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  。

以下是目前模具加工过程中的一些基本的CNC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。许多模具行业目前使用的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. 直线电机近几年来,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。至今,Fanuc公司至少已经安装了1000台直线电机。GE Fanuc的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。

1、多坐标、多系统控制

比如 FANUC 最新的高档控制器11S30i ―MODEL A 系统, 最大控制系统数为 10 个系统(通道), 最多轴数和最大主轴配置数为 40 轴, 其中进给轴32 轴, 主轴为 8 轴, 最大同时控制轴数为 24 轴/ 系统。 最大 PMC 系统为 3 个系统。 最大I/ O 点数为 4096 点/ 4096 点, PMC 基本命令速度为 25ns。 最大可预读程序段: 1000 段。 这是当前世界配置最高的数控系统。 由于具有多轴多系统配置, 因此特别适合大型自动机床, 复合机床, 多头机床等的需要。

2、高精、高速加工功能

这是CNC 系统最重要的功能, 由于有了这个功能, 使制造技术(MT)大大地向前发展了。 数控机床采用计算机控制, 可以保证加工的零件具有很高的精度重复性。 但为了得到一定的功能, 输入控制器的信号要经过一系列处理, 不可避免地要失真、 延时。 因此在高速加工时, 要保持高的加工精度就要采取一定的措施减少失真、 延时。 高精、 高速的加工, 除了机械设计和制造要保证能实现目标外, 对CNC 系统的要求主要是处理速度快、 控制精度高。 采用前馈控制, 以补偿由于伺服滞后所产生的误差, 提高加工精度。 适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少加减速滞后所产生的误差。 “前瞻” 控制在程序执行前对运动数据进行计算、 处理和多段缓冲, 从而控制刀具按高速运动, 而且误差很小。 对于机床平滑运行的高精度轮廓控制, 采用对指令形式的实时识别, 可以最佳地控制速度、 加速度和加加速度, 因而使加工总是保持在最佳状态。 为了防止扰动, 开发数字滤波器的技术, 以消除机械的谐振, 提高伺服系统的位置增益。 高精进给和主轴的伺服系统对高速、 高精和高效十分重要。 目前主要从以下几方面提高其性能。 减少电机和驱动器以及控制单元的大小, 提高编码器的分辨率; 直线移动轴可以来用直线伺服电机驱动; 减少机械传动链, 提高刚度, 提高精度。 当主轴电机采用同步电机时, 它非常适用于齿轮机床的系统, 齿轮机床有时需要很低的主轴速度, 但精度很高。 比如, FANUC 伺服电机的设计体积小, 采用高增益控制, 伺服电机是无齿槽效应的电机, 带有1. 6xlo’ 脉冲/ 转分辨率的编码器。 伺服控制采用交流数字伺服控制, 具有很高电流检测精度, 采用相应的硬件, 可以产生所谓“纳米控制” , 也就是在系统检测分辨率为 1 岭m 时, 插补分辨率可以达到1nm; 它使在CNC 内部的计算误差最小化, 每次内部计算以纳米或更小的单位, 大大提高了加工的质量。 对于控制直线电机, 设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振特性, 联合这些功能,机床刀具的运动就可以准确地按照着指令执行。 对于加工具有自由曲面的模具, 会在程序段之间出现条纹,为了解决这个问题, FANUC 开发了“纳米平滑” 功能, 圆整CNC 指令的公差, 以“纳米” 为单位评估原始曲线, 并对其进行NURBS 插补。 这些性能满足了机床“高速高精” 以及“低速高精” 的要求。

3、轴加工和复杂加工功能

由于5 轴加工工艺合理, 相对于3 维曲面加工, 它可以充分利用刀具的最佳几何形状进行切削, 在复杂形状的高速高精加工中可以提高效率, 提高光洁度。 因此得到越来越广泛的应用。 5 轴加工的机械其配置主要有刀具旋转方式、 工作台旋转方式和这两种的混合方式。 因此5 轴加工功能要能满足各种配置的要求。根据5 轴加工的特点, 把它们, 比如 TCP(刀具中心控制) , 刀具半径补偿等功能, 应用到不同机械配置的 5 轴加工机床。

4、数控复台功能

为了提高生产率, 数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势。 复合加工机床是指在同一机械上可以进行多种工艺的加工, 如在一台机床上可以进行车加工、 铣加工、 锤加工等, 比如, 一个圆柱体要进行圆柱表面的车削、 锤子L、 还要求在圆柱面上铣沟槽, 这些加工都要求在同一台数控机床上完成。 这样就能大大提高生产率。 因此, 对于数控复合机床, 百先需要增加可以用于进行复合加工功能的控制系统, 比如铣床需要增加螺锥线功能、 螺旋线功能、 3 维圆弧功能、 刀具中心点控制等, 另外, 刀具补偿功能也需要既有车加工又有铣加工的功能。 除此以外, 这种机床还经常需要高速加工。 为了通过PC 或数控系统本身对多台机床进行集中监控和管理, 系统需要通过网络进行通信。 以便传递程序, 监控加工状态。 除此以外, 网络功能还可以传送维修数据, 对系统进行远程控制、 操作和诊断; 传送 CAD/ CAM 数据。 CNC 具有现场通信网络功能, 就可以在CNC 与伺服装置之间, CNC 与 I/ o 控制之间传递控制、 监控和诊断数据。 目前主要采用以太网以及现场总线。 随着技术的发展, 应用无线技术也已经出现。无线技术可以使信息到达几乎是任何地方。

6、高可靠性和安全性功能

CNC 系统与数控机床一起, 工作在底层车间, 经受恶劣的环境, 如: 温度, 湿度, 振动, 油雾, 粉尘的影响, 同时又要求连续工作; 因此对可靠性要求特别高, 除了可靠性设计、 制造工艺等措施外, 现代数控系统的可靠性主要采取以下措施: ①采用光纤, 减少电缆连接, 比如 FANUC 的数控系统通过光纤连接 CNC 和伺服放大器, 以串行高速的方式从CNC 到多个伺服放大器传递大量的数据。 ②采用纠错码(ECC: EnorCorrecting Code) 传送数据, 随着软件高速处理大量数据, 也要求对微处理器、 存储器和 LSI 的处理速度大大提高。 由于这些安装在CNC 的印刷板上的高速电子元器件进行高速读、 写和传递数据时, 由 IC 驱动的信号波形变为滞后, 在这样的状况下, 不采用模拟电路处理的方法时, 导致不能正确地传递数字信号。另外, 在最新电子元件低压供电时, 降低了电路低抗噪音的运行范围。 为此, CNC 电路将采取更先进的纠错码传递数据。 ECC 是一种领前的高可靠性技术, 通过把ECC 加到数据上以传送各种不同型式的数据, 使系统更可靠。 ②采用双检安全(Dual Check Sa 缸y) 措施。 “双检安全” 与欧洲安全标准(EN954―1) 一致。 它的原理是在CNC 内嵌人多个处理器冗余地监控伺服电机和主轴电机以及与安全相关的 I/ 0 信号并使用急停与相关的 I/ 0 电路使系统安全地运行和停止。

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  。