數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)

1、南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目 數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱 電氣工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 孫凌翔 職 稱 副 教 授 班 級(jí) 自動(dòng)化06級(jí)3班 學(xué) 號(hào) 20064460316 學(xué)生姓名 譚 淳 效 2010年05月25 日數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)摘要：隨著信息化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的功能日趨完善，數(shù)控機(jī)床取代普通機(jī)床已是一種必然的趨勢(shì)，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，而可編程控制器(PLC)因其具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高；硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)；編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)等顯著特點(diǎn)，已成為人們的首要選擇。在此背景下

2、，本文提出了數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)思路。本文描述了如今數(shù)控機(jī)床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點(diǎn)。并且對(duì)數(shù)控機(jī)床中的PLC做了詳細(xì)的介紹，把PLC在數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程，設(shè)計(jì)流程做了具體分析。然后以立式車床C5112B為例，描述了它的PLC設(shè)計(jì)過(guò)程，最后再介紹了PLC在數(shù)控機(jī)床上故障維修的一些方法。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；可編程控制器；C5112B立式車床；三菱FX2NAbstract: With the rapid development of information industry, the functions of numerical control machine tools are ma

3、turing. CNC machine tools has been replaced by ordinary is an inevitable trend, with the development of CNC machine tools, the traditional relay control systems can not meet the industrial production needs. Programmable Logic Controller (PLC) because of its high reliability, strong anti-interference

4、; feature strong, high cost performance; hardware package is complete, the user easy to use, adaptable; programming easy to learn and other notable features has become the first choice. In this context, this paper presents design ideas PLC CNC machine tool. This paper describes the basic composition

5、 of CNC machine tools now, working principle, classification and their characteristics. And on the NC machine tool in the PLC made a detailed introduction to the work of the PLC in the process of CNC machine tools, to do a detailed analysis of the design process. Then vertical lathe C5112B, for exam

6、ple, describes its PLC design process, and finally introduces the PLC fault in the maintenance of CNC machine tools on some of the ways. Keywords: CNC machine tools；PLC；C5112B Vertical Lathe；Mitsubishi FX2N引 言20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了新的概念，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制，推動(dòng)了機(jī)床自動(dòng)化的發(fā)展。 采用數(shù)

7、字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工，最早是在40年代初，由美國(guó)北密支安的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司（ParsonsCorporation）實(shí)現(xiàn)的。他們?cè)谥圃祜w機(jī)的框架及直升飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)翼時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對(duì)加工路線的影響，使得加工精度達(dá)到±0.0381mm（±0.0015in），達(dá)到了當(dāng)時(shí)的最高水平。 1952年，麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上，裝上了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。 這臺(tái)機(jī)床是一臺(tái)試驗(yàn)性機(jī)床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺(tái)工業(yè)用的

8、數(shù)控機(jī)床由美國(guó)本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生產(chǎn)出來(lái)。 在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國(guó)家，如德國(guó)、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。PLC即可編程控制器，（Programmable logic Controller）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC因其具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；易學(xué)易用；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低等顯著特點(diǎn)，因此運(yùn)用PLC控制數(shù)控機(jī)床已越來(lái)越成為一種趨勢(shì)。因此本文介紹的即是數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)。從數(shù)控機(jī)床的基本組成和工作原理出發(fā)，讓讀者先從整體上

9、大概了解下數(shù)控機(jī)床和PLC有關(guān)概念，并以C5112B立式車床為例，詳細(xì)說(shuō)明了數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)，并給出了PLC的硬件電路圖和軟件程序。并且舉例說(shuō)明了一些PLC在數(shù)控機(jī)床上的故障維修方法，供讀者參考。通過(guò)本文達(dá)到讓讀者能夠了解數(shù)控機(jī)床的PLC設(shè)計(jì)方法的目的。目 錄1 數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理、分類及特點(diǎn).61.1 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理.61.1.1 數(shù)控機(jī)床的組成.61.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理81.2 數(shù)控機(jī)床的分類.131.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn).131.4 小結(jié)132 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)152.1 概述.172.1.1 CNC系統(tǒng)的組成172.1.2 CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過(guò)程172.

10、2 計(jì)算機(jī)數(shù)控中的可編程邏輯控制器.212.2.1 PLC及其工作過(guò)程212.2.1.1. PLC的基本功能.222.2.1.2. PLC的基本結(jié)構(gòu).242.2.1.3. PLC的工作過(guò)程.272.2.1.4. PLC的規(guī)模和幾種常用名稱.292.2.2 PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用.302.2.3 機(jī)床控制程序的設(shè)計(jì)流程332.3 小結(jié).343 PLC在立式車床中應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì).353.1 立式車床概況.353.2 PLC應(yīng)用于立式車床的現(xiàn)實(shí)意義.353.3 C5112B立式車床運(yùn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介.363.4 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)37 3.4.1 硬件設(shè)計(jì).373.4.2 軟件設(shè)計(jì).393.5 程序

11、調(diào)試.443.6 小結(jié).444 PLC在數(shù)控機(jī)床上故障維修方法454.1 與PLC有關(guān)的故障特點(diǎn).454.2 與PLC有關(guān)故障檢測(cè)方法.454.2.1 根據(jù)故障號(hào)診斷故障.464.2.2 根據(jù)動(dòng)作順序診斷故障464.2.3 根據(jù)控制對(duì)象的工作原理診斷故障.464.2.4 根據(jù)PLC的I/0狀態(tài)診斷故障.474.2.5 通過(guò)梯形圖診斷故障.474.2.6 動(dòng)態(tài)跟蹤梯形圖診斷故障.474.3 小結(jié).475 總結(jié).50參考文獻(xiàn).51致謝.52附錄.531、數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理、分類及特點(diǎn)1.1 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的組成1 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控即數(shù)字控制(Numerica

12、l Control，簡(jiǎn)稱NC)。數(shù)控技術(shù)即NC技術(shù)，是指用數(shù)字化信息發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computerized Numerical Control，簡(jiǎn)稱CNC)是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)部分或全部的數(shù)控功能。采用數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其被控對(duì)象可以是生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備。如果被控對(duì)象是機(jī)床，則稱為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程是：將所需的多個(gè)操作步驟(如機(jī)床的啟動(dòng)或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關(guān)等)和刀具與工件之間的相對(duì)位移，以及進(jìn)給速度等都用數(shù)字化的代碼來(lái)表示，按規(guī)定編寫零件加工程序并送

13、入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)分析處理與計(jì)算后發(fā)出相應(yīng)的指令控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。2 數(shù)控機(jī)床的組成(1) 程序編制及程序載體數(shù)控程序由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件所需工作指令組成，包含切削過(guò)程中所必需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、零件輪廓尺寸、工藝參數(shù)等加工信息。編制程序的工作可以人工進(jìn)行，也可以在數(shù)控機(jī)床以外用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)來(lái)完成。對(duì)于幾何形狀比較簡(jiǎn)單的零件，程序段不多，可以采用手工編程；對(duì)于比較復(fù)雜特別是空間曲面零件，由于手工編程繁瑣而費(fèi)時(shí)，且易出錯(cuò)，需采用自動(dòng)編程的方法。 (2) 輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)并傳送至數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。根據(jù)

14、程序控制介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、錄放機(jī)或軟盤驅(qū)動(dòng)器。最早使用光電閱讀機(jī)對(duì)穿孔紙帶進(jìn)行閱讀，之后大量使用磁帶機(jī)和軟盤驅(qū)動(dòng)器。有些數(shù)控機(jī)床不用任何程序存儲(chǔ)載體，而是將程序清單的內(nèi)容通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數(shù)控程序由編程計(jì)算機(jī)直接傳送至數(shù)控裝置。 (3) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，包括微型計(jì)算機(jī)、各種接口電路、顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件。它能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及各種控制功能。數(shù)控裝置接受輸入裝置送來(lái)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令來(lái)控制機(jī)床的各個(gè)部分，并按程序要求實(shí)現(xiàn)規(guī)定的、有序的動(dòng)作。這些控制信號(hào)是

15、：各坐標(biāo)軸的進(jìn)給位移量、進(jìn)給方向和速度的指令信號(hào)；主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令信號(hào)；選擇和交換刀具的刀具指令信號(hào)；控制冷卻、潤(rùn)滑的啟停，工件和機(jī)床部件松開、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助信號(hào)等。 數(shù)控裝置具備的功能有： 多坐標(biāo)控制； 實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)； 信息轉(zhuǎn)換功能，如英制/公制轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值/增量值轉(zhuǎn)換； 補(bǔ)償功能，如刀具半徑補(bǔ)償、長(zhǎng)度補(bǔ)償、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償； 多種加工方式選擇，如可以實(shí)現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復(fù)加工； 具有故障自診斷功能； 通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。 (4) 強(qiáng)電控制裝置強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變

16、速、換向、啟動(dòng)或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關(guān)等輔助操作的信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件(如電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件等)，以完成指令所規(guī)定的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的全部自動(dòng)操作。 (5) 伺服控制裝置伺服系統(tǒng)主要完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制(包括進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、位置控制等)，它由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的位置控制信息，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和精確的定位運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。由于是數(shù)控機(jī)床的最后控制環(huán)節(jié)，

17、它的性能將直接影響數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工精度和表面加工質(zhì)量。 (6) 機(jī)床的機(jī)械部件與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1) 采用了高性能的主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)剛度、阻尼剛度、耐磨性以及抗熱變形性能。3) 較多地采用高效傳動(dòng)件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。4) 還有一些配套部件(如冷卻、排屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等一系列裝置)和輔屬設(shè)備(編程機(jī)和對(duì)刀儀等)。 這些特點(diǎn)較好地滿足了數(shù)控技術(shù)的要求，并能充分適應(yīng)數(shù)控加工的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。a. 主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件。主傳動(dòng)電機(jī)已逐步被變頻

18、主軸電機(jī)和交流調(diào)速電機(jī)所代替，不再使用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)。由于主軸部件要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換刀具或工件，因此主軸上設(shè)計(jì)有刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。此外還有主軸準(zhǔn)停裝置。b. 進(jìn)給系統(tǒng)。由于進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)精度、靈敏性和穩(wěn)定性將直接影響被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。c. 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，除了用來(lái)進(jìn)行各種圓弧加工或與直線進(jìn)給聯(lián)動(dòng)進(jìn)行曲面加工外，還可以實(shí)現(xiàn)精確的分度。對(duì)于自動(dòng)換刀的多工序加工中心來(lái)說(shuō)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已成為一個(gè)不可缺少的部件。d. 刀具及自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)

19、床，還有存放刀具的刀庫(kù)、自動(dòng)刀具交換裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)等部件。由于數(shù)控機(jī)床是按預(yù)先編制的程序自動(dòng)進(jìn)行加工的，因而數(shù)控機(jī)床所用刀具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及編程前刀具的選用和加工前刀具的預(yù)調(diào)等都很重要。此外，自動(dòng)換刀系統(tǒng)還應(yīng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)存量、刀庫(kù)占地面積小以及安全可靠等要求。1.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理1 工作原理數(shù)控機(jī)床是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，它在加工工藝與加工表面形成方法上與普通機(jī)床基本相同，最根本的不同在于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的原理與方法上：數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字化的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。先根據(jù)

20、零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過(guò)程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機(jī)床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關(guān)的信息如工件的尺寸、刀具運(yùn)動(dòng)中心軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、切削液的開與關(guān))等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。 2 插補(bǔ)(1) 插補(bǔ)的概念如何控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床的核心問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床的信息數(shù)字化就是把刀具與工件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)分割成一些最小單位量，即最小位移量。數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，經(jīng)過(guò)信息處理、分配，使坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，實(shí)現(xiàn)刀具與工

21、件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。 在數(shù)控機(jī)床中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是折線，因此刀具不能嚴(yán)格地沿著所加工的曲線運(yùn)動(dòng)，只能用折線以一定的精度要求逼近被加工曲線，當(dāng)逼近誤差相當(dāng)小時(shí)，這些折線之和就接近曲線了。數(shù)控機(jī)床是以脈沖當(dāng)量為單位，計(jì)算輪廓起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的坐標(biāo)值，進(jìn)行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡的。CNC裝置每發(fā)出一個(gè)脈沖，機(jī)床執(zhí)行部件的最小位移量稱為脈沖當(dāng)量。常用機(jī)床的脈沖當(dāng)量為0.010.001 mm/脈沖，脈沖當(dāng)量越小，數(shù)控機(jī)床精度越高。各種斜線、圓弧、曲線均可由以脈沖當(dāng)量為單位的微小直線段擬合而成。 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構(gòu)

22、成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的相關(guān)參數(shù)。例如，對(duì)直線，僅提供起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值；對(duì)圓弧，除必須提供起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值外，還必須提供圓心相對(duì)于起點(diǎn)的位置數(shù)值以及圓弧的旋轉(zhuǎn)方向。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算出滿足線形和進(jìn)給速度要求的若干中間點(diǎn)(在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間)，這就是插補(bǔ)。它實(shí)質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作?？蓪⒉逖a(bǔ)定義為：插補(bǔ)就是根據(jù)給定進(jìn)給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點(diǎn)之間計(jì)算中間點(diǎn)的方法。 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)直線進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算即為直線插補(bǔ)，對(duì)圓弧進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算為圓弧插補(bǔ)，對(duì)其他由線進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算為其他的曲線插補(bǔ)。數(shù)控系統(tǒng)能進(jìn)行哪幾種線形的插補(bǔ)計(jì)

23、算，即具有哪幾種插補(bǔ)功能。目前，絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)只有直線插補(bǔ)功能和圓弧插補(bǔ)功能。因此，數(shù)控機(jī)床只能作直線進(jìn)給和圓弧進(jìn)給，其指令為G01和G02/G03。 (2) 插補(bǔ)方法的分類目前常用的插補(bǔ)方法大致分為兩類：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)。1) 脈沖增量插補(bǔ)。主要用于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)。每次插補(bǔ)計(jì)算結(jié)束，CNC裝置向各坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出一個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。其基本思想是：用折線來(lái)逼近曲線(包括直線)。 脈沖增量插補(bǔ)每次插補(bǔ)的結(jié)果僅產(chǎn)生一個(gè)單位的行程增量(一個(gè)脈沖當(dāng)量)。以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。脈沖增量插補(bǔ)的插補(bǔ)速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)，還受到步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻

24、率的限制。脈沖增量插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法較為簡(jiǎn)單，比較容易用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也有用軟件來(lái)完成這類算法的。這類插補(bǔ)算法有逐點(diǎn)比較法、最小偏差法、數(shù)字積分法等。逐點(diǎn)比較法的基本原理是：數(shù)控系統(tǒng)在控制加工過(guò)程中，逐點(diǎn)計(jì)算和判別加工誤差，與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較，由比較結(jié)果決定下一步的移動(dòng)方向。這種算法的特點(diǎn)是：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，逐點(diǎn)比較法在兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為廣泛。 2) 數(shù)字增量插補(bǔ)。主要用于采用交、直流伺服電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可以用于以步進(jìn)電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大

25、多采用這類插補(bǔ)方法。CNC裝置產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制數(shù)。其基本思想是，用直線段來(lái)逼近曲線(包括直線)。 采用數(shù)字增量插補(bǔ)時(shí)，插補(bǔ)程序以一定的時(shí)間間隔定時(shí)進(jìn)行。根據(jù)編程的速度將輪廓曲線分割為插補(bǔ)采樣周期的進(jìn)給段即輪廓步長(zhǎng)，用弦線和割線逼近輪廓軌跡。在每一插補(bǔ)周期內(nèi)，插補(bǔ)程序被調(diào)用一次，計(jì)算出各坐標(biāo)軸在下一插補(bǔ)周期內(nèi)的位移增量(數(shù)字量而不是單個(gè)脈沖)X、Y等，然后再計(jì)算出相應(yīng)插補(bǔ)點(diǎn)位置的坐標(biāo)值。插補(bǔ)運(yùn)算速度與進(jìn)給速度無(wú)嚴(yán)格的關(guān)系，因此可以達(dá)到較高的進(jìn)給速度。數(shù)字增量插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)算法較脈沖增量插補(bǔ)復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度有一定要求。這類插補(bǔ)算法有數(shù)字積分法、二階近似插補(bǔ)法、時(shí)間分割法等。

26、1.2 數(shù)控機(jī)床的分類 1按工藝方式分類(1) 金屬切削類數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、加工中心等。盡管這些機(jī)床在加工工藝方面存在很大差異，具體的控制方法也各不相同，但它們都適合于單件、小批量和多品種的零件加工，具有很高的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。 (2) 金屬成型類數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控沖床等。(3) 數(shù)控特種加工及其他類型機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控電火花加工機(jī)床等。 2按控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式分類按控制方式分，最常用的數(shù)控機(jī)床可分為以下三類：(1) 開環(huán)數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控

27、機(jī)床采用開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)。其數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)是單向的，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量進(jìn)行檢測(cè)，不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差的校正，因此步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差、齒輪和絲杠組成的傳動(dòng)鏈誤差都將直接影響加工零件的精度。 這類機(jī)床通常為經(jīng)濟(jì)型、中小型機(jī)床，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，但通常輸出的扭矩值大小受到限制，而且當(dāng)輸入的頻率較高時(shí)，容易產(chǎn)生失步，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的控制，因此已不能充分滿足數(shù)控機(jī)床日益提高功率、運(yùn)動(dòng)速度和加工精度的控制要求。圖1-1是開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1-1 開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖(2) 閉環(huán)數(shù)控機(jī)床這類機(jī)床的位置檢測(cè)裝置安裝在進(jìn)給系統(tǒng)末段端的執(zhí)行部件上，該位置檢測(cè)裝

28、置可實(shí)測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的位移量或位置。數(shù)控裝置將位移指令與工作臺(tái)端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)部件嚴(yán)格按照實(shí)際需要的位移量運(yùn)動(dòng)；還可利用測(cè)速元器件隨時(shí)測(cè)得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將速度反饋信號(hào)與速度指令信號(hào)相比較，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)進(jìn)行修正。這類機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度主要取決于檢測(cè)裝置的精度，與機(jī)械傳動(dòng)鏈的誤差無(wú)關(guān)，因此可以消除由于傳動(dòng)部件制造過(guò)程中存在的精度誤差給工件加工帶來(lái)的影響。圖1-2是閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1-2 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖相比于開環(huán)數(shù)控機(jī)床，閉環(huán)數(shù)控機(jī)床精度更高，速度更快，驅(qū)動(dòng)功率更大，但是，這類機(jī)床價(jià)格昂貴，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)鏈依然提出了嚴(yán)格的要求。傳動(dòng)鏈的

29、剛度、間隙，導(dǎo)軌的低速運(yùn)動(dòng)特性，機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性等因素都會(huì)增加系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy。閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床等。(3) 半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床這類機(jī)床的檢測(cè)元件裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)或傳動(dòng)絲杠的端部，可間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位置或位移。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的調(diào)試十分方便，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測(cè)量元件，如脈沖編碼器，因此可以獲得比較滿意的精度與速度。半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但由于機(jī)械傳動(dòng)鏈的誤差無(wú)法得到消除或校正，因此它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低。大

30、多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-3是半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1-3 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖3按控制系統(tǒng)功能水平分類按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數(shù)控機(jī)床分為經(jīng)濟(jì)型、普及型、高級(jí)型三類，主要由技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)、關(guān)鍵部件的功能水平來(lái)決定。這些指標(biāo)具體包括CPU性能、分辨率、進(jìn)給速度、伺服性能、通信功能、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)等。(1) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為低檔數(shù)控機(jī)床，一般采用8位CPU或單片機(jī)控制，分辨率為10 m，進(jìn)給速度為615 m/min，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有RS232接口。低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為二軸或三軸，具有簡(jiǎn)單CRT字符顯示或數(shù)碼管顯示功能，無(wú)通信功能。 (2) 普及型數(shù)控

31、機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為中檔數(shù)控機(jī)床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1 m以內(nèi)，進(jìn)給速度為1524 m/min，采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為35軸；有較齊全的CRT顯示及很好的人機(jī)界面，大量采用菜單操作，不僅有字符，還有平面線性圖形顯示功能、人機(jī)對(duì)話、自診斷等功能；具有RS232或DNC接口，通過(guò)DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。(3) 高級(jí)型數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為高檔數(shù)控機(jī)床，一般采用32位或64位CPU，并采用精簡(jiǎn)指令集RISC作為中央處理單元，分辨率可達(dá)0.1 m，進(jìn)給速度為15100 m/min，采用數(shù)字化交流伺服

32、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)在五軸以上，有三維動(dòng)態(tài)圖形顯示功能。高檔數(shù)控機(jī)床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)采用MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)等高級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或Ethernet (以太網(wǎng))，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)入FMS(柔性制造系統(tǒng))和CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 上述這種分類方式?jīng)]有嚴(yán)格的界限，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控而言的，在不同時(shí)期、不同國(guó)家的含義是不一樣的。區(qū)別于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，把功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控，也稱為標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控。1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)1.加工精度高 數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量小，位置分辨率高;數(shù)控

33、系統(tǒng)具備誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能;數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都具有比普通機(jī)床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造、裝配精度均比較高，提高了機(jī)床本身的精度與穩(wěn)定性;數(shù)控機(jī)床采用了自動(dòng)加工方式，避免了加工過(guò)程中的人為干擾2.機(jī)床的柔性高 改變加工零件只需要新編制（更換）程序，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同零件的加工 3.自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是根據(jù)事先編好的程序自動(dòng)完成的。在正常加工過(guò)程中，操作者只要進(jìn)行極為簡(jiǎn)單的操作，即可完成零件的自動(dòng)加工，不需要進(jìn)行繁雜的重復(fù)性手工操作，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度可大為減少。此外，數(shù)控機(jī)床一般都具有較好的安全防護(hù)、自動(dòng)排屑、自動(dòng)冷卻和自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，使操作者的勞動(dòng)條件也

34、得到了很大改善。 4.生產(chǎn)率高 在數(shù)控機(jī)床上，由于主軸的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量都可以任意選擇，由于數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛性好，一般都允許進(jìn)行較大切削用量的強(qiáng)力切削，提高了數(shù)控機(jī)床的切削效率，節(jié)省了實(shí)際加工時(shí)間;數(shù)控機(jī)床的移動(dòng)部件的空行程運(yùn)動(dòng)速度大大高于普通機(jī)床，;數(shù)控機(jī)床更換被加工零件時(shí)一般都不需要重新調(diào)整;數(shù)控機(jī)床加工零件的尺寸一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定，一般只需要做首件檢驗(yàn); 數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)精確、快速定位，節(jié)省了“劃線”時(shí)間。5.良好的經(jīng)濟(jì)效益 數(shù)控機(jī)床雖然設(shè)備價(jià)格較高，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的加工費(fèi)用較普通機(jī)床高，但使用數(shù)控機(jī)床加工，可以通過(guò)上述優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出整體效益。特別是數(shù)控機(jī)床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，降低了生產(chǎn)

35、成本；此外，數(shù)控機(jī)床還可一機(jī)多用，節(jié)省廠房面積和投資。 6.有利于現(xiàn)代化管理 采用數(shù)控機(jī)床加工，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件加工工時(shí)和費(fèi)用，簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)工、夾具，減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 1.4 小結(jié) 數(shù)控機(jī)床涉及的知識(shí)和內(nèi)容比較多，本章僅對(duì)數(shù)控機(jī)床的基本概念，分類及特點(diǎn)做了概述。（1）數(shù)控機(jī)床的基本概念。介紹了數(shù)控機(jī)床的基本組成和工作原理。（2）數(shù)控機(jī)床的分類。按工藝方式、控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式、控制系統(tǒng)功能水平三方面對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了分類。（3）數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。介紹了數(shù)控機(jī)床擁有加工精度高，機(jī)床柔性高，自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)率高，經(jīng)濟(jì)效益良好，有利于現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)。2、計(jì)算機(jī)數(shù)

36、控系統(tǒng)2.1 概述2.1.1 CNC系統(tǒng)的組成CNC 系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，其核心是CNC 裝置。它通過(guò)系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動(dòng)加工。CNC 系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)作為控制部件，通常由常駐在其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。只要改變CNC 系統(tǒng)的控制軟件就能實(shí)現(xiàn)一種全新的控制方式。各種數(shù)控機(jī)床的 CNC 系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：中央處理單元(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、輸入/輸出設(shè)備(I/O)、操作面板、PLC、顯示

37、器和鍵盤等。圖2.1所示為CNC 系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。圖 2.1 CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖在圖 2.1 所示的整個(gè)CNC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中，數(shù)控系統(tǒng)主要是指CNC 控制器。CNC控制器由數(shù)控系統(tǒng)硬件、軟件構(gòu)成的專用計(jì)算機(jī)與PLC 組成。前者主要處理機(jī)床軌跡運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制，后者主要處理開關(guān)量的邏輯控制。2.1.2 CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過(guò)程1. CNC系統(tǒng)的功能CNC 系統(tǒng)由于現(xiàn)在普遍采用了微處理器，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)很多功能。數(shù)控系統(tǒng)有多種系列，功能各異。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。CNC系統(tǒng)的功能

38、主要反映在G 功能(G 指令代碼)和M 功能(M 指令代碼)上。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型、用途、檔次的不同，CNC 系統(tǒng)的功能有很大差別，下面介紹其主要功能。1) 控制功能CNC 系統(tǒng)能控制的軸數(shù)和能同時(shí)控制(聯(lián)動(dòng))的軸數(shù)是其主要性能之一?？刂戚S有移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸。通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)可以完成輪廓軌跡的加工。一般情況下，數(shù)控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動(dòng)；數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動(dòng)或二軸半聯(lián)動(dòng)；而加工中心一般為多軸控制，三軸聯(lián)動(dòng)。控制軸數(shù)越多，特別是同時(shí)控制的軸數(shù)越多，要求CNC 系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)，同時(shí)CNC 系統(tǒng)就越復(fù)雜，編制程序也越困難。2) G 功能G 功能也稱G指令代碼，它用來(lái)指定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式，包括

39、基本移動(dòng)、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)等指令。對(duì)于點(diǎn)位式的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等，需要點(diǎn)位移動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于輪廓控制的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，需要控制系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)給坐標(biāo)具有聯(lián)動(dòng)功能。3) 插補(bǔ)功能CNC 系統(tǒng)是通過(guò)軟件插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡控制的。由于輪廓控制的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，軟件插補(bǔ)的計(jì)算速度難以滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給速度和分辨率的要求，同時(shí)由于CNC 不斷擴(kuò)展其他方面的功能也要求減少插補(bǔ)計(jì)算所占用的CPU 時(shí)間。因此，CNC 的插補(bǔ)功能實(shí)際上被分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)，插補(bǔ)軟件每次插補(bǔ)一個(gè)輪廓步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)為粗插補(bǔ)，伺服系統(tǒng)根據(jù)粗插補(bǔ)的結(jié)果，將輪廓步長(zhǎng)分成

40、單個(gè)脈沖的輸出稱為精插補(bǔ)。有的數(shù)控機(jī)床采用硬件進(jìn)行精插補(bǔ)。4) 進(jìn)給功能根據(jù)加工工藝要求，CNC 系統(tǒng)的進(jìn)給功能用F 指令代碼直接指定數(shù)控機(jī)床加工的進(jìn)給速度。(1) 切削進(jìn)給速度。指刀具每分進(jìn)給的距離(毫米)，如100mm/min。對(duì)于回轉(zhuǎn)軸，以每分鐘進(jìn)給的角度指定刀具的進(jìn)給速度。(2) 同步進(jìn)給速度。指刀具主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給的距離(毫米)，如0.02mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)控機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度，用于切削螺紋的編程。(3) 進(jìn)給倍率。操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，倍率可以在0200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開關(guān)不用修改程序就可以改變進(jìn)給速度，并可以在加工工件時(shí)隨時(shí)改變進(jìn)

41、給速度或在發(fā)生意外時(shí)隨時(shí)停止進(jìn)給。5) 主軸功能主軸功能就是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能。(1) 轉(zhuǎn)速的編碼方式。一般用S 指令代碼指定。一般用地址符S 后加兩位或四位數(shù)字表示，單位分別為r/min 和mm/min。(2) 指定恒線速。該功能可以保證車床和磨床加工工件端面的質(zhì)量和在加工不同直徑外圓時(shí)具有相同的切削速度。(3) 主軸定向準(zhǔn)停。該功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止，有自動(dòng)換刀功能的機(jī)床必須選取有這一功能的CNC 裝置。6) M功能M 功能用來(lái)指定主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向；切削液的開和關(guān)；刀庫(kù)的啟和停等，屬開關(guān)量的控制。它用M 指令代碼表示?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般用PLC 控制。各種型號(hào)的數(shù)控裝置具有的M

42、 功能差別很大，而且有許多是自定義的。7) 刀具功能刀具功能用來(lái)選擇所需的刀具，刀具功能字以地址符T 為首，后面跟兩位或四位數(shù)字，代表刀具的編號(hào)。8) 補(bǔ)償功能補(bǔ)償功能通過(guò)輸入到CNC 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的補(bǔ)償量，根據(jù)編程軌跡重新計(jì)算刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的工件。補(bǔ)償功能主要有以下幾種。(1) 刀具的尺寸補(bǔ)償。如刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。這些功能可以補(bǔ)償?shù)毒吣p量，以便換刀時(shí)對(duì)準(zhǔn)正確位置，簡(jiǎn)化編程。(2) 絲杠的螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償和熱變形補(bǔ)償。通過(guò)事先檢測(cè)出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC 系統(tǒng)中，在實(shí)際加工中進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度

43、。9) 字符、圖形顯示功能CNC 控制器可以配置數(shù)碼管(LED)顯示器、單色或彩色陰極射線管(CRT)顯示器或液晶(LCD)顯示器，通過(guò)軟件和硬件接口實(shí)現(xiàn)字符和圖形的顯示。通?？梢燥@示程序、參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對(duì)話編程菜單、零件圖形及刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)等。10) 自診斷功能為了防止故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機(jī)時(shí)間，CNC 系統(tǒng)中設(shè)置了各種診斷程序。不同的CNC 系統(tǒng)設(shè)置的診斷程序是不同的，診斷的水平也不同。診斷程序一般可以包含在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行檢查和診斷；也可以作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后進(jìn)行診斷，查找故

44、障的部位。有的CNC系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診斷。11) 通信功能為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的需求，CNC 裝置通常具有RS232C通信接口，有的還備有DNC接口。也有的CNC還可以通過(guò)制造自動(dòng)化協(xié)議(MAP)接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)。12) 人機(jī)交互圖形編程功能為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的編程效率，對(duì)于數(shù)控程序的編制，特別是較為復(fù)雜零件的數(shù)控程序都要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助編程，尤其是利用圖形進(jìn)行自動(dòng)編程，以提高編程效率。因此，對(duì)于現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)一般要求具有人機(jī)交互圖形編程功能。有這種功能的CNC 系統(tǒng)可以根據(jù)零件圖直接編制程序，即編程人員只需輸入圖樣上簡(jiǎn)單表示的幾何尺寸就能

45、自動(dòng)地計(jì)算出全部交點(diǎn)、切點(diǎn)和圓心坐標(biāo)，生成加工程序。有的CNC 系統(tǒng)可根據(jù)引導(dǎo)圖和顯示說(shuō)明進(jìn)行對(duì)話式編程，并具有自動(dòng)工序選擇、刀具和切削條件的自動(dòng)選擇等智能功能。有的CNC 系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能(如日本FANUC系統(tǒng))。這些功能有助于那些未受過(guò)CNC編程專門訓(xùn)練的機(jī)械工人能夠很快地進(jìn)行程序編制工作。2. CNC系統(tǒng)的一般工作過(guò)程1) 輸入輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機(jī)床參數(shù)和刀具補(bǔ)償參數(shù)。機(jī)床參數(shù)一般在機(jī)床出廠時(shí)或在用戶安裝調(diào)試時(shí)已經(jīng)設(shè)定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補(bǔ)償參數(shù)。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級(jí)計(jì)算機(jī)DNC通信輸入等。CNC系統(tǒng)輸入工作

46、方式有存儲(chǔ)方式和數(shù)控方式。存儲(chǔ)方式是將整個(gè)零件程序一次全部輸入到CNC系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中把一個(gè)一個(gè)程序調(diào)出，該方式應(yīng)用較多。數(shù)控方式是CNC系統(tǒng)一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時(shí)，輸入后一個(gè)程序段的內(nèi)容。2) 譯碼譯碼以零件程序的一個(gè)程序段為單位進(jìn)行處理，把其中零件的輪廓信息(起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等)，F(xiàn)、S、T、M 等信息按一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋(編譯)成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。編譯過(guò)程中還要進(jìn)行語(yǔ)法檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)警。3) 刀具補(bǔ)償?shù)毒哐a(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時(shí)零件

47、程序是以零件輪廓軌跡來(lái)編程的，與刀具尺寸無(wú)關(guān)。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進(jìn)行。刀具補(bǔ)償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲(chǔ)的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成刀具中心(刀位點(diǎn))相對(duì)于工件的移動(dòng)軌跡。刀具補(bǔ)償包括 B 機(jī)能和C 機(jī)能刀具補(bǔ)償功能。在較高檔次的CNC 系統(tǒng)中一般應(yīng)用C機(jī)能刀具補(bǔ)償，C 機(jī)能刀具補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)程序段之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)接和過(guò)切削判斷等功能。4) 進(jìn)給速度處理數(shù)控加工程序給定的刀具相對(duì)于工件的移動(dòng)速度是在各個(gè)坐標(biāo)合成運(yùn)動(dòng)方向上的速度，即F 代碼的指令值。速度處理首先要進(jìn)行的工作是將各坐標(biāo)合成運(yùn)動(dòng)方向上的速度分解成各進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方向的分速度，為插補(bǔ)時(shí)計(jì)算各進(jìn)給坐標(biāo)的行程量做準(zhǔn)備；另外對(duì)于機(jī)床允許的

48、最低和最高速度限制也在這里處理。有的數(shù)控機(jī)床的CNC 系統(tǒng)軟件的自動(dòng)加速和減速也放在這里。5) 插補(bǔ)零件加工程序段中的指令行程信息是有限的。如對(duì)于加工直線的程序段僅給定起、終點(diǎn)坐標(biāo)；對(duì)于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點(diǎn)坐標(biāo)外，還給定其圓心坐標(biāo)或圓弧半徑。要進(jìn)行軌跡加工，CNC 系統(tǒng)必須從一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上自動(dòng)進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”的工作，這就是插補(bǔ)。插補(bǔ)在每個(gè)規(guī)定的周期(插補(bǔ)周期)內(nèi)進(jìn)行一次，即在每個(gè)周期內(nèi)，按指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過(guò)若干個(gè)插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完一個(gè)程序段的加工，也就完成了從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作。6) 位置控制位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的

49、位置環(huán)上，如圖 2.2 所示。它的主要工作是在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置值與實(shí)際反饋位置值進(jìn)行比較，用其差值控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)?，以提高機(jī)床的定位精度。圖2.2 位置控制的原理7) I/O處理CNC 系統(tǒng)的I/O 處理是CNC 系統(tǒng)與機(jī)床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)輸入到CNC 系統(tǒng)中；另一方面是將CNC 系統(tǒng)的輸出命令(如換刀、主軸變速換擋、加切削液等)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制。8) 顯示CNC 系統(tǒng)的顯示主要

50、是為操作者提供方便，顯示裝置有LED 顯示器、CRT 顯示器和LCD 顯示器，一般位于機(jī)床的控制面板上。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、報(bào)警信息顯示等。有的CNC 裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬加工圖形顯示。上述CNC 系統(tǒng)的工作流程如圖2.3 所示。圖2.3 CNC系統(tǒng)的工作流程2.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控中的可編程邏輯控制器2.2.1 PLC及其工作過(guò)程可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱PLC，是一類以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等

51、功能，既能控制開關(guān)量，也能控制模擬量。近年來(lái)PLC 技術(shù)發(fā)展很快，每年都推出不少新產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)、日本、德國(guó)等生產(chǎn)PLC 的廠家已達(dá)150 多家，產(chǎn)品有數(shù)百種。PLC的功能也在不斷增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1) 控制規(guī)模不斷擴(kuò)大，單臺(tái)PLC 可控制成千乃至上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，多臺(tái)PLC 進(jìn)行同位鏈接可控制數(shù)萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。(2) 指令系統(tǒng)功能增強(qiáng)，能進(jìn)行邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、PID運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、ASCII碼處理。高檔PLC 還能處理中斷、調(diào)用子程序等，使得PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯控制、模擬量控制、數(shù)值控制和其他過(guò)程監(jiān)控，以至在某些方面可以取代小型計(jì)算機(jī)控制。(3) 處理速度提高，使每個(gè)點(diǎn)的平均處理時(shí)間從10 m左右減少到1 m以內(nèi)。(4) 編程容量增大，從幾KB 增大到幾十KB，甚至上百KB。(5) 編程語(yǔ)言多樣化，大多數(shù)使用梯形圖語(yǔ)言和語(yǔ)句表語(yǔ)言，有的還可使用流程圖語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言。(6) 增加通信與聯(lián)網(wǎng)功能，多臺(tái)PLC 之間能互相通信，互相交換數(shù)據(jù)，PLC 還可以與上位計(jì)算機(jī)通信，接受計(jì)算機(jī)的命令，并將執(zhí)行結(jié)果告訴計(jì)算機(jī)。通信接口多采用RS422/RS232C 等標(biāo)準(zhǔn)接口，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)集散控制。目前，為