现代数控系统的功能

1.1.3　现代数控系统的功能

现代数控系统所具有的功能可以概括为基本功能、可选功能和先进功能三个方面。

1.基本功能

基本功能是数控系统必须具备的功能，主要包括准备功能（G功能）、进给功能（F功能）、主轴转速功能（S功能）、辅助功能（M功能）和刀具功能（T 功能）五项。

（1）准备功能（G功能）是设定数控机床或控制工作方式的命令（G00～G99）。由于数控系统功能不断增加，某些高档数控系统G功能已经采用三位数字。尽管有ISO 1056:1975（E）国际标准和JB/T3028-1999行业标准，但无论是国外的中、高档数控系统，还是国内的经济型数控系统，大多数都没有完全遵守这些标准，有些系统的差别还较大。除了G00～G04、G17～G19、G40～G42的含义在各类系统中基本相同外，其余代码的标准化程度较低。当接触新系统时，操作者必须仔细阅读产品说明书以便正确编程和操作。

（2）进给功能（F功能）用于给定切削速度。现代数控系统均采用直接进给方式，即用F后的数字直接给定进给速度值（mm/min）。除直接给定进给速度值外，还可用主轴每转进给量给定。F地址符在螺纹切削程序段中还用于给定导程。

（3）主轴转速功能（S功能）　用于给定主轴转速。用S指令后的数字值直接给定（r/min）。为了提升主轴低速时的输出转矩，增大调速范围，可将齿轮变速挡与无级调速配合使用，从而实现主轴分段无级变速。

（4）辅助功能（M功能）由M后紧跟两位数字构成，用于指定数控机床辅助装置的接通或断开，数控装置一般通过开关量I/O接口，控制内置或独立的可编程序控制器来实现。与G功能一样，M功能的标准化程度也较低。不同厂家的数控系统的M功能相差较大。

（5）刀具功能（T功能）刀具功能用于指定加工用刀具号及刀具长度与半径补偿号，并且车床系统与加工中心（镗铣床）系统刀具功能的使用差别较大。对于大多数的数控车床系统，一般采用T加2位或4位数字构成。现代中、高档数控系统大多采用T加4位数字的形式。对于加工中心（镗铣床），刀具的指定（换刀）与刀具补偿号的指定是分开的。不同厂家的数控系统的刀具补偿号指定方法差别较大。

2.可选功能

可选功能是数控系统所具有的附加功能，这些功能不仅大大方便了操作和编程，也拓展了数控系统的用途，用户可根据需要选用这些功能，如图1-1所示。

图1-1　现代数控系统各种可选择功能

（1）编程功能　数控系统可提供各种数控加工程序的编程工具，有简单手工编程系统、自动编程系统及面向车间的编程（WOP，Workshop Oriented Programming）系统等。自动编程系统使用计算机代替手工编程，编程员根据被加工零件的几何图形和工艺要求，由计算机自动生成数控加工程序。WOP利用图形编程，操作简单，编程员不需使用抽象的语言，只要以图形交互方式进行零件描述，利用WOP系统推荐的工艺数据，根据自己的生产经验进行选择和优化修正，WOP系统就能自动生成数控加工程序。

（2）用户界面功能　用户界面是数控系统与操作者之间的界面，是数控系统提供给用户调试和使用机床的全部辅助手段，如用户交互界面、开关、键盘、手轮等人工控制元件，用户可自由查看的过程和信息，可定义的数据和功能键，可规定的软件钥匙，可连接的硬件接口等。友好的用户界面是现代数控系统所大力追求的。

（3）加工模拟功能　加工模拟功能是虚拟制造技术在数控系统中的初步体现。在进行加工之前，先进行加工过程模拟，编程者可以根据图形模拟的结果检查和优化加工程序。使用与数控装置相连的手轮进行操作时，也可以利用图形加工模拟器实时观察数控系统的运动状况。功能较强的图形加工模拟器还允许操作者通过修改机床和刀具参数，进行不同机床类型各种刀具的加工模拟。

（4）测量和校正功能　由于机床机械精度、机械结构受温度、刀具磨损及一些随机因素的影响，会导致加工位置的变化。对经常变化的量（如工件的夹紧位置、刀具磨损和受温度影响导致的主轴伸长等），可借助测量装置、传感器和探测器测出机床、刀具和工件的位置变化，查出相应的校正值进行补偿。对随机误差（如主轴上升误差），通常在开动机床时，在机床上一次性测量，并存入校正存储单元中，用于后续相应操作的校正。

（5）监测和诊断功能　为了保证加工过程的正确进行，避免机床、工件和刀具的损坏，应使用监测和诊断功能。监测和诊断功能可以对机床（如动态运行状态、几何精度和润滑状态等）进行检查处理；可以对数控系统本身的硬件和软件（如数控系统硬件配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部件功能等）进行检查处理；还可以对加工过程（如刀具磨损、刀具断裂、工件尺寸和表面质量等）进行检查处理。

（6）通信功能　数控装置与可编程控制器（PLC）通信；与驱动控制装置和传感器采用现场总线网络进行通信；实现远程诊断，将数控单元集成到先进制造系统等更是必不可少的重要功能，也是现代数控系统的重要标志之一。

（7）单元功能　单元功能是指构成先进制造系统，如柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等，数控系统必须配备任务管理、托盘管理和刀具管理等功能。

3.先进功能

先进功能是中高档数控系统所拥有的、能够代表现代数控系统先进技术、为适应特殊加工需要所配备的功能。

（1）半径直接编程功能　编制数控程序通常采用相对于起点或坐标原点的坐标值来指定圆心位置。一般零件图仅标注圆弧半径，编程必须据此计算圆心坐标值，这增加了计算工作量。而半径直接编程直接指定半径实现编程。由于增加了该功能，大大方便了编程。

（2）倒角功能　一般数控系统编程中，对倒角需要专门增加一个零件加工程序段，增加了编程工作量。配置倒角功能的数控系统，可大大简化倒角处理程序。

（3）恒线速度切削功能　可自动无级调整主轴转速，保证恒定且最佳的线速度切削，以使加工表面的粗糙度保持在均衡和最佳的状态。

（4）刀尖圆弧半径补偿功能　理想刀尖是绝对尖，而实际刀具的刀尖呈圆弧形。配备刀尖圆弧自动补偿功能的数控系统可以消除编程误差，提高系统的综合精度。

（5）镜像加工功能　镜像加工也称为轴对称加工。配备镜像加工功能的数控系统，对轴对称形状的工件，只需编出一半加工程序即可，从而大大简化了编程过程。

（6）自动交换工作台功能　可控制两个工作台自动交换。缩短准备时间，提高生产效率。

（7）靠模加工与数据采集功能　数控系统可按实物实现靠模加工，数控系统必须配备数据采集系统，通过传感器（通常为电磁感应式、红外或激光扫描式）对实物模型进行测量和数据采集，并对采集到的数据进行自动处理，然后生成加工程序进行加工。

（8）动力刀具与C轴功能　车削中心的主题是数控车床，它还需具有如下三项功能：配置刀库和换刀机械手，大大增加自动选择的刀具数量；动力刀具功能，即刀架上某些刀位可使用回转刀具，如铣头或钻头，然后通过刀架的内部机构，使铣刀、钻头回转；C轴位置控制功能。一般来说，车削加工只要求主轴的无级变速，以实现恒线速度切削，而对定位分辨率和角位置控制未做要求。车削中心的C轴（指以Z轴为中心的旋转坐标轴）有很高的角度分辨率，如0.001，可按数控系统的指令做任意低速的回转运动，并能与原X、Z轴做插补运动，使车床具有三坐标两联动的轮廓加工功能。

（9）子程序与用户宏程序　在一个程序中，多次出现的程序段，可以当做子程序处理，单独命名，由主程序重复调用。宏程序功能是现代数控系统编程方面所具有的重要功能，也是其他许多先进功能的基础。宏程序的变量有公共变量、局部变量和系统变量三种，可进行加、减、乘、除、逻辑运算和高级函数运算。

（10）循环加工功能　是指数控系统制造商利用宏程序功能将常用的加工步骤复合编制成宏程序，经加密后提供给用户，供用户自由调用。利用循环加工功能可大大减少编程工作量，减少编程错误。

（11）跳步功能　是在数控加工程序不变的前提下，对指令作出执行或不执行的选择。

（12）工件自动检测功能　工件自动检测功能是工件加工好后可由安装在某一刀位上的接触式传感器探针（测头）进行机内检测、判别，并根据测量结果自动修改刀具偏差值；在加工过程中的检测被称为在线检测，是更高级的工件自动检测功能。

（13）螺纹加工中的特殊功能　螺纹加工较为复杂。许多数控系统专门增加了精密螺纹加工功能、变螺距螺纹加工功能等。

（14）同步轴控制功能　是指能使机床两个部件同步运动，如使用两台电动机驱动的重型龙门式结构。

（15）先进伺服控制功能　是指将自动控制理论中的先进控制技术应用于伺服系统中，可以改进闭环控制的性能，减少跟随误差。

（16）逆动功能　使用数控系统控制某些特种机床（如火焰切割机床等），当火焰熄火时，常需要逆动（沿原轨迹反向移动）至熄火处重新切割。

（17）比例缩放与坐标旋转功能　将程序指定的形状按一定比例放大或缩小，缩放比例一般为0.001～99.999倍。也可将程序给定的形状旋转一定的角度。

除了上述三类功能以外，还可为数控系统设置一些其他的功能，如企业和机床数据统计功能、数控加工程序管理功能等。