数控装置(CNC)

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概 述
+ G5 ~9 n6 {/ k7 K4 q6 g- z' I% r数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用了解，由于它在整个系统中的重要性。
; I+ q9 Y* h% T1 ^0 R一、CNC 装置的组成
从自动控制的角度来看，CNC 系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件 ( 各运动轴 ) 的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。
$ a3 O4 N7 L* V从外部特征来看，CNC 系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。

图5-1 CNC系统硬件的层次结构
1 、CNC 系统硬件的层次结构
; g. {5 S4 @) L- V由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。 2 、CNC 系统软件的功能结构
从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统。从功能特征来看，专用操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。
+ T% A" Y. W+ a  A/ [1 c其结构框图如图5-2 所示。
! }' R5 P4 b7 C8 a2 R$ l2 L7 P
3 、CNC 硬件软件的作用和相互关系
  ~' u7 x+ }. m  R5 X; R硬件是基础，软件是灵魂
CNC 装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。
CNC 系统的硬件和软件构成了CNC 系统的系统平台，如图5-3 所示。
: C- d" l: R2 Y5 b& [8 {5 y) E
该平台有以下两方面的含义：
. b. V- i0 Q& C- B: {提供 CNC 系统基本配置的必备功能；
& \" {9 H$ `: B# a( I在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。
1 v! Y; G6 }7 ^5 ^4 u" [; D& F1 U二、CNC 装置的优点
1 、具有灵活性和通用性
CNC 装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。
CNC 装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。
2 、数控功能丰富
插补功能：二次曲线、样条曲线、空间曲面插补；
补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等
2 }9 {# F* a1 B, w) {; P. {人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口
编程功能：G 代码、篮图 编程、部分自动编程功能。
3 、可靠性高
4 D3 V  x" W0 z- }CNC 装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用 VLSI （超大规模集成电路）本身就是可靠性的保证。
" b5 A- @* j. `/ _许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。
丰富的故障诊断及保护功能 ( 大多由软件实现 ) ，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。
; m  A$ ?7 V, x- ^9 Q7 x, O+ c4 、使用维护方便
操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。
编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。
维护维修方便：部分日常维护工作自动进行 ( 润滑，关键部件的定期检查等 ) ，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。
5、易于实现机电一体化
& l# A# M3 {$ Z数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。
6 V& h2 R' n" G& R! v$ X  u三、CNC 装置的功能
CNC 装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。
基本功能—— 数控系统基本配置的功能，即必备功能；
选择功能—— 用户可根据实际要求选择的功能。
; V% L1 p7 k; C( j1、控制功能
5 z0 Z1 }4 G9 I5 W- f; R—— CNC 能控制和能联动控制的进给轴数
1 P4 q; y. d9 V# o! jCNC 的进给轴分类：
  L/ W/ O* q' ?' `  y/ l/ W移动轴（X 、Y 、Z ）和回转轴（A 、B 、C ）；
8 F# J4 S1 `  M7 J( i, _基本轴和附加轴（U 、V 、W ）。
; ^* Y  a, A9 ?; ?' ^$ ?: m; p联动控制轴数越多，CNC 系统就越复杂，编程也越困难。
2 、准备功能（G 功能）
—— 指令机床动作方式的功能。
! B2 f3 \( b$ L- l0 X8 Y( {% I3 、插补功能和固定循环功能
* e( T; L  d4 _# G5 q0 l- N—— 插补功能是数控系统实现零件轮廓 ( 平面或空间 ) 加工轨迹运算的功能。
  R2 b# P$ ?" B$ P6 @/ `5 d; {—— 固定循环功能是数控系统实现典型加工循环。（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔 钻削和 切螺纹等）的功能 .
4 、进给功能
' a$ [! q" G1 y4 b: I—— 进给速度的控制功能。
& H* {" s- A3 F% ^$ L8 F- Q5 e- p进给速度 —— 控制刀具相对工件的运动速度，单位为 mm/min 。
同步进给速度 —— 实现切削速度和进 给速度 的同步，单位为 mm/r 。
进给倍率（进给修调率） —— 人工实时修调预先给定的进给速度 。
" o4 H: }+ _/ B5 、主轴功能
& F0 T: ~0 G) _* z' a—— 数控系统的主轴的控制功能。
主轴转速 —— 主轴转速的控制功能，单位为 r/min 。
恒线速度控制 —— 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功 能。
主轴定向控制 —— 主轴周 向定位于特定位置控制的功能 。
C 轴控制 —— 主轴周 向任意位置控制的功能。
主轴修调率 —— 人工实时修调预先设定的主轴转速 。
6 、 辅助功能（M 功能）
5 a# y  [; m' P" i4 h+ [—— 用于指令机床辅助操作的功能。
2 b$ @' E2 u  G9 n7 、刀具管理功能
—— 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。
% f0 \1 F$ _/ H% k刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；
刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC 系统将提示用户更换刀具；
7 \/ h9 _6 y2 ^$ n" ^5 o2 qCNC 系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
" E# ^) |; e( o; b2 q) Q9 I8 、补偿功能
' b  W9 S+ h/ A刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。
传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。
7 O* h3 i. I# ^5 E  u# ?2 d非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用 AI 、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。
9 、人机对话功能
$ I0 x, q7 I% m* r, x# W8 x+ v在CNC 装置中这类功能有：
+ W0 q8 z7 S8 b4 m: R8 p3 C3 k菜单结构操作界面；
零件加工程序的编辑环境；
8 y0 y# p% K/ \6 H, Q& `系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。
+ X5 @7 X. ~+ \4 j% H10 、自诊断功能
% ?; m; S% v3 X—— CNC 自动实现故障预报和故障定位的功能。
开机自诊断；
+ {: s+ _& E+ t: z/ @9 R在线自诊断；
离线自诊断；
远程通讯诊断。
2 H  M/ w1 |1 Y( G4 e7 P11 、通讯功能
—— CNC 与外界进行信息和数据交换的功能
/ J" e! R1 H* b. K2 w/ u" y+ vRS 232C 接口，可传送零件加工程序；
DNC 接口，可实现直接数控；
MAP(制造自动化协议) 模块；
网卡：适应 FMS 、CIMS 、IMS 等制造系统集成的要求。【MechNet】
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