数控系统的功能

一、核心功能

数控系统的核心功能包括数控加工程序解释、即和数据处理、进给轴控制和开关量控制功能。

1.数控加工程序解释功能

输入数控装置的数据有：数控加工程序、刀具数据及各种由操作者输入的操作信息。各种输入数据首先被送往数控加工程序解释器。

数控加工程序解释器有称译码器，他把各种形式的数控加工程序和输入数据译为几何数据、工艺数据和开关功能三类，并处理成统一的且易于后续处理的形式，从而，无路采用什么表征标准和编程工具产生的数控加工程序都被处理成一种或同一类控制信息。数控加工程序解释器还具有句法分析功能，能对数控加工程序进行正确性检查。

数控加工程序解释器为几何数据处理模块提供了每个数控加工程序段所要求的轨迹运动位置信息（如终点坐标等）、要求的运动方式（如直线或圆弧运动）和需要的进给速度，并将诸如刀具交换和工件转卡等开关功能直接送到相应机床电器控制部分（一般是可编程控制器plc）。

2.几何数据处理功能

几何数据处理包括数控加工程序段的几何变换、补偿计算、速度预计算和插补计算等程序。各个程序的执行顺序和实现方法可不同。

几何变换和补偿计算程序是为了使数控加工程序编制过程能相对独立，不用事先考虑实际使用的机床类型和刀具几何尺寸而设计的。在数控系统中允许采用多种坐标系，要求操作者在加工前，工件转卡后，输入工件零点（编程零点）相对机床零点的偏移量，坐标几何变换程序确定各种坐标系下的坐标值与机床坐标系的关系。实际所采用刀具的几何尺寸各异，当操作者在加工前输入了实际使用的刀具参数（如刀具长度和刀具半径）后，应使刀架相关点按刀具参数相对编程轨迹进行偏移，即进行所谓刀具补偿，补偿计算程序完成各种刀具补偿所需的计算；另外，补偿计算程序还必须协调数控装置外部随机的、动态的影响，如：操作者利用机床操作面板上的旋转开关，对进给速度和主轴转速的修正（一般修正速度为编程速度的0—150%，有些可达200%），以及由随机负载或机床结构的热变形等造成的影响。

插补处理的任务，包括插补计算和按一定速度的插补输出，插补计算是在一个加工程序段轨迹的起、终点之间，进行中间点的计算，分别向各个坐标轴发出方向、大小都确定的协调的运动系列命令，通过各个轴运动的合成，产生数控加工程序段要求的运动轨迹。安插部曲线分，插补处理由简单的直线插补和圆弧插补算法，还有复杂的其它函数曲线及样条曲线插补算法。根据曲线的基点（起、终点）插补出的轨迹与要求的轨迹相比，误差不能超过一定的容差范围，这一点从插补计算的角度是能够做到的，但插补的结果还应以确定的速度输出给各个坐标轴，为保证在运行速度影响下的轨迹精度，需要专门的速度预计算程序进行处理。

速度预计算程序进行轨迹运行的自动加减速处理，使插补速度命令与系统实际的加速度相适应，当出现大的速度变化时（如：在绕行小圆弧）时，因受系统动态性能影响，系统难以跟踪给定的轨迹，此时速度预计算程序自动取消数控加工程序给定的轨迹速度，以便保证轨迹精度。更好的速度预计算程序具有超前功能（Look-Ahead-Function)，它预先分析多个数控加工程序段，进行相应速度预计算和处理。

数控加工程序的译码、在插补计算开始前进行的几何数据处理和速度与计算等统称为数控加工程序的预处理。插补计算程序又称为插补器。

3.进给轴控制功能

几何数据处理功能提供的位置指令和速度指令被送往每一个进给轴单元，作为各个进给轴调节器的输入。在进给轴控制器中，位置环一般采用比例P调节器，转速调节器以位置环的输出为输入，通常采用PI或PID调节器，而电动机的电流环常采用P或PI调节器。在多数数控系统中，位置调节器多用数控装置内部的数字调节器形式实现，而速度和电流调节器仍以模拟调节器形式实现。由于人们偏爱功能不断增强且价格便宜的数字信号处理装置，在新的伺服模块中，速度调节器也越来越多地用数字技术实现，少数电流调节器也以数字形式来实现了。

4.开关量控制功能

各种开关量控制功能由机床电器控制器实现，现在该机床电器控制器一般是可编程控制器（PLC）。此外，以上描述的数控系统内部的信息流（即从对输入信息的解释，直到向各个进给轴单元的输出）可以出现在任意一个数控通道中，在每一个数控通道中，多个轴（包括主轴）运行与异步和同步方式，多个数控通道可分为几个运行组。PLC处完成换到专职控制和工件转卡等开关功能外，各个相关或不相关的数控通道的同步也由它实现，此外，它还能实现一些机床状态的监测和诊断功能，如，一般开关功能应和几何数据的处理相同步、如正使用的刀具的几何语句未执行完时，PLC不能执行换刀命令。

二、可选功能

除了已描述的核心功能外，因机床制造厂和数控机床的使用者的要求，在数控系统总还集成了许多附加的可选功能，这些功能不仅在现场造作和编程等方面提是在制造系同高了数控过程和操作的方便和舒适性，而且还拓宽了数控系统的适用范围，是在制造系统中实现制造单元的集成成为可能。

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，鉴于价格和功能方面的考虑，这些编程工具可以是简单的手工编程系统、自动编程系统及面面向车间的编程WOP（workshop Oriented Programming)系统。自动编程系统用计算机代替手工编程系统，编程员根据被加工零件的几何图形和工艺要求，用自动编程语言写源程序输入计算机，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.图形支持的加工模拟

数控系统在不启动机床的情况下，可在显示器上进行各种加工过程的图形模拟，特别是对难以观察的内部加工及被切屑液等挡住部分的观察，编程者可利用图形模拟功能检查和优化所编数控加工程序，减少机床的准备时间。图形加工模拟器由二维和三维图形模拟器之分。

使用图形加工模拟器由两个目的，其一，检查在加工运动中和换刀过程中是否会出现碰撞及刀具干涉，并检查工件的轮廓和尺寸是否正确；其二，识别不必要的加工运动（如空切削），将其去掉或改为快速运动，减少加工时间。

使用与数控装置相连的首轮进行操作时，也可以用图形加工模拟器实时观察数控系统的运行状况。功能强的图形加工模拟器还用需通过修改机床和刀具参数，进行不同机床、不同刀具的加工模拟。

必须指出：一般情况下，利用图形加工模拟器不能对数控加工程序进行工艺分析（如判断切削量是否合适，并对其进行优化等），它只能通过实际切削来分析。

3.监测和诊断功能

为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。这种功能可以直接置于数控装置的控制程序中，也可为附加的、可直接执行的功能模块形式。监测和诊断功能可以对机床进行，如对机床的动态运行、几何精度和润滑状态的检查处理；对数控系统本身的硬件和软件进行，如数控系统硬件配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部分功能及各软件功能的检查处理；还可以对加工过程进行，如对刀具磨损、刀具断裂、工件储存和表面质量的检查处理。

对数控系统进行完全的监测和诊断是很复杂的，需要通过几个或多个监测和诊断功能模块的运行及硬件的配合才能进行故障定位。

4.测量和校正功能

机床机械精度不足、机械结构受温度影响、刀具磨损、还有一些随机因素多会导致加工位置的变化。对经常变化的量，如工件的夹紧装置（夹紧公差）、刀具磨损和受温度影响导致的主轴伸长等，可借助于测量装置、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。对随机的误差，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.用户界面

用户界面是数控系统与其使用者之间的界面，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：屏幕、开关、按键、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。数控系统应为用户提供尽可能多的自由性，使系统适应性强，灵活多变。如：要使所购置的数控系统时应具体的机床，可利用用户界面对数控系统进行应用性构造，即，将运动轴、主轴、手轮、测量系统、调节环参数、插补方式、速度和加速度等配置和规定已参数形式置入数控系统；利用用户界面，可使数控装置的控制也具有可编程性，具体表现在，机床运动软极限开关的设置受控的换向操作，多个主轴准停位置的定义等。

用户界面的适应性是一个数控系统的质量和开放性的标志。

6.通信功能

数控装置能够与可编程控制器进行通信，对驱动装置和传感器可采用现场总线网实现通信连接，远程诊断也需要通过通信的方式实现，要将数控单元集成到先进制造系统中、通信也起着重要的作用，例如可以通过MAP/MMS（制造自动化协议/制造报文规范）支持的网络来实现。

7.单元功能

为提高生产率，并使各个设备的得到充分的利用要求制造系统中各种机床和设备相互紧密配合，为此可采用先进的制造系统。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，为适应先进制造系统，可为数控机床配置单元功能，即为其配置任务管理、托盘管理和刀具管理功能。

8. 其它功能

除了上述各功能外，在数控系统中还有一些其它的功能，如企业和机床数据统计功能、数控加工程序管理器功能等。

若将企业和机床数据统计软件集成到数控系统中，可使数控系统的功能范围得到扩展。统计数据分为任务数据（任务期限、设备时间、件数和废品率等）、人员数据（出勤情况和工作时间等）以及机床数据（生产时间、停机时间、故障原因和故障时间等），通过统计数据的应用，能初步分析管理和加工的情况。

在数控系统中还可以集成数控加工程序管理器，台进行数控加工主程序和子程序信息（程序号、程序版本、程序状态、运行时间等）的管理，提供工件加工必要的配备需求（如刀具、设备和测量手段等），为某种工件的加工作准备。