是無齒槽效應的電機，帶有1.6xlo’脈沖／轉分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數(shù)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(tǒng)檢測分辨率為1嶺m時，插補分辨率可以達到1nm；它使在CNC內部的計算誤差最小化，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。對于控制直線電機，設計數(shù)字濾波器以避免直接驅動機械帶來的多點諧振特性，聯(lián)合這些功能，機床刀具的運動就可以準確地按照著指令執(zhí)行。對于加工具有自由曲面的模具，會在程序段之間出現(xiàn)條紋，為了解決這個問題，F(xiàn)ANUC開發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評估原始曲線，并對其進行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最佳幾何形狀進行切削，在復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軸加工功能要能滿足各種配置的要求。根據(jù)5軸加工的特點，把它們，比如TCP（刀具中心控制），刀具半徑補償?shù)裙δ埽瑧玫讲煌瑱C械配置的5軸加工機床。
4、數(shù)控復臺功能
為了提高生產(chǎn)率，數(shù)控復合加工機床的開發(fā)和制造已變成數(shù)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行多種工藝的加工，如在一臺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數(shù)控機床上完成。這樣就能大大提高生產(chǎn)率。因此，對于數(shù)控復合機床，百先需要增加可以用于進行復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、刀具中心點控制等，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(jīng)常需要高速加工。為了通過PC或數(shù)控系統(tǒng)本身對多臺機床進行集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡進行通信。以便傳遞程序，監(jiān)控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行遠程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數(shù)據(jù)。CNC具有現(xiàn)場通信網(wǎng)絡功能，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)場總線。隨著技術的發(fā)展，應用無線技術也已經(jīng)出現(xiàn)。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系統(tǒng)與數(shù)控機床一起，工作在底層車間，經(jīng)受惡劣的環(huán)境，如：溫度，濕度，振動，油霧，粉塵的影響，同時又要求連續(xù)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(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到多個伺服放大器傳遞大量的數(shù)據(jù)。②采用糾錯碼（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行高速讀、寫和傳遞數(shù)據(jù)時，由IC驅動的信號波形變?yōu)闇?，在這樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時，導致不能正確地傳遞數(shù)字信號。另外，在最新電子元件低壓供電時，降低了電路低抗噪音的運行范圍。為此，CNC電路將采取更先進的糾錯碼傳遞數(shù)據(jù)。ECC是一種領前的高可靠性技術，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”與歐洲安全標準（EN954—1）一致。它的原理是在CNC內嵌人多個處理器冗余地監(jiān)控伺服電機和主軸電機以及與安全相關的I／0信號并使用急停與相關的I／0電路使系統(tǒng)安全地運行和停止。>CNC控制器的開放
當出現(xiàn)NC機床以后，制造廠家就希望能打開NC系統(tǒng)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(jīng)驗和操作技能放進NC系統(tǒng)，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(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機界面和提供給用戶的開發(fā)平臺。要求NC控制器透明以使機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)生了開放結構的數(shù)控系統(tǒng)。
IEEE“開放系統(tǒng)技術委員會”定義“開放結構”為：“開放系統(tǒng)所執(zhí)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(tǒng)的應用具有互操作性，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嗽u估控制器的開放性。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臺。②擴展性：不同的AM能運行在一個平臺而不出現(xiàn)沖突。③互操作性：AM在一起工作時表現(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。
開放結構的控制器（oAC）使控制器銷售商、機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。其主要目標是在標準化環(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。軟件可以重復使用，用戶可以按照給定的配置設計他們的控制器。
控制系統(tǒng)的開放體系結構由于考慮到對實時和可靠性要求很嚴格，因此是高度復雜的系統(tǒng)。其特點是基于PC，相互鏈接的關鍵結構為系統(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，各個組件和接口還可以在制造過程中實現(xiàn)增加智能的優(yōu)點。對于控制的復雜性，這些系統(tǒng)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(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編程接口采用國家或國際標準，如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通訊接口也強烈地受標準的影響。現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如SERCOS，P凹肋us或DeviceNet用作驅動和I／O的接口。I，AN（局網(wǎng)LocalAreaNetwork）網(wǎng)絡主要基于以太網(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制，控制系統(tǒng)的內部結構基于平臺的概念。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?？刂葡到y(tǒng)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(jù)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(tǒng)是機器人本身價值的3—5倍，也就是如果有l(wèi)o億美元機器人的市場，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，再認為如果通過標準化的開發(fā)和應用，采用開放體系結構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)結構主要有3種形式：①基于PC的CNC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以PC機為平臺，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)，控制坐標軸電機的運動。這類系統(tǒng)有時也稱為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)的基本結構為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統(tǒng)的PC機器中，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制，或且CNC作為數(shù)控功能運行，而PC板作為用戶的人機接口平臺。③PC十CNC：目前主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認為NC系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，像PC機存在的死機現(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。加上這些廠家長期已經(jīng)生產(chǎn)大量的NC系統(tǒng)；體系結構的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服務和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開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(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)基本結構的基礎上增加一塊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，越來越受到機床制造商的歡迎。
文章鏈接：中國機床商務網(wǎng) http://www.jc35.com/news/detail/36467.html
宋經(jīng)理:13705419939 張經(jīng)理:15966602397 