CNC控制器介紹

　　CNC技術(shù)的發(fā)展相當迅速，這大大提高了模具加工的生產(chǎn)率，其中運算速度更快捷的CPU是CNC技術(shù)發(fā)展的核心。CPU的改進不僅僅是運算速度的提高，而且速度本身也涉及到了其它方面CNC技術(shù)的改進。正因為近幾年CNC技術(shù)發(fā)生了如此大的變化，才值得我們對當前CNC技術(shù)在模具制造業(yè)的應(yīng)用情況作一個綜述。 

　　程序塊處理時間及其它由于CPU處理速度的提高，以及CNC制造商將高速度CPU應(yīng)用到高度集成化的CNC系統(tǒng)中， CNC的性能有了顯著的改善。反應(yīng)更快、更靈敏的系統(tǒng)實現(xiàn)的不僅僅是更高的程序處理速度。事實上，一個能夠以相當高的速度處理零件加工程序的系統(tǒng)在運行過程中也有可能象一個低速處理系統(tǒng)，因為即使是功能完備的CNC系統(tǒng)也存在著一些潛在的問題，這些問題有可能成為限制加工速度的瓶頸。 

　　目前大多數(shù)模具廠都意識到高速加工需要的不僅僅是較短的加工程序處理時間。在很多方面，這種情況和賽車的駕駛很相似。速度最快的賽車就一定能贏得比賽嗎？即使是一個偶爾才觀看車賽的觀眾都知道除速度以外，還有許多因素影響著比賽的結(jié)果。 

　　首先，車手對于賽道的了解程度很重要：他必須知道何處有急轉(zhuǎn)彎，以便能恰如其分地減速，從而安全高效地通過彎道。在采用高進給速度加工模具的過程中，CNC中的待加工軌跡監(jiān)控技術(shù)可預(yù)先獲取銳曲線出現(xiàn)的信息，這一功能起著同樣的作用。 

　　同樣的，車手對其他車手動作以及不可確定因素的反應(yīng)靈敏程度與CNC中的伺服反饋的次數(shù)類似。CNC中伺服反饋主要包括位置反饋、速度反饋和電流反饋。 
　　當車手駕車繞賽道行駛時，動作的連貫性，能否熟練地剎車、加速等對車手的臨場表現(xiàn)有著非常重要的影響。同樣地，CNC系統(tǒng)的鐘形加速/減速和待加工軌跡監(jiān)控功能利用緩慢加速/減速來代替突然變速，以保證機床的平穩(wěn)加速。 

　　除此以外，賽車和CNC系統(tǒng)還有其它相似的地方。賽車發(fā)動機的功率類似于CNC的驅(qū)動裝置和電機，賽車的重量可以和機床中運動構(gòu)件的重量相提并論，賽車的剛度和強度則類似于機床的強度和剛度。CNC修正特定路徑誤差的能力與車手具備的將賽車控制在車道內(nèi)的能力極其相似。 
　　 另一個與目前CNC相似的情況是，那些速度不是最快的賽車往往需要技術(shù)全面的車手。過去只有高檔的CNC才能在高速切削的同時保證較高的加工精度。如今，中、低檔的CNC所具備的功能也有可能令人滿意地完成工作。雖然高檔CNC具備目前所能獲得的最佳性能，但也存在著這種可能，即你所使用的低檔CNC具有與同類產(chǎn)品中高檔CNC一樣的加工特性。過去，限制模具加工最高進給速度的因素是CNC，今天則是機床的機械結(jié)構(gòu)。在機床已處于性能極限的情況下，更好的CNC也不會使性能再提高。

　　CNC系統(tǒng)的內(nèi)在特性 
　　以下是目前模具加工過程中的一些基本的CNC特性：

　　1. 曲線曲面的非均勻有理B樣條(NURBS)插補 

　　該項技術(shù)采用沿曲線插補的方式，而不是采用一系列短直線來擬合曲線。這一技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當普遍。許多模具行業(yè)目前使用的CAM軟件都提供了一個選項，即生成NURBS插補格式的零件程序。同時，功能強大的CNC還提供了五軸插補功能以及與此相關(guān)的特性。這些性能提高了表面精加工的質(zhì)量，改善了電機運行的平穩(wěn)度，提高了切削速度，并使零件加工程序更小。

　　2. 更小的指令單位 

　　大多數(shù)的CNC系統(tǒng)向機床主軸傳遞運動和定位指令的單位不小于1微米。在充分利用CPU處理能力提高這一優(yōu)勢后，一些CNC系統(tǒng)的最小指令單位甚至可達到1納米(0.000001mm)。在指令單位縮小1000倍后，可獲得更高的加工精度，可使電機運行得更平穩(wěn)。電機運行的平穩(wěn)使得一些機床能夠在床身振動不加大的前提下，以更高的加速度運行。

　　3. 鐘形曲線加速/減速 

　　也稱作為S曲線加速/減速，或爬行控制。與使用直線加速方式相比，這種方式可使機床獲得更好的加速效果。與其它加速方式相比，也包括直線方式和指數(shù)方式，采用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤差。

　　4. 待加工軌跡監(jiān)控 
　　這一技術(shù)已被廣泛使用，該技術(shù)具有眾多性能差異，使其在低檔控制系統(tǒng)中的工作方式與高檔控制系統(tǒng)中的工作方式得以區(qū)別開來?？偟膩碇v， CNC就是通過加工軌跡監(jiān)控來實現(xiàn)對程序的預(yù)處理，以此來確保能獲得更優(yōu)異的加速/減速控制。根據(jù)不同的CNC的性能，待加工軌跡監(jiān)控所需的程序塊數(shù)量從兩個到上百個不等，這主要取決于零件程序的最短加工時間和加速/減速的時間常數(shù)。一般而言，要想滿足加工要求，至少需要十五個待加工軌跡監(jiān)控程序塊。

　　5. 數(shù)字伺服控制 
　　數(shù)字伺服系統(tǒng)的發(fā)展如此迅速，以至于大多數(shù)機床制造商都選擇該系統(tǒng)作為機床的伺服控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)后，CNC能夠更及時地控制伺服系統(tǒng)，而且CNC對機床的控制也變得更精確。

　　數(shù)字伺服系統(tǒng)的作用如下： 

　　1) 將提高電流環(huán)路的采樣速度，再加上電流環(huán)控制的改善，從而降低電機溫升。這樣，不僅可以延長電機的壽命，還可以減少傳遞到滾珠絲杠的熱量，從而提高絲杠的精度。除此之外，采樣速度的加快還可以提高速度回路的增益，這些都有助于提高機床的整體性能。 
　　2) 由于許多新的CNC使用高速序列與伺服回路相連，因此通過通訊鏈路，CNC可獲得更多的電機和驅(qū)動裝置的工作信息。這可提高機床的維護性能。 
　　 3) 連續(xù)的位置反饋允許在高速進給的情況下進行高精度的加工。CNC運算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機床運行速度的瓶頸。在傳統(tǒng)的反饋方式中，隨著CNC和電子設(shè)備的外部編碼器的采樣速度的變化，反饋速度受到信號類型的制約。采用串行反饋，這一問題將得到很好的解決。即使機床以很高的速度運行，也可達到精密的反饋精度。

　　6. 直線電機 
　　近幾年來，直線電機的工作性能和歡迎度有了顯著的提高，所以很多加工中心采用了這一裝置。至今，F(xiàn)anuc公司至少已經(jīng)安裝了1000臺直線電機。GE Fanuc的一些先進技術(shù)使得機床上的直線電機的最大輸出力為15,500N，最大加速度為30g。另一些先進技術(shù)的應(yīng)用使機床的尺寸得以減小，重量得以減輕，冷卻效率大為提高。所有這些技術(shù)上的進步使直線電機在與旋轉(zhuǎn)電機相比時，優(yōu)勢更強：更高的加/減速率；更準確的定位控制，更高的剛度；更高的可靠性；內(nèi)部的動態(tài)制動。

　　外部附加特性：開放式CNC系統(tǒng) 
　　采用開放式 CNC系統(tǒng)的機床發(fā)展非常迅速。目前可供選擇的通訊系統(tǒng)的通訊速度都較高，因而出現(xiàn)多種類型的開放式CNC結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)的開放式系統(tǒng)將標準的PC機的開放性與傳統(tǒng)CNC的功能相結(jié)合。這樣做最大的好處在于：即使機床的硬件已經(jīng)過時，開放式的CNC仍然允許其性能隨現(xiàn)有技術(shù)和加工要求改變。借助于其它軟件，還可以向開放式CNC中添加其它功能。這些性能可以是與模具加工密切相關(guān)的，也可以是與模具加工關(guān)系不大的。通常情況下，模具車間使用的開放式CNC系統(tǒng)具有以下這些常用的功能選擇： 

　　價格低廉的網(wǎng)絡(luò)通訊； 
　　以太網(wǎng)； 
　　自適應(yīng)控制功能； 
　　保存和編輯大量零件程序的功能； 
　　存儲程序控制信息的采集；      
　　文件處理功能；
　　CAD/CAM技術(shù)的集成和車間規(guī)劃； 
　　 通用的操作界面。 
　　最后一點極為重要。因為模具加工對操作簡單的CNC 的需求越來越大。在這個概念中，最重要就是不同的CNC具有相同的操作界面。就一般情況而言，不同機床的操作人員必須分開培訓(xùn)，因為不同類型的機床，以及不同制造商生產(chǎn)的機床使用的CNC界面都不相同。開放式CNC系統(tǒng)為整個車間使用同一個CNC控制界面創(chuàng)造了機會。 
　　現(xiàn)在，機床的所有者即使不懂C語言，也可以為CNC操作設(shè)計自己的界面了。此外，開放式系統(tǒng)的控制器允許根據(jù)個人的需要，設(shè)定不同的機器運轉(zhuǎn)方式。這樣操作者、編程人員和維修者可按自己的要求進行設(shè)置。在使用時，屏幕上只出現(xiàn)他們需要的特定信息。采用這樣的方式可減少不必要的頁面顯示，有助于簡化CNC操作。

　　五軸加工 
　　在制造復(fù)雜模具的過程中，五軸加工的應(yīng)用變得越來越廣。使用五軸加工，可以減少加工一個零件所需的工裝或/和機床的數(shù)量，加工過程所需的設(shè)備數(shù)量將被減至最低，與此同時也降低了總的加工時間。CNC的功能越來越強，這使得CNC制造商能夠提供更多的五軸特性。 
　　從前只有高檔CNC才具備的功能，如今也被用在中檔產(chǎn)品上。對于那些從未使用過五軸加工技術(shù)的廠家而言，這些特性的應(yīng)用使得五軸加工變得更簡單。將目前的CNC技術(shù)用于五軸加工，使得五軸加工具備以下優(yōu)勢： 

　　減少專用工具的需求； 
　　允許在完成零件程序后再設(shè)定刀具的偏置； 
　　支持通用程序的設(shè)計，這樣經(jīng)過后處理的程序可以在不同機床之間互換使用； 
　　提高精加工的質(zhì)量； 
　　可用于不同結(jié)構(gòu)的機床，這樣就不必在程序中說明是主軸還是工件在繞中心點轉(zhuǎn)動。因為這將由CNC 的參數(shù)來解決。 
　　我們可以用球形銑刀的補償?shù)睦觼碚f明為何五軸特別適用于模具加工。在零件和刀具繞中樞軸旋轉(zhuǎn)時，為了準確地補償球形銑刀的偏置，CNC必須能夠在X、Y、Z三個方向動態(tài)地調(diào)整刀具的補償量。保證刀具切觸點的連續(xù)，有利于提高精加工的質(zhì)量。 
　　此外，五軸CNC的用途還表現(xiàn)在：與繞主軸旋轉(zhuǎn)刀具相關(guān)的特性，與繞主軸旋轉(zhuǎn)零件相關(guān)的特性，以及允許操作者采用手動方式改變刀具矢量的特性。 
　　當采用刀具的中軸線作為回轉(zhuǎn)軸線時，原來Z軸方向的刀具長度偏置將被分成X、Y、Z三個方向的分量。另外，原來X、Y軸方向的工具直徑偏置也被分為X、Y、Z軸三個方向的分量。 由于在切削工程中，刀具可以沿旋轉(zhuǎn)軸方向做進給運動，所有這些偏置必須動態(tài)更新，以便說明連續(xù)變化的刀具的方位。 
　　CNC另一項被稱為“刀具中心點編程”的特性，允許編程人員定義刀具的路徑和中心點速度，CNC通過旋轉(zhuǎn)軸和直線軸方向的命令來保證刀具按照程序運動。這一特性使得刀具的中心點不再隨刀具的變化而變化，這也意味著：在五軸加工中可以象三軸加工一樣直接輸入刀具的偏置，還可以通過再一次后置程序來說明刀具長度的改變。這種通過使主軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的運動特性簡化了刀具的編程后置處理。 

　　利用同樣的功能，使工件繞中樞軸旋，機床也可以獲得旋轉(zhuǎn)運動。新研制的CNC能夠通過動態(tài)地調(diào)整固定偏置和旋轉(zhuǎn)坐標軸來配合零件的運動。當操作人員采用手動方式來實現(xiàn)機床的慢速進給時，CNC系統(tǒng)同樣起著重要的作用。新研制的CNC系統(tǒng)同樣允許軸沿著刀具向量的方向緩慢進給，在沒有刀尖位置變化的前提下，還允許改變刀尖向量的方向(參看上面的插圖)。 
　　這些特性使得操作人員在使用五軸加工機床的過程中，能夠很容易地使用目前在模具業(yè)廣泛使用的3+2編程法。然而，隨著新的五軸加工功能的逐漸發(fā)展和這種功能逐浙被接受，真正的五軸模具加工機床可能會更普遍 

　　數(shù)控機床是按照事先編制好的加工程序，自動地對被加工零件進行加工。我們把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)、刀具的運動軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進給量、背吃刀量等)以及輔助功能(換刀、主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、切削液開、關(guān)等)，按照數(shù)控機床規(guī)定的指令代碼及程序格式編寫成加工程序單，再把這程序單中的內(nèi)容記錄在控制介質(zhì)上(如穿孔紙帶、磁帶、磁盤、磁泡存儲器)，然后輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中，從而指揮機床加工零件。 

　　這種從零件圖的分析到制成控制介質(zhì)的全部過程叫數(shù)控程序的編制。數(shù)控機床與普通機床加工零件的區(qū)別在于控機床是按照程序自動加工零件，而普通機床要由人來操作，我們只要改變控制機床動作的程序就可以達到加工不同零件的目的。因此，數(shù)控機床特別適用于加工小批量且形狀復(fù)雜要求精度高的零件 
　　由于數(shù)控機床要按照程序來加工零件，編程人員編制好程序以后，輸入到數(shù)控裝置中來指揮機床工作。程序的輸入是通過控制介質(zhì)來的。