数控机床的数控系统

数控机床的数字控制系统能接受控制介质上事先给定了的信息，并自动将其译码，输出符合指令的脉冲，从而使机床运动并加工出合乎要求的高质量零件。

8.1.1 数控系统的功能

数控系统的功能主要有：

（1）控制功能 指数控系统能够控制的和联动控制的轴数。控制轴有移动进给轴和回转进给轴和附加轴。联动控制的轴数越多，数控系统就越复杂，编程的难度就越大。

（2）准备功能 指控制机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。

（3）插补功能 指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。即以最小的逼近误差，在指定线段的起点与终点之间进行数据点的密化工作。一般的CNC系统仅具有直线插补功能和圆弧插补功能，较为高档的CNC系统则具有抛物线插补、极坐标插补、正弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。

（4）主轴功能 用于指定主轴的转速，单位是r／min。

（5）进给功能 用来指定各轴的进给量，主要有控制主轴每转的进给量（mm／r）；控制刀具每分钟相对于工件的进给量（mm／min，即进给速度）；进给倍率控制，用于人工实时修调进给量。即通过操作面板上的进给倍率选择开关以每档10%的间隔在0～200%之间实时修调预先设定的进给速度。

（6）辅助功能 用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的起动、停止与正反转，冷却液泵的打开与关闭，刀库的起动、停止等。

（7）刀具功能及工作台分度功能 用来选择刀具和使分度工作台的分度。

（8）人机对话功能 通过屏幕显示字符和图形。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。

（9）自诊断功能 故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。

（10）补偿功能 包括刀具长度和半径补偿功能、传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换、传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。

（11）固定循环功能 预先将典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，加工时直接指令这些功能，使编程工作大大简化。

（12）通讯功能 它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能，通常系统都配有RS232接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序。有的还备有DNC接口，以实现直接数控。

（13）自动在线编程功能 有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。有的CNC系统可在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。

一般说来，中低档的数控系统只具有上述功能的部分功能，高档数控系统才有可能具备上面的全部或更多的功能。数控系统的功能是选择数控机床或数控系统所要考虑的重要内容之一。

8.1.2 计算机数控系统的硬件结构

计算机数控系统的基本硬件结构由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能（MST）控制接口等部分组成，如图8-1所示。

8.1.2.1 微机基本系统

微机基本系统的主要组成包括CPU、存储器、定时器、中断控制和输入输出通道等。

（1）CPU 是整个数控系统的核心，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。常见的中、低档数控系统基本上采用8位或16位CPU，随着CPU技术的发展，现代数控系统大多采用32位并向64位CPU发展。

图8-1 CNC系统总体结构

（2）存储器 包括只读存储器和随机存储器。只读存储器EPROM用于固化系统控制软件，通过专用的写入器写入程序，断电后程序不丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入，必要时可用紫外线抹除后再写；随机存储器RAM中存放可读写的信息，运算的中间结果存放在RAM中，它能随机读写，断电后信息即消失。加工程序、数据和参数等需要存放在有电池支持的CMOSRAM或磁泡存储器中，它能随机读出，并可根据加工零件写入或修改，断电后由电池供电，信息仍能保留。

（3）定时器和中断器 定时器用于计算机系统的定时控制；中断器用来对输入的中断信号排出优先次序。

（4）输入输出通道 输入输出通道是CNC系统内部进行数据或信息交换的通道，包括数据总线、地址总线和控制总线3组。

①数据总线是各模块间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，它采用双向总线。

②地址总线是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，以确定数据总线上传输的数据来源地或目的地，它采用单向总线。

③控制总线是一组传送管理或控制信号的总线，如数据的读、写控制，中断、复位以及各种信号确认等，它采用单向总线。

8.1.2.2 人机界面接口

人机对话界面由显示器及附近的软键、键盘、操作面板及手摇脉冲发生器等组成。

（1）显示器可显示刀具实际位置、加工程序、坐标系、刀具参数、机床参数、报警信息等。显示的内容通过附近的软键控制。软键是指其功能不确定，其含义显示于当前屏幕对应软键的位置。在一个主功能下可能有多个子功能，子功能键往往以软键的形式存在。开机操作时，首先选择主功能，常见的主功能有自动加工、手动操作、程序管理、手动数据输入等。进入主功能后，再通过软键选择下级子功能。

（2）键盘包括数字键、字母键和功能键，用于输入加工程序、参数的输入、修改和光标控制等。

（3）机床控制操作面板由进给控制键、主轴控制键、自动加工方式键、急停开关等组成。在该操作面板上，可控制各轴快速进给、切削进给，控制主轴正转、反转、停止，控制主轴速度、切削进给速度等。

（4）手摇脉冲发生器一般也在操作面板上，用于手动控制机床坐标轴的运动。

8.1.2.3 通信接口

通信接口用于CNC与外设、上级计算机以及网络的连接，实现数据信息交换，如RS232、RS485、DNC、MAP接口等。

8.1.2.4 进给轴位置控制接口

进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数器接口。模拟量输出接口采用数模转换器DAC，输出模拟电压的范围为-10～+10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定电动机的转动方向和转速；位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。

8.1.2.5 主轴控制接口

主轴控制接口包括模拟量输出接口和主轴位置反馈计数器接口。当数控机床配有无级变速装置驱动装置时，可利用模拟量输出接口输出模拟量进行无级变速；主轴位置反馈计数器接口主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。

8.1.2.6 辅助控制接口

即MST功能，它对强电箱的控制联系是通过开关量输入／输出接口完成的， MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，一般采用可编程控制器（PLC）来实现。