CNC(�(shù)控機(jī)�)控制器是指計算機(jī)�(shù)字控制機(jī)�(Computer numerical control)的程序控制系�(tǒng)。能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序,通過計算�(jī)將其譯碼,從而使�(jī)床執(zhí)行規(guī)定好了的動作,通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零�,這大大提高了模具加工的生�(chǎn)��
以下是目前模具加工過程中的一些基本的CNC特性:
1. 曲線曲面的非均勻有理B樣條(NURBS)插補(bǔ)該項技�(shù)采用沿曲線插�(bǔ)的方�,而不是采用一系列短直線來擬合曲線。這一技�(shù)的應(yīng)用已�(jīng)相當(dāng)普遍。許多模具行�(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個選項,即生成NURBS插補(bǔ)格式的零件程�。同�,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�。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)�,改善了電機(jī)運行的平�(wěn)�,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�(yōu)勢后,一些CNC系統(tǒng)的最小指令單位甚至可�(dá)�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)運行得更平穩(wěn)。電�(jī)運行的平�(wěn)使得一些機(jī)床能夠在床身振動不加大的前提�,以更高的加速度運行�
3. 鐘形曲線加�/減速也稱作為S曲線加�/減�,或爬行控制。與使用直線加速方式相�,這種方式可使�(jī)床獲得更好的加速效�。與其它加速方式相�,也包括直線方式和指�(shù)方式,采用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤��
4. 待加工軌跡監(jiān)控這一技�(shù)已被廣泛使用,該技�(shù)具有眾多性能差異,使其在低檔控制系統(tǒng)中的工作方式與控制系�(tǒng)中的工作方式得以區(qū)別開�??偟膩碇v� CNC就是通過加工軌跡�(jiān)控來實現(xiàn)對程序的�(yù)處理,以此來確保能獲得更�(yōu)異的加�/減速控制。根�(jù)不同的CNC的性能,待加工軌跡�(jiān)控所需的程序塊�(shù)量從兩個到上百個不�,這主要取決于零件程序的最短加工時間和加�/減速的時間常數(shù)。一般而言,要想滿足加工要�,至少需要十五個待加工軌跡�(jiān)控程序塊�
5. �(shù)字伺服控制數(shù)字伺服系�(tǒng)的發(fā)展如此迅速,以至于大多數(shù)�(jī)床制造商都選擇該系統(tǒng)作為�(jī)床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)�,CNC能夠更及時地控制伺服系統(tǒng),而且CNC對機(jī)床的控制也變得更精確�
�(shù)字伺服系�(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�(huán)控制的改�,從而降低電�(jī)溫升。這樣,不僅可以延長電�(jī)的壽�,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�,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�(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)動裝置的工作信息。這可提高�(jī)床的維護(hù)性能�
3) 連續(xù)的位置反饋允許在高速�(jìn)給的情況下�(jìn)行高精度的加�。CNC運算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約�(jī)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(shè)備的外部編碼器的采樣速度的變�,反饋速度受到信號類型的制約。采用串行反�,這一問題將得到很好的解決。即使機(jī)床以很高的速度運行,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�(jī)的工作性能和歡迎度有了顯著的提�,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�1000臺直線電�(jī)。GE Fanuc的一些先�(jìn)技�(shù)使得�(jī)床上的直線電�(jī)的輸出力�15,500N,加速度�30g。另一些先�(jìn)技�(shù)的應(yīng)用使�(jī)床的尺寸得以減小,重量得以減�,冷卻效率大為提高。所有這些技�(shù)上的�(jìn)步使直線電機(jī)在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比�,優(yōu)勢更�(qiáng):更高的�/減速率;更�(zhǔn)確的定位控制,更高的剛度;更高的可靠�;內(nèi)部的動態(tài)制動�
1、多坐標(biāo)、多系統(tǒng)控制
比如 FANUC 的控制器11S30i —MODEL A 系統(tǒng)� 控制系統(tǒng)�(shù)� 10 個系�(tǒng)(通道)� 最多軸�(shù)和主軸配置數(shù)� 40 軸, 其中�(jìn)給軸32 �� 主軸� 8 軸, 同時控制軸數(shù)� 24 軸/ 系統(tǒng)� PMC 系統(tǒng)� 3 個系�(tǒng)� I� O 點數(shù)� 4096 點/ 4096 �� PMC 基本命令速度� 25ns� 可預(yù)讀程序段: 1000 �� 這是�(dāng)前世界配置的�(shù)控系�(tǒng)� 由于具有多軸多系�(tǒng)配置� 因此特別適合大型自動�(jī)床, �(fù)合機(jī)�� 多頭�(jī)床等的需要�
2、高�、高速加工功�
這是CNC 系統(tǒng)最重要的功�� 由于有了這個功�� 使制造技�(shù)(MT)大大地向前發(fā)展了� �(shù)控機(jī)床采用計算機(jī)控制� 可以保證加工的零件具有很高的精度重復(fù)�� 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�(jī)械設(shè)計和制造要保證能實�(xiàn)目標(biāo)�� 對CNC 系統(tǒng)的要求主要是處理速度�� 控制精度�� 采用前饋控制� 以補(bǔ)償由于伺服滯后所�(chǎn)生的誤差� 提高加工精度� 適當(dāng)控制�(jìn)給率和采用恰�(dāng)?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所�(chǎn)生的誤差� “前瞻� 控制在程序執(zhí)行前對運動數(shù)�(jù)�(jìn)行計�� 處理和多段緩沖, 從而控制刀具按高速運�� 而且誤差很小� 對于�(jī)床平滑運行的高精度輪廓控�� 采用對指令形式的實時識別� 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�(tài)� 為了防止擾動� 開發(fā)�(shù)字濾波器的技�(shù)� 以消除機(jī)械的諧振� 提高伺服系統(tǒng)的位置增�� 高精�(jìn)給和主軸的伺服系�(tǒng)對高速� 高精和高效十分重�� 目前主要從以下幾方面提高其性能� 減少電機(jī)和驅(qū)動器以及控制單元的大�� 提高編碼器的分辨率; 直線移動軸可以來用直線伺服電�(jī)�(qū)�� 減少�(jī)械傳動鏈� 提高剛度� 提高精度� �(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)�� 它非常適用于齒輪�(jī)床的系統(tǒng)� 齒輪�(jī)床有時需要很低的主軸速度� 但精度很�� 比如� FANUC 伺服電機(jī)的設(shè)計體積小� 采用高增益控�� 伺服電機(jī)是無齒槽效應(yīng)的電�(jī)� 帶有1� 6xlo� 脈沖� �(zhuǎn)分辨率的編碼�� 伺服控制采用交流�(shù)字伺服控制, 具有很高電流檢測精度� 采用相應(yīng)的硬件, 可以�(chǎn)生所謂“納米控制� � 也就是在系統(tǒng)檢測分辨率為 1 嶺m �� 插補(bǔ)分辨率可以達(dá)�1nm� 它使在CNC �(nèi)部的計算誤差最小化� 每次�(nèi)部計算以納米或更小的單位� 大大提高了加工的�(zhì)量� 對于控制直線電機(jī)� �(shè)計數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動機(jī)械帶來的多點諧振特性, �(lián)合這些功能,機(jī)床刀具的運動就可以準(zhǔn)確地按照著指令執(zhí)行� 對于加工具有自由曲面的模�� 會在程序段之間出�(xiàn)條紋,為了解決這個問�� FANUC 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�� 并對其�(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�
由于5 軸加工工藝合�� 相對�3 維曲面加�� 它可以充分利用刀具的幾何形狀�(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�(yīng)�� 5 軸加工的�(jī)械其配置主要有刀具旋�(zhuǎn)方式� 工作臺旋�(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�(jù)5 軸加工的特點� 把它們, 比如 TCP(刀具中心控�) � 刀具半徑補(bǔ)�?shù)裙δ埽?�(yīng)用到不同�(jī)械配置的 5 軸加工機(jī)��
4、數(shù)控復(fù)臺功�
為了提高生產(chǎn)�� �(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的開發(fā)和制造已變成�(shù)控機(jī)床的一種發(fā)展趨勀� �(fù)合加工機(jī)床是指在同一�(jī)械上可以�(jìn)行多種工藝的加工� 如在一臺機(jī)床上可以�(jìn)行車加工� 銑加�� 錘加工等� 比如� 一個圓柱體要�(jìn)行圓柱表面的車削� 錘子L� 還要求在圓柱面上銑溝�� 這些加工都要求在同一臺數(shù)控機(jī)床上完成� 這樣就能大大提高生產(chǎn)�� 因此� 對于�(shù)控復(fù)合機(jī)�� 百先需要增加可以用于�(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�� 3 維圓弧功能� 刀具中心點控制�� 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�(jī)床還�(jīng)常需要高速加工� 為了通過PC 或數(shù)控系�(tǒng)本身對多臺機(jī)床�(jìn)行集中監(jiān)控和管理� 系統(tǒng)需要通過�(wǎng)�(luò)�(jìn)行通信� 以便傳遞程序� �(jiān)控加工狀�(tài)� 除此以外� �(wǎng)�(luò)功能還可以傳送維修數(shù)�(jù)� 對系�(tǒng)�(jìn)行遠(yuǎn)程控�� 操作和診斷; 傳� CAD� CAM �(shù)�(jù)� CNC 具有�(xiàn)場通信�(wǎng)�(luò)功能� 就可以在CNC 與伺服裝置之�� CNC � I� o 控制之間傳遞控制� �(jiān)控和診斷�(shù)�(jù)� 目前主要采用以太�(wǎng)以及�(xiàn)場總�� 隨著技�(shù)的發(fā)展, �(yīng)用無線技�(shù)也已�(jīng)出現(xiàn)。無線技�(shù)可以使信息到�(dá)幾乎是任何地��
6、高可靠性和安全性功�
CNC 系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床一�� 工作在底層車間, �(jīng)受惡劣的�(huán)�� 如: 溫度� 濕度� 振動� 油霧� 粉塵的影�� 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(shè)�� 制造工藝等措施外, �(xiàn)代數(shù)控系�(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�(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)�(jù)� ②采用糾錯碼(ECC� EnorCorrecting Code) 傳送數(shù)�(jù)� 隨著軟件高速處理大量數(shù)�(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�(jìn)行高速讀� 寫和傳遞�(shù)�(jù)�� � IC �(qū)動的信號波形�?yōu)闇�?在這樣的狀況下� 不采用模擬電路處理的方法�� �(dǎo)致不能正確地傳遞�(shù)字信號。另�� 在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�(jìn)的糾錯碼傳遞�(shù)�(jù)� ECC 是一種領(lǐng)前的高可靠性技�(shù)� 通過把ECC 加到�(shù)�(jù)上以傳送各種不同型式的�(shù)�(jù)� 使系�(tǒng)更可�� ②采用雙檢安�(Dual Check Sa 缸y) 措施� “雙檢安全� 與歐洲安全標(biāo)�(zhǔn)(EN954�1) 一�� 它的原理是在CNC �(nèi)嵌人多個處理器冗余地監(jiān)控伺服電�(jī)和主軸電�(jī)以及與安全相�(guān)� I� 0 信號并使用急停與相�(guān)� I� 0 電路使系�(tǒng)安全地運行和停止�
�(dāng)出現(xiàn)NC �(jī)床以�� 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�(jī)床設(shè)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�(jīng)驗和操作技能放�(jìn)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�(shù)控系�(tǒng)具有友好的人�(jī)界面和提供給用戶的開�(fā)平臺� 要求NC 控制器透明以使�(jī)床制造商和最終用戶可以自由地�(zhí)行自己的思想� 于是�(chǎn)生了開放�(jié)�(gòu)的數(shù)控系�(tǒng)�
IEEE“開放系�(tǒng)技�(shù)委員會� 定義“開放結(jié)�(gòu)� 為: “開放系�(tǒng)所�(zhí)行的�(yīng)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(yīng)用具有互操作�� 且呈�(xiàn)與用戶交互協(xié)�(1EEElo03� 0) � � 也可以用下列的性能指標(biāo)評估控制器的開放�� 比如�(yīng)用模塊為 AM� ①移植性: 在保持應(yīng)用模�(AM) 的功能下� 不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平�� ②擴(kuò)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)�� 可以根據(jù)定義相互交換�(shù)�(jù)� ④縮放性: 按照用戶的需�� AM 的功�、性能和硬件的�(guī)??梢陨炜s�
開放�(jié)�(gòu)的控制器(oAC) 使控制器銷售�� �(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�� 其主要目�(biāo)是在�(biāo)�(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�(tǒng)能力被廣泛接�� 軟件可以重復(fù)使用� 用戶可以按照給定的配置設(shè)計他們的控制��
控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)�(gòu)由于考慮到對實時和可靠性要求很�(yán)格, 因此是高度復(fù)雜的系統(tǒng)� 其特點是基于PC� 相互鏈接的關(guān)鍵結(jié)�(gòu)為系�(tǒng)組件和接�� 系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊所組成� 在開放系�(tǒng)�,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)�� 對于控制的復(fù)雜�� 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: �(nèi)部和外部的接�� 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 � PI‘C 編程接口采用國家或國際標(biāo)�(zhǔn)� � RS 一 274� DIN66025� 或IEC6l131�3� 通訊接口也強(qiáng)烈地受標(biāo)�(zhǔn)的影�� �(xiàn)場總線系�(tǒng)� � SERCOS� P 凹肋 us � Device Net 用作�(qū)動和 I� O 的接�� I� AN(局�(wǎng) LocalArea Network) �(wǎng)�(luò)主要基于以太�(wǎng)� TCP� IP 與監(jiān)控系�(tǒng)連系的接�� ②內(nèi)部接口: 用于組件間的互相作用和數(shù)�(jù)交換� 以形成控制系�(tǒng)的核�� 在這方面,一個重要的性能是支持實時機(jī)�(gòu)� 為了得到可重�(gòu)和白適應(yīng)的控�� 控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)�(gòu)基于平臺的概念。由于軟件組件中無法知道專用硬件的詳�� 因而主要的目標(biāo)是建立一個可定義的但是在軟件組件間�(jìn)行柔性的通訊方法� �(yīng)用編程接�(APl) 保證了這些需�� 控制系統(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(jī)器人工業(yè)論壇的資�� �(dāng)年美國機(jī)器人全部裝機(jī)的系�(tǒng)是機(jī)器人本身價值的 3�5 倍, 也就是如果有l(wèi)o 億美元機(jī)器人的市�� 等于增加 20 �40 億美元的附加�� 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�(biāo)�(zhǔn)化的開發(fā)和應(yīng)用, 采用開放體系�(jié)�(gòu)的控制器使其中降� 50�� 那么在采用開放控制器后, 每年潛在的價值就可以節(jié)�2 �5 千萬�5 億美��
目前� 開放的數(shù)控系�(tǒng)�(jié)�(gòu)主要�3 種形式: ①基于PC � CNC 系統(tǒng)� 這種系統(tǒng)� PC �(jī)為平�� 開發(fā)�(shù)控系�(tǒng)的各種功�� 通過伺服卡傳送數(shù)�(jù)� 控制坐標(biāo)軸電�(jī)的運�� 這類系統(tǒng)有時也稱� Soft NC� 這樣的系�(tǒng)容易做到全方位開�� ②PC 嵌入式: 這種系統(tǒng)的基本結(jié)�(gòu)為: CNC 十PC 主板� 即把一塊CNC 板插入傳�(tǒng)� PC �(jī)器中� CNC 主要運行以坐�(biāo)軸運動為主的實時控制� 或且CNC 作為�(shù)控功能運�� 而PC 板作為用戶的人機(jī)接口平臺� ③PC 十CNC� 目前主流NC 系統(tǒng)生產(chǎn)廠家�(rèn)� NC 系統(tǒng)最主要的性能是可靠�� � PC �(jī)存在的死�(jī)�(xiàn)象是不允許的� 而系�(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� NC 系統(tǒng)� 體系�(jié)�(gòu)的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服�(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響� 因此不把開放�(jié)�(gòu)作為主要的產(chǎn)�� 仍然大量生產(chǎn)原結(jié)�(gòu)� NC 系統(tǒng)� 為了增加開放�� 主流NC 系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往在不變化原系�(tǒng)基本�(jié)�(gòu)的基�(chǔ)上增加一塊PC 板, 提供鍵盤使用戶能把PC � CNC �(lián)系在一�� 大大提高了人�(jī)界面的功能, 比較典型的如 FANUC � 150i� 160i� 180i� 210j 系統(tǒng)� 有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusion system) � 由于它工作可�� 界面開放� 越來越受到機(jī)床制造商的歡迎�