【正文】 算機通信接口等形式，以及利用數(shù)控面板上的鍵盤操作的手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）和機床操作面板上手動按鈕、開關(guān)量信息的輸入。CNC裝置中的位置控制單元主要對機床進給運動的坐標(biāo)軸位置進行控制。它可以隨時讀出和寫入，斷電后，信息就消失。系統(tǒng)程序只能由CPU讀出，不能寫入。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲器EPROM中，由生產(chǎn)廠家固化?？偩€是微處理器賴以工作的物理導(dǎo)線，按其功能可以分為三組總線，即數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AD）、控制總線（CB）。中高檔的CNC通常采用16位、32位甚至64位的微處理器芯片。運算任務(wù)是完成一系列的數(shù)據(jù)處理工作：譯碼、刀補計算、運動軌跡計算、插補運算和位置控制的給定值與反饋值的比較運算等。圖44 單CPU結(jié)構(gòu)CNC框圖CPU主要完成控制和運算兩方面的任務(wù)。 二、單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括：CPU、總線、I/O接口、存儲器、串行接口和CRT/MDI接口等，還包括數(shù)控系統(tǒng)控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、PLC接口、主軸控制單元、速度控制單元、穿孔機和紙帶閱讀機接口以及其他接口等。 從CNC系統(tǒng)使用的CPU及結(jié)構(gòu)來分，CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單CPU和多CPU結(jié)構(gòu)兩大類。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此可以進行信息交換。 另外一種柔性比較高的結(jié)構(gòu)就是總線模塊化的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特點是將CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微型計算機級的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。其他相關(guān)的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統(tǒng)的核心部分。大板式結(jié)構(gòu)的特點是, 一個系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。CNC操作面板在機床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺式等多種。分體式結(jié)構(gòu)通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個機箱內(nèi)，兩者之間用導(dǎo)線或光纖連接。所謂整體式結(jié)構(gòu)是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機箱內(nèi)。圖43 CNC的工作流程第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 一、CNC系統(tǒng)的硬件構(gòu)成特點隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和表面安裝技術(shù)的發(fā)展，CNC系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進。有的CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)模擬加工圖形顯示。8. 顯示 CNC系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有CRT顯示器或LCD數(shù)碼顯示器，一般位于機床的控制面板上。圖42 位置控制的原理7. I/O處理 CNC的I/O處理是CNC與機床之間的信息傳遞和變換的通道。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。6. 位置控制 位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，如圖42所示。要進行軌跡加工，CNC必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進行“數(shù)據(jù)點密化”的工作，這就是插補。5. 插補 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。速度處理首先要進行的工作是將各坐標(biāo)合成運動方向上的速度分解成各進給運動坐標(biāo)方向的分速度，為插補時計算各進給坐標(biāo)的行程量做準(zhǔn)備；另外對于機床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。在較高檔次的CNC中一般應(yīng)用C機能刀具補償，C機能刀具補償能夠進行程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判斷等功能。刀具補償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成刀具中心（刀位點）相對于工件的移動軌跡。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關(guān)。編譯過程中還要進行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。NC方式是CNC一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內(nèi)容。存儲方式是將整個零件程序一次全部輸入到CNC內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級計算機DNC通訊輸入等。（二）CNC系統(tǒng)的一般工作過程1. 輸入 輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機床參數(shù)和刀具補償參數(shù)。有的CNC系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能（如日本FANUC系統(tǒng)）。有這種功能的CNC系統(tǒng)可以根據(jù)零件圖直接編制程序，即編程人員只需送入圖樣上簡單表示的幾何尺寸就能自動地計算出全部交點、切點和圓心坐標(biāo)，生成加工程序。12. 人機交互圖形編程功能 為了進一步提高數(shù)控機床的編程效率，對于NC程序的編制，特別是較為復(fù)雜零件的NC程序都要通過計算機輔助編程，尤其是利用圖形進行自動編程，以提高編程效率。11. 通信功能 為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的需求，CNC裝置通常具有RS232C通信接口，有的還備有DNC接口。診斷程序一般可以包含在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運行過程中進行檢查和診；也可以作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。10. 自診斷功能 為了防止故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機時間，CNC系統(tǒng)中設(shè)置了各種診斷程序。9. 字符、圖形顯示功能 CNC控制器可以配置單色或彩色CRT或LCD，通過軟件和硬件接口實現(xiàn)字符和圖形的顯示。這些功能可以補償?shù)毒吣p以及換刀時對準(zhǔn)正確位置，簡化編程。8. 補償功能 補償功能是通過輸入到CNC系統(tǒng)存儲器的補償量，根據(jù)編程軌跡重新計算刀具的運動軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的工件。各種型號的數(shù)控裝置具有的輔助功能差別很大，而且有許多是自定義的。（3）主軸定向準(zhǔn)停 該功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止，有自動換刀功能的機床必須選取有這一功能的CNC裝置。一般用地址符S后加兩位數(shù)字或四位數(shù)字表示，單位分別為r/min和mm/min。5. 主軸功能 主軸功能就是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能。（3）進給倍率 操作面板上設(shè)置了進給倍率開關(guān)，倍率可以從0~200%之間變化，每檔間隔10%。（2）同步進給速度 以主軸每轉(zhuǎn)進給的毫米數(shù)規(guī)定的進給速度。（1）切削進給速度 以每分鐘進給的毫米數(shù)指定刀具的進給速度，如100mm/min。有的數(shù)控機床采用硬件進行精插補。由于輪廓控制的實時性很強，軟件插補的計算速度難以滿足數(shù)控機床對進給速度和分辨率的要求，同時由于CNC不斷擴展其他方面的功能也要求減少插補計算所占用的CPU時間。對于輪廓控制的加工機床，如車床、銑床、加工中心等，需要控制系統(tǒng)有兩個或兩個以上的進給坐標(biāo)具有聯(lián)動功能。2. 準(zhǔn)備功能 準(zhǔn)備功能也稱G指令代碼，它用來指定機床運動方式的功能，包括基本移動、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補償、固定循環(huán)等指令。一般數(shù)控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動；一般數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動或軸聯(lián)動；一般加工中心為多軸控制，三軸聯(lián)動。控制軸有移動軸和回轉(zhuǎn)軸，有基本軸和附加軸。根據(jù)數(shù)控機床的類型、用途、檔次的不同，CNC系統(tǒng)的功能有很大差別，下面介紹其主要功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機床特點和用途進行選擇的功能。數(shù)控系統(tǒng)有多種系列，性能各異。前者處理機床的軌跡運動的數(shù)字控制，后者處理開關(guān)量的邏輯控制。圖41 CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在圖41中所示的整個計算機數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)控系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器。但是，各種數(shù)控機床的CNC系統(tǒng)一般包括以下幾個部分：中央處理單元CPU、存儲器（ROM/RAM）、輸入輸出設(shè)備（I/O）、操作面板、顯示器和鍵盤、紙帶穿孔機、可編程控制器等。只要改變計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件就能實現(xiàn)一種全新的控制方式。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機床按照操作者的要求進行自動加工。 數(shù)控系統(tǒng)全面概述一、CNC系統(tǒng)的組成CNC系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。其核心是計算機數(shù)字控制裝置。CNC系統(tǒng)采用了計算機作為控制部件，通常由常駐在其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對機床運動進行實時控制。CNC系統(tǒng)有很多種類型，有車床、銑床、加工中心等的CNC系統(tǒng)。圖41所示為CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。CNC控制器由計算機硬件、系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的I/O接口構(gòu)成的專用計算機與可編程控制器PLC組成。三、CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過程（一）CNC系統(tǒng)的功能 CNC系統(tǒng)由于現(xiàn)在普遍采用了微處理器，通過軟件可以實現(xiàn)很多功能。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能。CNC系統(tǒng)的功能主要反映在準(zhǔn)備功能G指令代碼和輔助功能M指令代碼上。1. 控制功能 CNC系統(tǒng)能控制的軸數(shù)和能同時控制（聯(lián)動）的軸數(shù)是其主要性能之一。通過軸的聯(lián)動可以完成輪廓軌跡的加工?？刂戚S數(shù)越多，特別是同時控制的軸數(shù)越多，要求CNC系統(tǒng)的功能就越強，同時CNC系統(tǒng)也就越復(fù)雜，編制程序也越困難。對于點位式的加工機床，如鉆床、沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。3. 插補功能 CNC系統(tǒng)是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動軌跡控制的。因此 ，CNC的插補功能實際上被分為粗插補和精插補，插補軟件每次插補一個小線段的數(shù)據(jù)為粗插補，伺服系統(tǒng)根據(jù)粗插補的結(jié)果，將小線段分成單個脈沖的輸出稱為精插補。4. 進給功能 根據(jù)加工工藝要求，CNC系統(tǒng)的進給功能用F指令代碼直接指定數(shù)控機床加工的進給速度。對于回轉(zhuǎn)軸，表示每分鐘進給的角度。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)控機床才能指定同步進給速度，用于切削螺紋的編程。使用倍率開關(guān)不用修改程序就可以改變進給速度，并可以在試切零件時隨時改變進給速度或在發(fā)生意外時隨時停止進給。（1）轉(zhuǎn)速的編碼方式 一般用S指令代碼指定。（2）指定恒定線速度 該功能可以保證車床和磨床加工工件端面質(zhì)量和不同直徑的外圓的加工具有相同的切削速度。6. 輔助功能 輔助功能用來指定主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向；切削液的開和關(guān)；刀庫的啟和停等，一般是開關(guān)量的控制，它用M指令代碼表示。7. 刀具功能 刀具功能用來選擇所需的刀具，刀具功能字以地址符T為首，后面跟二位或四位數(shù)字，代表刀具的編號。補償功能主要有以下種類：（1）刀具的尺寸補償 如刀具長度補償、刀具半徑補償和刀尖圓弧補償。 （2）絲杠的螺距誤差補償和反向間隙補償或者熱變形補償 通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC系統(tǒng)中，在實際加工中進行補償，從而提高數(shù)控機床的加工精度。通?？梢燥@示程序、參數(shù)、各種補償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形及刀具實際移動軌跡的坐標(biāo)等。不同的CNC系統(tǒng)設(shè)置的診斷程序是不同的，診斷的水平也不同。有的CNC可以進行遠程通信診斷。也有的CNC還可以通過制造自動化協(xié)議（MAP）接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)。因此，對于現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般要求具有人機交互圖形編程功能。有的CNC系統(tǒng)可根據(jù)引導(dǎo)圖和顯示說明進行對話式編程，并具有自動工序選擇、刀具和切削條件的自動選擇等智能功能。這些功能有助于那些未受過CNC編程專門訓(xùn)練的機械工人能夠很快地進行程序編制工作。機床參數(shù)一般在機床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設(shè)定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補償數(shù)據(jù)。CNC輸入工作方式有存儲方式和NC方式。該方式應(yīng)用較多。2. 譯碼 譯碼是以零件程序的一個程序段為單位進行處理，把其中零件的輪廓信息（起點、終點、直線或圓弧等），F(xiàn)、S、T、M等信息按一定的語法規(guī)則解釋（編譯）成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。3. 刀具補償 刀具補償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進行。刀具補償包括B機能和C機能刀具補償功能。4. 進給速度處理 數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標(biāo)合成運動方向上的速度，即F代碼的指令值。有的數(shù)控機床的CNC軟件的自動加速和減速也放在這里。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點坐標(biāo)；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點坐標(biāo)外，還給定其圓心坐標(biāo)或圓弧半徑。插補在每個規(guī)定的周期（插補周期）內(nèi)進行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補周期后，插補完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)密化”工作。它的主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置進行比較，用其差值控制進給電動機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的螺距誤差補償和反向間隙補償?shù)?，以提高機床的定位精度。其作用一方面是將機床運動過程中的有關(guān)參數(shù)輸入到CNC中；另一方面是將CNC的輸出命令（如換刀、主軸變速換檔、加冷卻液等）變?yōu)閳?zhí)行機構(gòu)的控制信號，實現(xiàn)對機床的控制。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警信息顯示等。上述的CNC的工作流程如圖43所示。從CNC系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，但有時可能造成某些信號連線過長。許多CNC機床把操作面板也單獨作為一個部件，這是由于所控制機床的要求不同, 操作面板相應(yīng)地要改變，做成分體式有利于更換和安裝。從組成CNC系統(tǒng)的電路板的結(jié)構(gòu)特點來看，有兩種常見的結(jié)構(gòu)，即大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。由此可見，大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能／價格比，也便于機床的一體化設(shè)計，大板結(jié)構(gòu)雖有上述優(yōu)點，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產(chǎn)。硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。于是可以積木式組成CNC系統(tǒng)，使設(shè)計簡單，有良好的適應(yīng)性和擴展性，試制周期短，調(diào)整維護方便，效率高。初期的CNC系統(tǒng)和現(xiàn)在的一些經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)采用單CPU結(jié)構(gòu)，而多CPU結(jié)構(gòu)可以滿足數(shù)控機床高進給速度、高加工精度和許多復(fù)雜功能的要求，也適應(yīng)于并入FMS和CIMS運行的需要，從而得到了迅速的發(fā)展，它反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。圖44所示的為一種單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)框圖?？刂乒δ馨ǎ簝?nèi)部控制，對零件加工程序的輸入、輸出控制，對機床加工現(xiàn)場狀態(tài)信息的記憶控制等。在經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)中，常采用8位微處理器芯片或8位、16位的單片機芯片。在單CPU的CNC系