第2章　数控机床的计算机数字控制系统

2.1　概述

按照ISO的定义，数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字。并将其译码，从而使机床移动和加工零件。计算机数控系统（简称CNC系统）是20世纪70年代发展起来的新的机床数控系统，它用一台计算机代替先前硬件数控所完成的功能。所以，它是一种包含有计算机在内的数字控制系统。其原理是根据计算机存储的控制程序进行数字控制。数控系统分轮廓控制系统和点位控制系统。轮廓控制系统比较复杂，功能齐全，有的还包括了点位控制功能的内容；点位控制系统比较简单（如钻、镗），这里主要介绍轮廓控制系统。

标准规定轮廓控制系统中两个或两个以上的数控运动按照指令进行操作，下一步要求的位置和达到那个位置需要的进给速度都由指令给定。这些进给速度彼此相对变化，从而加工出所要求的零件轮廓，这类系统都具有刀具补偿和间隙补偿等功能。

轮廓控制系统又称连续控制系统，它能控制多坐标联动的数控机床。这类数控系统的功能最全，一般也能进行点位和直线控制。

随着计算机数控系统向小型化和廉价方向发展，它的功能也不断增加和完善。增加轮廓控制（包括多坐标轮廓控制）功能，只需增加插补运算软件，几乎不增加硬件的成本。因此，除了少数专用的数控机床（如数控钻床、冲床）外，现代数控机床都具有轮廓控制功能。

2.1.1　CNC系统的组成

数控系统的核心是计算机数字控制装置（CNC装置）。CNC系统基本组成如图2-1所示。它由输入输出装置、计算机数字控制装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。现在数控装置不仅能通过读取信息载体方式，还可以通过其他方式获得数控加工程序。如通过键盘方式输入和编辑数控加工程序；通过通信方式输入其他计算机程序编辑器、自动编程器、CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。高档的数控装置本身已包含一套自动编程系统或CAD/CAM系统，只需采用键盘输入相应的信息，数控装置本身就能生成数控加工程序。

此外，现代数控系统采用可编程控制器（PLC）取代了传统的机床电器逻辑控制装置（即继电器控制电路）。

2.1.2　CNC装置的功能

CNC装置采用了微型计算机式微处理器，它靠执行存储软件来实现很多功能。CNC装置的功能通常分为两类。一类是基本功能，如控制功能、插补功能、辅助功能（M代码）、主轴速度功能、进给功能、刀具功能、准备功能（G代码）、自诊断功能、第二辅助功能等；另一类是选择功能，如固定循环功能、补偿功能、通信功能、其他的准备功能（G代码）、人机对话编程功能、图形显示功能等。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。不同类型、档次的数控机床，其CNC装置的功能有很大的不同。下面介绍一些主要功能。

① 控制功能　是指数控系统能够控制的，以及能够同时控制的轴（坐标）的数量。一般加工中心都必须对三轴或三轴以上的轴（坐标）进行控制，同时控制轴数不低于两轴（即两轴联动）。

② 主轴功能　也称主轴转速功能即S功能，它是用来指令机床主轴转速（切削速度）的功能。S功能用地址S及其后的数字来表示，目前有S2位和S4位之分。

③ 准备功能（G代码）　也称G功能（或G代码），它是用来指令机床动作方式的功能。准备功能是用地址G及其后的数字来指令机床动作。

④ 辅助功能　也称M功能，它是用来指令机床辅助动作及状态的功能。辅助功能是用地址M及其后面的数字来表示。

⑤ 刀具功能　是用来选择刀具的功能，它用地址T及其后面的数字表示。

⑥ 进给功能　是用来指令坐标轴的进给速度的功能，它用地址F及其后面的数字来表示。在ISO中规定F1～F5位。

⑦ 第二辅助功能　是用来指令工作台进行分度的功能，用地址B及其后面的三位数字来表示。

⑧ 插补功能　CNC系统通过软件进行插补。一般数控装置都有直线和圆弧插补，高档数控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、正弦插补等。

⑨ 自诊断功能　CNC装置设置了各种诊断程序，在故障出现后可迅速查明故障类型及部分，减少故障停机时间。

⑩ 固定循环功能　在CNC装置中，将一些典型的加工工序（如钻孔、镗孔、深孔钻削等）预先编入程序并存储在存储器中，形成固定循环功能。

补偿功能　一是刀具长度、刀具半径和刀尖圆弧的补偿，这些功能可以补偿刀具磨损以便换刀时对准正确位置；二是工艺量的补偿，包括坐标轴的反向间隙补偿、进给传动件的传动误差补偿如丝杠螺距补偿、进给齿条齿距误差补偿、机件的温度变形补偿等。

通信功能　CNC装置通常具有RS232接口，有的还具备DNC接口，可用数据格式输入，也可用二进制格式输入，进行高速传输。有的CNC系统还可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入通信网络，适应FMS和CIMS的要求。

总之，CNC装置的功能多种多样，并且随着技术的发展，功能越来越丰富。