CNC控制器

1、多坐標(biāo)、多系統(tǒng)控制 比如 fanuc 最新的高檔控制器11s30i -model a 系統(tǒng)， 最大控制系統(tǒng)數(shù)為 10 個(gè)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(jìn)給軸32 軸， 主軸為 8 軸， 最大同時(shí)控制軸數(shù)為 24 軸/ 系統(tǒng)。 最大 pmc 系統(tǒng)為 3 個(gè)系統(tǒng)。 最大i/ o 點(diǎn)數(shù)為 4096 點(diǎn)/ 4096 點(diǎn)， pmc 基本命令速度為 25ns。 最大可預(yù)讀程序段: 1000 段。 這是當(dāng)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(dòng)機(jī)床， 復(fù)合機(jī)床， 多頭機(jī)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(gè)功能， 使制造技術(shù)(mt)大大地向前發(fā)展了。 數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制， 可以保證加工的零件具有很高的精度重復(fù)性。 但為了得到一定的功能， 輸入控制器的信號(hào)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(jī)械設(shè)計(jì)和制造要保證能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外， 對(duì)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(bǔ)償由于伺服滯后所產(chǎn)生的誤差， 提高加工精度。 適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。 "前瞻" 控制在程序執(zhí)行前對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、 處理和多段緩沖， 從而控制刀具按高速運(yùn)動(dòng)， 而且誤差很小。 對(duì)于機(jī)床平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制， 采用對(duì)指令形式的實(shí)時(shí)識(shí)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(dòng)， 開(kāi)發(fā)數(shù)字濾波器的技術(shù)， 以消除機(jī)械的諧振， 提高伺服系統(tǒng)的位置增益。 高精進(jìn)給和主軸的伺服系統(tǒng)對(duì)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器以及控制單元的大小， 提高編碼器的分辨率; 直線移動(dòng)軸可以來(lái)用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng); 減少機(jī)械傳動(dòng)鏈， 提高剛度， 提高精度。 當(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)時(shí)， 它非常適用于齒輪機(jī)床的系統(tǒng)， 齒輪機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)體積小， 采用高增益控制， 伺服電機(jī)是無(wú)齒槽效應(yīng)的電機(jī)， 帶有1. 6xlo' 脈沖/ 轉(zhuǎn)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(cè)精度， 采用相應(yīng)的硬件， 可以產(chǎn)生所謂"納米控制" ， 也就是在系統(tǒng)檢測(cè)分辨率為 1 嶺m 時(shí)， 插補(bǔ)分辨率可以達(dá)到1nm; 它使在cnc 內(nèi)部的計(jì)算誤差最小化， 每次內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位， 大大提高了加工的質(zhì)量。 對(duì)于控制直線電機(jī)， 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械帶來(lái)的多點(diǎn)諧振特性， 聯(lián)合這些功能，機(jī)床刀具的運(yùn)動(dòng)就可以準(zhǔn)確地按照著指令執(zhí)行。 對(duì)于加工具有自由曲面的模具， 會(huì)在程序段之間出現(xiàn)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(píng)估原始曲線， 并對(duì)其進(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)雜加工功能 由于5 軸加工工藝合理， 相對(duì)于3 維曲面加工， 它可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進(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(lái)越廣泛的應(yīng)用。 5 軸加工的機(jī)械其配置主要有刀具旋轉(zhuǎn)方式、 工作臺(tái)旋轉(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。根據(jù)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(bǔ)償?shù)裙δ埽?應(yīng)用到不同機(jī)械配置的 5 軸加工機(jī)床。 4、數(shù)控復(fù)臺(tái)功能 為了提高生產(chǎn)率， 數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的開(kāi)發(fā)和制造已變成數(shù)控機(jī)床的一種發(fā)展趨勢(shì)。 復(fù)合加工機(jī)床是指在同一機(jī)械上可以進(jìn)行多種工藝的加工， 如在一臺(tái)機(jī)床上可以進(jìn)行車加工、 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(tái)數(shù)控機(jī)床上完成。 這樣就能大大提高生產(chǎn)率。 因此， 對(duì)于數(shù)控復(fù)合機(jī)床， 百先需要增加可以用于進(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、 螺旋線功能、 3 維圓弧功能、 刀具中心點(diǎn)控制等， 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， 這種機(jī)床還經(jīng)常需要高速加工。 為了通過(guò)pc 或數(shù)控系統(tǒng)本身對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行集中監(jiān)控和管理， 系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 以便傳遞程序， 監(jiān)控加工狀態(tài)。 除此以外， 網(wǎng)絡(luò)功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、 操作和診斷; 傳送 cad/ cam 數(shù)據(jù)。 cnc 具有現(xiàn)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(jiān)控和診斷數(shù)據(jù)。 目前主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線。 隨著技術(shù)的發(fā)展， 應(yīng)用無(wú)線技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)。無(wú)線技術(shù)可以使信息到達(dá)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(jī)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(dòng)， 油霧， 粉塵的影響， 同時(shí)又要求連續(xù)工作; 因此對(duì)可靠性要求特別高， 除了可靠性設(shè)計(jì)、 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(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(shù)據(jù)。 ②采用糾錯(cuò)碼(ecc: enorcorrecting code) 傳送數(shù)據(jù)， 隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)， 也要求對(duì)微處理器、 存儲(chǔ)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(shù)據(jù)時(shí)， 由 ic 驅(qū)動(dòng)的信號(hào)波形變?yōu)闇螅?在這樣的狀況下， 不采用模擬電路處理的方法時(shí)， 導(dǎo)致不能正確地傳遞數(shù)字信號(hào)。另外， 在最新電子元件低壓供電時(shí)， 降低了電路低抗噪音的運(yùn)行范圍。 為此， cnc 電路將采取更先進(jìn)的糾錯(cuò)碼傳遞數(shù)據(jù)。 ecc 是一種領(lǐng)前的高可靠性技術(shù)， 通過(guò)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(dual check sa 缸y) 措施。 "雙檢安全" 與歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)(en954-1) 一致。 它的原理是在cnc 內(nèi)嵌人多個(gè)處理器冗余地監(jiān)控伺服電機(jī)和主軸電機(jī)以及與安全相關(guān)的 i/ 0 信號(hào)并使用急停與相關(guān)的 i/ 0 電路使系統(tǒng)安全地運(yùn)行和停止。

當(dāng)出現(xiàn)nc 機(jī)床以后， 制造廠家就希望能打開(kāi)nc 系統(tǒng)這個(gè)黑盒子， 部分或全部地代替機(jī)床設(shè)計(jì)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(yàn)和操作技能放進(jìn)nc 系統(tǒng)， 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(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和提供給用戶的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 要求nc 控制器透明以使機(jī)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(kāi)放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。 ieee"開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)" 定義"開(kāi)放結(jié)構(gòu)" 為: "開(kāi)放系統(tǒng)所執(zhí)行的應(yīng)用可以運(yùn)行在多家制造者不同的平臺(tái); 并可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用具有互操作性， 且呈現(xiàn)與用戶交互協(xié)同(1eeelo03. 0) 。 " 也可以用下列的性能指標(biāo)評(píng)估控制器的開(kāi)放性。 比如應(yīng)用模塊為 am: ①移植性: 在保持應(yīng)用模塊(am) 的功能下， 不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平臺(tái)。 ②擴(kuò)展性: 不同的am 能運(yùn)行在一個(gè)平臺(tái)而不出現(xiàn)沖突。 ③互操作性: am 在一起工作時(shí)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(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制器(oac) 使控制器銷售商、 機(jī)床制造商和最終用戶可以從柔性和敏捷生產(chǎn)中獲得較大利益。 其主要目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)能力被廣泛接受。 軟件可以重復(fù)使用， 用戶可以按照給定的配置設(shè)計(jì)他們的控制器。 控制系統(tǒng)的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)由于考慮到對(duì)實(shí)時(shí)和可靠性要求很嚴(yán)格， 因此是高度復(fù)雜的系統(tǒng)。 其特點(diǎn)是基于pc， 相互鏈接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(kāi)放系統(tǒng)中，各個(gè)組件和接口還可以在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)增加智能的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于控制的復(fù)雜性， 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: 內(nèi)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(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 如 rs 一 274、 din66025、 或iec6l131-3。 通訊接口也強(qiáng)烈地受標(biāo)準(zhǔn)的影響。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)， 如 sercos， p 凹肋 us 或 device net 用作驅(qū)動(dòng)和 i/ o 的接口。 i， an(局網(wǎng) localarea network) 網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(gè)重要的性能是支持實(shí)時(shí)機(jī)構(gòu)。 為了得到可重構(gòu)和白適應(yīng)的控制， 控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于平臺(tái)的概念。由于軟件組件中無(wú)法知道專用硬件的詳情， 因而主要的目標(biāo)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(yīng)用編程接口(apl) 保證了這些需要。 控制系統(tǒng)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(jù)1999 年美國(guó)機(jī)器人工業(yè)論壇的資料， 當(dāng)年美國(guó)機(jī)器人全部裝機(jī)的系統(tǒng)是機(jī)器人本身價(jià)值的 3-5 倍， 也就是如果有l(wèi)o 億美元機(jī)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(rèn)為如果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用， 采用開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)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(jié)省2 億5 千萬(wàn)到5 億美元。 目前， 開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3 種形式: ①基于pc 的 cnc 系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)以 pc 機(jī)為平臺(tái)， 開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能， 通過(guò)伺服卡傳送數(shù)據(jù)， 控制坐標(biāo)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 這類系統(tǒng)有時(shí)也稱為 soft nc， 這樣的系統(tǒng)容易做到全方位開(kāi)放。 ②pc 嵌入式: 這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為: cnc 十pc 主板， 即把一塊cnc 板插入傳統(tǒng)的 pc 機(jī)器中， cnc 主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制， 或且cnc 作為數(shù)控功能運(yùn)行， 而pc 板作為用戶的人機(jī)接口平臺(tái)。 ③pc 十cnc: 目前主流nc 系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為 nc 系統(tǒng)最主要的性能是可靠性， 像 pc 機(jī)存在的死機(jī)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(zhǎng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的 nc 系統(tǒng); 體系結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)他們?cè)到y(tǒng)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(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品， 仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的 nc 系統(tǒng)。 為了增加開(kāi)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(jī)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)(fusion system) 。 由于它工作可靠， 界面開(kāi)放， 越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎。

以下是目前模具加工過(guò)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(xiàng)技術(shù)采用沿曲線插補(bǔ)的方式，而不是采用一系列短直線來(lái)擬合曲線。這一技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)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(xiàng)，即生成nurbs插補(bǔ)格式的零件程序。同時(shí)，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)的特性。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量，改善了電機(jī)運(yùn)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(jī)床主軸傳遞運(yùn)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(shì)后，一些cnc系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達(dá)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(jī)運(yùn)行得更平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)使得一些機(jī)床能夠在床身振動(dòng)不加大的前提下，以更高的加速度運(yùn)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(jī)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(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(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(kāi)來(lái)?？偟膩?lái)講， cnc就是通過(guò)加工軌跡監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的預(yù)處理，以此來(lái)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(gè)到上百個(gè)不等，這主要取決于零件程序的最短加工時(shí)間和加速/減速的時(shí)間常數(shù)。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個(gè)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(jī)床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，cnc能夠更及時(shí)地控制伺服系統(tǒng)，而且cnc對(duì)機(jī)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(jī)溫升。這樣，不僅可以延長(zhǎng)電機(jī)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(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(guò)通訊鏈路，cnc可獲得更多的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的工作信息。這可提高機(jī)床的維護(hù)性能。 3) 連續(xù)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(yùn)算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機(jī)床運(yùn)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化，反饋速度受到信號(hào)類型的制約。采用串行反饋，這一問(wèn)題將得到很好的解決。即使機(jī)床以很高的速度運(yùn)行，也可達(dá)到精密的反饋精度。 6. 直線電機(jī)近幾年來(lái)，直線電機(jī)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(jīng)安裝了1000臺(tái)直線電機(jī)。ge fanuc的一些先進(jìn)技術(shù)使得機(jī)床上的直線電機(jī)的最大輸出力為15,500n，最大加速度為30g。另一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)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)步使直線電機(jī)在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比時(shí)，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng):更高的加/減速率;更準(zhǔn)確的定位控制，更高的剛度;更高的可靠性;內(nèi)部的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。