[科普中国]-CNC控制器

CNC(数控机床)控制器是指计算机数字控制机床(computer numerical control)的程序控制系统。能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件，这大大提高了模具加工的生产率。

简介CNC(数控机床)控制器是指计算机数字控制机床(computer numerical control)的程序控制系统。能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件，这大大提高了模具加工的生产率1。

特性1.曲线曲面的非均匀有理b样条(nurbs)插补该项技术采用沿曲线插补的方式，而不是采用一系列短直线来拟合曲线。这一技术的应用已经相当普遍。许多模具行业使用的cam软件都提供了一个选项，即生成nurbs插补格式的零件程序。同时，功能强大的cnc还提供了五轴插补功能以及与此相关的特性。这些性能提高了表面精加工的质量，改善了电机运行的平稳度，提高了切削速度，并使零件加工程序更小。

2. 更小的指令单位大多数的cnc系统向机床主轴传递运动和定位指令的单位不小于1微米。在充分利用cpu处理能力提高这一优势后，一些cnc系统的最小指令单位甚至可达到1纳米(0.000001mm)。在指令单位缩小1000倍后，可获得更高的加工精度，可使电机运行得更平稳。电机运行的平稳使得一些机床能够在床身振动不加大的前提下，以更高的加速度运行。

3. 钟形曲线加速/减速也称作为s曲线加速/减速，或爬行控制。与使用直线加速方式相比，这种方式可使机床获得更好的加速效果。与其它加速方式相比，也包括直线方式和指数方式，采用钟形曲线方式可获得更小的定位误差。

4. 待加工轨迹监控这一技术已被广泛使用，该技术具有众多性能差异，使其在低档控制系统中的工作方式与高档控制系统中的工作方式得以区别开来。总的来讲， cnc就是通过加工轨迹监控来实现对程序的预处理，以此来确保能获得更优异的加速/减速控制。根据不同的cnc的性能，待加工轨迹监控所需的程序块数量从两个到上百个不等，这主要取决于零件程序的最短加工时间和加速/减速的时间常数。一般而言，要想满足加工要求，至少需要十五个待加工轨迹监控程序块。

5. 数字伺服控制数字伺服系统的发展如此迅速，以至于大多数机床制造商都选择该系统作为机床的伺服控制系统。使用该系统后，cnc能够更及时地控制伺服系统，而且cnc对机床的控制也变得更精确。

数字伺服系统的作用如下：

1) 将提高电流环路的采样速度，再加上电流环控制的改善，从而降低电机温升。这样，不仅可以延长电机的寿命，还可以减少传递到滚珠丝杠的热量，从而提高丝杠的精度。除此之外，采样速度的加快还可以提高速度回路的增益，这些都有助于提高机床的整体性能。

2) 由于许多新的cnc使用高速序列与伺服回路相连，因此通过通讯链路，cnc可获得更多的电机和驱动装置的工作信息。这可提高机床的维护性能。

3) 连续的位置反馈允许在高速进给的情况下进行高精度的加工。cnc运算速度的加快使得位置反馈的速率成为制约机床运行速度的瓶颈。在传统的反馈方式中，随着cnc和电子设备的外部编码器的采样速度的变化，反馈速度受到信号类型的制约。采用串行反馈，这一问题将得到很好的解决。即使机床以很高的速度运行，也可达到精密的反馈精度。

6. 直线电机的工作性能和欢迎度有了显着的提高，所以很多加工中心采用了这一装置。一些先进技术使得机床上的直线电机的最大输出力为15,500n，最大加速度为30g。另一些先进技术的应用使机床的尺寸得以减小，重量得以减轻，冷却效率大为提高。所有这些技术上的进步使直线电机在与旋转电机相比时，优势更强：更高的加/减速率；更准确的定位控制，更高的刚度；更高的可靠性；内部的动态制动2。

CNC控制器的功能在这里，主要把前述数控任务所要实现的功能进行总结，以进一步分析与综合CNC控制器的硬件、软件的体系结构。

CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户按机床特点和用途可进行选择的功能，CNC通常有如下主要功能：

1、轴控制功能：此功能是指CNC可控制的和同时控制的轴数。对于数控机床运动的轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。一般数控车床只需2根同时控制轴。数控铣床、数控镗床和加工中心需要有3根或3根以上的控制轴。而同时控制的轴数按用途不同可以是2轴或3轴等。在加工空间曲面的数控机床则需要3根以上的同时控制轴。控制轴数越多，尤其是同时控制轴数越多，CNC控制器就越复杂，多轴联动的零件程序编制也就越困难。

2、准备功能：准备功能也称G功能，它用来指令机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀补偿、固定循环、米英制转换等指令。用G和它后面的两位数字表述。

3、插补功能：CNC是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。由于轮廓连续控制时的实时性很强，软件插补的计算速度较难满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，以及要求CNC不断扩展其他方面的功能而减少插补计算所占用CPU时间。因此，CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补，软件每次插补一个小线段数据称为粗插补，私服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。

进行轮廓加工的零件形状，大多数是由直线和圆弧构成，有点由更复杂的曲线构成，因此有直线、圆弧、抛物线、正弦、圆筒、样条插补，实现插补运算的方法有逐点比较法，数字积分法直接函数运算法等。进给功能，根据机械加工工艺要求，CNC的进给功能用F直接指令数控机床各轴的进给速度3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学