编者按：北京航天数控系统有限公司(以下简称航天数控)隶属于航天长峰股份有限公司，是国家定点机床数控系统研发中心和产业化基地、北京市新技术产业开发试验区高新技术企业，主要从事机床数控系统及其配套产品的设计、开发、生产、销售和服务，机床数控化改造工程。

   十多年来，航天数控充分发挥航天工业的高技术优势，相继开发了高、中、低档次的多个系列的产品，功能覆盖了车床、铣床、加工中心、磨床、火焰切割机等控制系统，广泛应用于军工、船舶、汽车、航空、航天、造纸、建筑等各领域。目前，公司产品已遍及20多个省、市、自治区，并远销阿根廷、马来西亚、泰国、俄罗斯等国，取得了良好的经济效益和社会效益。

2．CASNUC2100系统硬件结构示意图

3．系统特点

    (9)小线段加工速度达2m/min。

5．典型应用

    (1)典型应用1  CASNUC 2100M数控系统。CAS-NUC NUC 2100M数控系统主要功能有：1)控制轴数：2～8轴。2)同时控制轴数：3轴、4轴、5轴。3)最小输入增量：0.001mm。4)最小输出增量：0.001mm。5)最大编程尺寸：0至±99999.999mm。6)编程容量：14MB，可以扩大至256MB。7)通信：RS-232通信最高速度115200bit/s。8)DNC功能。9)小线段加工速度达2m/min。10)刀库管理，最大99把刀。11)内置式PLC功能。12)系统定时功能实时时钟。13)刀具补偿功能。

    (2)典型应用2  异型螺杆专用系统简介。螺杆铣数控系统是用于螺杆加工的专用系统，它是在2100M数控系统原有软、硬件的基础之上，增加了抛物线插补、手轮插入等功能而研制而成的。

    该系统有X、Z、C三个伺服进给轴，其中：工件旋转定义为C轴，刀具水平方向移动定义为Z轴，刀具垂直方向移动定义为X轴。

    该系统的变深变螺距螺杆加工功能及简单的编程方式是该系统最突出的特点。变螺距螺杆加工功能是在刀具沿Z轴移动的过程中，螺杆的螺距按逐渐增大或逐渐减小的规律变化。

    变深变螺距螺杆加工功能是在变螺距螺杆加工功能的同时，螺杆的深度也同时变化，这样一来，通过联动关系能加工出即具有变宽又具有变深的螺杆。

    为了在螺杆加工过程中，对螺杆的螺棱进行修正，该系统还具有手轮插入功能。该功能不需要停止螺杆加工，只需要选择了被移动的轴和适当的倍率，实时地摇动手轮即可移动被选择的轴，使加工的螺杆轨迹发生偏移，完成螺棱修正。

    (3)典型应用3　玻璃雕刻专用系统简介。玻璃雕刻专用系统主要性能、功能有：1)可控制轴数：6轴。2)同步轴数：2轴。3)联动轴数：4轴。4)主轴准停定位功能。5)砂轮压力检测功能。6)砂轮磨损手动补偿功能。7)砂轮磨损动态自动补偿功能。8)砂轮磨损线性自动补偿功能。9)刀库数据管理功能。 10)平行轴同步偏差检测、补偿功能。11)配有CAD/CAM设计软件功能。12)具有自动/手动换刀功能。13)设备故障报警功能。14)砂轮尺寸检测功能。15)砂轮过小报警功能。

    (4)典型应用4  钻铣床控制系统。航天数控在标准铣床控制软件基础上开发的带有学习示教功能的钻铣床控制系统，其主要特点有：1)在手动方式下，手动操作机床，系统自动记录加工位置并生成加工程序。2)退出手动方式，进入到自动方式中调入该程序自动加工。

    (5)典型应用5　火焰切割机数控系统。火焰切割机主要用于平板钢材切割。其数控系统能完成引燃、预热、标记、切割等动作，在切割不理想时还可进行原轨迹回退操作，完成切割任务。火焰切割机一般为两轴联动控制，根据切割机床要求，还可增加一控制轴进行同步轴控制。

    (6)其他应用领域　1)地铁风扇换向器片自动检测加工系统。2)瓷套修坯机数控装置。3)4轴机器人控制系统。4)4轴激光表面处理控制系统。

6．CASNUC 2100e一体化数控系统

    (1)系统简介  北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统是一个将PCl04板嵌入到控制系统中的一体化的车/铣床闭环数控系统。该系统是将控制系统、显示而板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装；彩色LCD显示，具有功能全面、性能可靠、连接简单、性价比高等优点。CASUNC 2100e数控系统适用于车床、铣床、钻床、磨床等4轴以下的机械设备控制。

    (2)系统特点：

    ①一体化  CASNUC 2100e数控系统是一个将PCl04板嵌入到控制系统中的一体化车/铣床数控系统，控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装。

    ②高可靠性  系统采用的PCl04板具有板载表贴内存、低功耗、不使用风扇等特点，将PCl04板嵌入到控制系统中减少了很多连接环节，系统可靠稳定，具有良好的电磁兼容、抗串扰能力设计。

    ③操作简单  系统采用中文菜单，人性化界面；参数界面带有中文提示，中文报警提示，操作面板按键中文标识，使其操作更加简单、方便等。

    (3)系统性能  1)控制轴数：系统最多可控制4个轴(含主轴)。2)联动轴数：系统联动。轴数：2～4轴。3)主轴控制：可连接主轴伺服、变频器。4)显示部件：彩色 LCD显示。5)键盘：微机兼容防水键盘(字母、数字)。6)手轮/手持盒：一个与手持器共用的手轮接口和8个输入点的手持盒(选件)。7)输入、输出控制：20路输入点、11路输出点(标准配置)。最大32路输入点、最大24路输出点(选件)。8)存储器控制：14MB(标配)；最大可选配：256MB。9)通信：RS-232通信最高速度115 200 bit/s。10)DNC功能。11)小线段加工速度可达2m/min。

二、航天DSSU系列全数字化主轴控制单元

    DSSU系列全数字化主轴控制单元是北京航天数控系统有限公司通过国际合作的方式开发研制出的全数字交流主轴控制单元。产品技术先进、功能强大、控制精确、使用灵活、稳定可靠，达到了国际先进水平，具有较高的性能价格比。产品同时适用于同步交流电动机的控制和异步交流电动机的控制。产品如附图所示。

1．产品特点

    (1)采用高性能的专业芯片组，使系统的处理能力得到充分保证。

    (2)采用全数字式矢量控制，使电动机控制更加精确、稳定。

    (3)采用多重保护和冗余设计，产品更加可靠。

    (4)通过软件设置可同时适用于交流同步电动机和交流异步电动机的控制。

    (5)使用380V三相交流电源直接供电。

    (6)体积小、噪声低、抗干扰能力强。

    (7)接口丰富、功能齐全、操作方便。

    (8)可应用于数控机床主轴、进给轴以及需要位置控制和速度控制的运动控制领域。

    (9)产品系列丰富：涵盖3.5kW到22kW多种功率的电动机伺服控制产品。

2．关键技术

    DSSU系列全数字化交流主轴控制单元采用了一些关键技术，正是这些关键技术保证了产品的自主特性。下面简要地介绍一下这些技术。

    (1)系统强电上电：大功率伺服单元一般都需要对三相交流电进行整流和滤波，滤波是通过电容实现的。上电时需对电容充电，传统的做法是通过继电器加充电电阻实现开电瞬问的电容充电。通过晶闸管逐步开通一相电源的导通角，等电容充满电后全部开通三相电源。导通电压如下公式：

Vp=380sin(180-ψ)×1.414

ψ=90t/3    t<3

式中ψ——导通角

    由以上公式可以看出，电容上的电压是从0V开始上升的，导通角当时问t到3s后角度全部打开。

    采用该方法不仅可以保证不同容量的电容充电(通过改变时间参数)，最主要的优点是系统发生故障时可切断晶闸管的输出电源，保证母线电压为零。

    (2)系统的控制方法：系统对电动机的控制方法采用了空间矢量法的控制方式。矢量控制的主要原理是通过电流(代表磁动势)空间矢量的坐标变换，等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。

    (3)全数字控制：首先选择了专业的芯片组，这些芯片包括DSP、EPLD、FPJA、以及快速A/D转换器。保证了控制系统的运算速度；其次对系统的数学模型进行了优化，使得系统运算更为简练。全面保证了控制系统的运算时间。由于采用了全数字的控制，使得系统的灵活性大大增加。

    (4)系统供电：系统采用380V市电直接供电，大大简化了配电形式，省却了外接变压器。我们在硬件设计和软件设计中增加了电源滤波和补偿，使得系统在输入电压干扰较大或波动较大的情况下均能正常工作。而且通过参数设置能适应更为恶劣的工作环境。

3．特殊功能

    系统除有一般主轴的功能外还具有以下特殊功能：

    (1)力矩控制：电动机在额定转速内可实现恒力矩运转。

    (2)力矩限制功能：通过对系统设置可实现对电动机的力矩限制，超过限制力矩系统将主动切断输出电源，该功能可有效保护电动机和设备的运行安全。

    (3)机械传输转换功能：具有“电子齿轮”的功能，并保证在不同传输比的情况下的力矩。

    (4)多种给定方式：开关量预置速度给定(8组)、模拟给定(±10V、0～10V及方向信号，精度：14位的分辨率)、数字给定(RS-485串行接口)、脉冲序列给定(脉冲正交、脉冲及方向)方式。

    (5)便捷的人机界面，灵活的系统参数：丰富的系统参数是系统能完成各种特殊的功能，调整系统的性能。有两种方式实现系统的人机交互：通过RS-422和专用软件与PC机连接，通过PC机实现参数的设定和对系统运行状态的观测；系统同时随机带有操作面板，通过面板也可对系统参数设置和观测系统运行状态。

三、CASNUC2100M 数控系统在6轴控制4轴联动玻璃雕刻机床中的应用

    在装饰行业中，玻璃是一种传统的建筑装潢材料，作为玻璃深加工的玻璃雕刻也得到广泛应用。而目前国内采用的传统玻璃雕刻方法主要是手工操作如喷沙雕刻、腐蚀雕刻和手持砂轮雕刻等。但这些方法污染重、精度差，而玻璃雕刻数控机床则采用先进的数控系统，提高了雕刻精度，降低了污染，为此我公司根据市场的需要，与广东中山玻璃机械公司合作完成了玻璃雕刻数控机床的研制。

1．玻璃雕刻机的机械结构

    玻璃雕刻机采用直角龙门式结构，有6个传动轴，分别是X、Y、Y´，Z、C、S轴。其中X、Y、Z轴用来控制磨削砂轮的空间位置；Y、Y´是同步轴(因为该机床的横梁很长必须由两个电动机同步驱动)；C轴绕Z轴旋转，控制砂轮的偏转姿态角；X、Y、Y´，Z、C轴是联动的；主轴S带动砂轮旋转，在玻璃加工时S轴高速旋转研磨玻璃，在刀库换刀时起主轴定位的作用，如图1所示。

2．玻璃雕刻机数控系统

    (1)硬件　该系统采用了航天数控CASNUC2100数控系统作为硬件平台，硬件部分使用的是高性能的奔腾处理器和IPC工业主板，内存可以扩充(最大容量跟主板型号有关)。其系统是一个总线式、模块化的数控系统，由无源总线板、CPU模块、位置控制模块、I/O控制模块、A/D数据采集模块等构成，如图2所示。

    ①控制轴数6轴。每块位置控制卡控制4轴，第一块板控制X、Y、Z、C轴伺服，第二块板控制Y´、主轴伺服，伺服为交流伺服单元。接口信号有给定、反馈和报警信息。

    ②联动轴数4轴。

    ③主轴控制：连接主轴伺服。

    ④模/数转换器12Bit输入0- -5V。

    ⑤显示部件：LCD显示。

    ⑥通信能力：RS(232接口)。

    ⑦软、硬盘接口。

    ⑧微机键盘。

    ⑨存储器控制：硬盘、DOC/DOM。

    ⑩I/O接口：32入/24出，根据控制需要插两块I/O板。

    (2)软件　数控系统的软件采用模块化的方式编程，主要包括系统管理模块、人机接口模块、通信模块、加工程序预处理模块、刀补模块、插补模块以及逻辑控制模块。各模块相对独立，在调度管理模块的协调下进行数据的交换。

    ①特点是：该系统的电动机的同步控制、主轴定位和抛光磨损实时补偿是本系统控制的重点和难点。由于玻璃雕刻机床同步控制的轴相距较远，有约3m的距离，如果同步性能不好，其加工精度就不能保证，严重时还会造成丝杠等精密零件的损坏，因此本控制系统通过软件对两同步电动机反馈脉冲进行位置检测，并根据实际偏差进行补偿，较好地解决了此问题。另外在抛光加工时，磨轮磨损较快，为保证抛光轮压力恒定，根据磨轮电动机功率检测数据，对抛光轮磨损进行实时动态补偿，使磨削效果得到保证。

    ②主要功能：该系统控制软件功能强大，不仅具有直线插补、圆弧插补、刀具长度补偿、刀具半径补偿等功能，还根据玻璃雕刻机床的特点增加了主轴准停定位、砂轮压力检测、砂轮磨损手动和自动补偿、刀库数据管理、平行轴同步偏差检测和补偿、砂轮尺寸检测等特殊功能。

    ③辅助自动编程软件。直接对加工图案进行数控编程不仅繁琐复杂、效率低下，而且有可能不能完成编程任务。为使用简便，我公司与北航海尔公司联合开发了 CAXA玻璃雕刻自动编程软件。该软件能将线条数据转化为数控系统能够识别的指令数据，操作者只需输入所要雕刻线段的中心线，并设定每条线条宽度、线条深度以及初始段和结尾段的长度(初始段和结尾段的长度为逐步降刀和逐步提刀所经过的路径长度)，编程系统便能自动计算出砂轮的走刀轨迹，并根据玻璃的加工工艺，自动确定加工速度、主轴转速以及其他辅助功能，产生数控系统能够识别的数据指令代码，提供给数控系统使用。

四、一体化CASNUC 2100e数控系统在斜轴外圆磨床中的应用

    斜轴磨床即可以磨外圆，也可以磨端面。使用于汽车、摩托车、压缩机等行业磨削带肩圆柱或齿轮轴的端面和外圆。

    济南第四机床厂新开发一种斜轴功能的磨床，选用航天数控的2100eG数控系统，经联机调试，完全满足使用要求。

    2100eG数控系统可用于直切外圆磨床、带斜轴功能的外圆磨床，技术指标如下：

    (1)  控制X轴、Z轴、主轴。

    (2)  斜轴功能的外圆磨床可实现单动、联动功能，斜轴角度可在0.000°～80.000°之间设定。

    (3)  E参数功能，具有＋、－、﹡、/运算，判断、跳转功能，可读取X、Z、轴坐标当前位置用于砂轮修整后的加工。

    (4)  数控系统能接收处理量仪探头信号。

    (5)  急退功能：当遇到紧急情况时，可自动执行急退，避免事故的发生。

    (6)  电动机低速处理，最低速可执行0.001mm/min，最高速可达100m/min。

单动：移动X轴时，只有X轴移动。

联动：移动X轴时，Z轴也移动，使X轴保持与Z轴垂直移动。

砂轮修整程序：

E80：X向砂轮修整参数，对刀后将数据输入到E参数中

E81：Z向砂轮修整参数

N01 E50＝E80+12.941；

N02 E51＝E50-9.367；

N05 E52＝E50-10.975；

N06 E53＝E50-12.941；

N10 E60＝E81-50；

N11 E61＝E81-31.5；

N12 E62＝E81-28.5；

N13 E63＝E81-8；

N18 M08；

N19 M50        联动

N20 G01G90G94X＝E50 F3000；

N12 G01G90G94Z＝E60 F3000；

N14 X＝E51 F500；

N29 Z＝E61 F＝E09；

N15 G01G90G94 X＝E52 Z＝E62；

N20 G01G90G94 Z＝E63；

N25 G02G91 X-1.966 Z0.983 R2；

N21 G01G90G94 Z＝E81；

N22 G01G91G94 X-40；

N23 G01G91G94 Z5F3000；

N24 G01G90G94 X＝E50；

N25 E80＝E80-E82；

N26 E81＝E81-E83；

N27 E10-E82；

N29 M99；

工件加工程序：

E10：X向工件加工对刀参数

E11：Z向工件加工对刀参数

N1 E30＝E10+2；

N4 E31＝E11+E14；

N5 M03；

N6 M08；

N7 M51；      单动

N8 G90G01G94 X0 F3600；

N9 M50；      联动

N10 G90G01G94 Z＝E31；

N11 M51；       单动

N12 G01G90G94 X＝E30；

N13 G91G01G94 X-1.5 F500；

N14 X-0.5 F6；

N15 X-0.7 F0.6；

N16 X-0.1 F0.2；

N17 X-0.001 F0.1；

N18 G01G91G94 X2 F500；

N19 G01G90G94 X0 F3600；

N20 M50；        联动

N21 M05；

N22 M09；

N23 E2＝E2+1；

N24 M30；