數(shù)控機床(第三單元)(第10章)

第三單元計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）

目錄第十章CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成及其特點第十一章CNC數(shù)控裝置的插補原理及刀具補償原理第十二章常見數(shù)控廠家的數(shù)控產(chǎn)品第十三章進給伺服系統(tǒng)第十章CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成及其特點第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)；第二節(jié)計算機數(shù)控裝置（CNC）；第三節(jié)CNC數(shù)控裝置的特點及其功能；第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控(ComputerizedNumericalControl,簡稱CNC)系統(tǒng)是用計算機控制加工的并實現(xiàn)數(shù)字控制的系統(tǒng)，簡稱CNC數(shù)控系統(tǒng)。CNC數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸人裝置、輸出裝置、計算機數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程邏輯控制器(PLC)、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成，見圖10-1所示。CNC系統(tǒng)的組成輸入/輸出裝置數(shù)控裝置驅動控制裝置機床電器邏輯控制裝置機床本體數(shù)控程序等信息的輸入以及輸入內容和系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出識別和解釋數(shù)控程序，完成數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷處理主軸和進給軸驅動控制接受數(shù)控裝置的開關命令，完成主軸選速、起停和方向控制功能，換刀功能，冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制功能以及其他機床輔助功能。內部：程序編輯器數(shù)據(jù)輸入外部：磁盤，穿孔紙帶，計算機通信

數(shù)控加工程序數(shù)控加工程序譯碼（或解釋）開關命令（M,T）幾何數(shù)據(jù)，工藝數(shù)據(jù)插補可編程控制器PLC（刀具交換、切削液開/關等）機床反饋信息進給脈沖或插補數(shù)據(jù)序列數(shù)控系統(tǒng)的主要工作過程CNC數(shù)控系統(tǒng)的結構框圖圖10-1CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)的核心是CNC數(shù)控裝置裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用、維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通訊的功能，它比傳統(tǒng)的NC硬件數(shù)控裝置更具靈活性和通用性，控制功能靈活多樣并易于實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的控制。第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)取代了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，即繼電器控制線路。用PLC控制程序實現(xiàn)數(shù)控機床的各種繼電器控制邏輯。PLC位于數(shù)控裝置之外，稱獨立PLC，也可以和數(shù)控裝置合為一體，稱為內裝型PLC。第二節(jié)計算機數(shù)控裝置（CNC）一、CNC數(shù)控裝置的組成1.CNC數(shù)控裝置由硬件和軟件組成，軟件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。CNC裝置的硬件除具有一般計算機所具有的微處理器（CPU）、存儲器（ROM,RAM),輸人輸出(I/O)接口外，還具有數(shù)控裝置要求的專用接口和部件，即位置控制器、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口（紙帶閱讀機接口）、手動數(shù)據(jù)輸人(MDI)接口和顯示(CRT)接口。CNC裝置硬件的組成如圖10-2所示。CNC數(shù)控裝置硬件的組成結構圖10-2CNC裝置硬件的組成框圖第二節(jié)計算機數(shù)控裝置（CNC）一、CNC數(shù)控裝置的組成2.CNC裝置的軟件是為了實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各功能而編制的專用軟件，稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對輸人的加工程序自動進行處理，并發(fā)出相應的控制指令。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成。CNC裝置軟件的組成如圖10-3所示。硬件是基礎，軟件是靈魂CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺。以計算機標準硬件為基礎，軟件取代專有硬件（軟件化數(shù)控）是發(fā)展趨勢。CNC數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件結構圖10-3CNC裝置軟件的組成工作過程：CNC裝置的工作過程是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的過程。CNC裝置的工作原理是通過輸入設備輸入機床加工零件所需的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過譯碼、計算機的處理、運算，將每個坐標軸的移動分量送到其相應的驅動電路，經(jīng)過轉換、放大，驅動伺服電機，帶動坐標軸運動，同時進行實時位置反饋控制，使每個坐標軸都能精確移動到指令所要求的位置。71、輸入功能通過輸入設備完成加工零件各種數(shù)據(jù)信息的輸入，信息：零件程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)。方式：光電閱讀機紙帶、鍵盤、磁盤、通信接口、DNC接口等存貯：內存存儲器

72）譯碼：數(shù)控加工程序按零件加工順序記載著機床加工所需的各種信息，其中包括零件加工的軌跡信息（如幾何形狀和幾何尺寸等）（幾何數(shù)據(jù)）、工藝信息（如進給速度和主軸轉速等）（工藝數(shù)據(jù)）和開關命令（如換刀、冷卻液開/關等）（開關功能）。以一個程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內存專用區(qū)內。過程中，完成對程序段語法檢查，如有錯誤立即報警顯示。

譯碼定義：將輸入的數(shù)控加工程序按照一定規(guī)則翻譯成為數(shù)控裝置中計算機能識別的數(shù)據(jù)形式，并按約定的格式存放在指定的譯碼結果緩沖器中。譯碼功能：代碼的識別和功能代碼的解釋。

73）刀具補償：通常安裝零件加工輪廓軌跡編程，實際控制刀具中心軌跡，不是刀尖軌跡，需要補償既是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。是實時插補錢要完成的一項準備工作。

74）進給速度數(shù)據(jù)處理

編程指令給定的是刀具移動速度軸各坐標合成方向的速度，處理要根據(jù)合成速度計算出各坐標方向分速度，同時還要對機床允許最大和最高速度限制進行判別處理。

75）插補：插補的任務是通過插補計算程序在一條曲線的已知起點和終點之間進行“數(shù)據(jù)點的密化工作”。6）位置控制：在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給伺服電機。需要完成位置電路的調整，各坐標的螺距誤差補償和反向間隙補償，提供定位精度。

77）I/O處理：處理CNC裝置與機床之間的強電信號輸入、輸出和控制。例如：換到、換擋冷卻等。8）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機床狀態(tài)、報警顯示等。還有刀具加工軌跡和動態(tài)圖形顯示。9）診斷：具有聯(lián)機和脫機診斷功能。聯(lián)機診斷是指系統(tǒng)空運轉條件下診斷。脫機診斷用于檢測存儲器、外圍設備和接口等?？梢赃h程診斷，通過電話線連接，檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。

7CNC裝置的功能

CNC裝置的功能是指它滿足不同控制對象各種要求的能力，通常包括基本功能和選擇功能。1.基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，如控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能、字符顯示功能和自診斷功能等。

2.選擇功能是供用戶根據(jù)不同機床的特點和用途進行選擇的功能，如補償功能、固定循環(huán)功能、通信功能和人機對話編程功能等。

功能：滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際使用要求選擇的功能。二.CNC裝置的功能1.控制功能——CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數(shù)。CNC的進給軸分類：移動軸（X、Y、Z）和回轉軸（A、B、C）；基本軸和附加軸（U、V、W）。聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復雜，編程也越困難。如數(shù)控車床一般為兩軸聯(lián)動，數(shù)控銑床及加工中心一般需要三軸或三軸聯(lián)動。功能：滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段?；竟δ堋獢?shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際使用要求選擇的功能。二.CNC裝置的功能

2.準備功能（G功能）

——指令機床動作方式的功能。主要有基本移動、程序暫停、坐標平面的選擇、坐標設定、刀具補償、固定循環(huán)、基準點返回、公英制轉換、絕對值與相對值的轉換等。ISO標準對準備功能從G00-G99的100中指令中的大部分進行了統(tǒng)一的標準定義，部分可由系統(tǒng)生成廠家根據(jù)特定的控制需要來定義。G代碼有模態(tài)（績效特性）和非模態(tài)（一次有效）兩種3.插補功能和固定循環(huán)功能——插補功能數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。——固定循環(huán)功能數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能4.進給功能——進給速度的控制功能。進給速度（每分鐘進給量）以每分鐘進給距離的形式指定刀具切削進給速度，用F字母和后續(xù)數(shù)字表示。ISO規(guī)定F后續(xù)用1-5位數(shù)表示。對于直線坐標軸，如F15000表示進給速度為15000mm/min。對于回轉軸，F(xiàn)120表示進給速度是120r/min。4.進給功能——進給速度的控制功能。同步進給速度每轉進給量，同步進給速度即以機床主軸每轉進給量規(guī)定的進給速度。如0.01mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的機床才能指定同步進給速度?？焖龠M給速度—它通過參數(shù)設定，制定G00指令采用此速度，還可通過操作面板上的快速倍率開關調節(jié)此速度。進給倍率——操作面板上設置了進給倍率開關，倍率一般在10%-200%之間，使用倍率開關不修改程序中的F代碼，就可以改變機床的進給速度，對每分鐘進給量和每轉進給量都有效。5.主軸功能——主軸切削速度、周向位置控制功能。主軸轉速——主軸轉速的控制功能，單位：r/min。恒線速度控制——刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能。單位：（m/min）主軸定向控制——主軸周向定位于特定位置控制的功能。C軸控制——主軸周向任意位置控制的功能。主軸修調率——人工實時修調預先設定的主軸轉速。6.輔助功能（M功能）

——用于指令機床輔助操作的功能。用字母M和它后續(xù)的2位數(shù)字表示，ISO標準中規(guī)定了一部分M功能的意義。負載功能可以用于規(guī)定主軸的轉向、切削液的開關、刀庫旋轉的啟停、刀具的自動交換、工件的夾緊與放松、工作臺的上升、下降和旋轉等。7.刀具管理功能——實現(xiàn)對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理功能。刀具幾何尺寸管理：管理刀具半徑和長度，供刀具補償功能使用；刀具壽命管理：管理時間壽命，當?shù)毒邏勖狡跁r，CNC系統(tǒng)將提示更換刀具；刀具類型管理：用于標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。8.補償功能刀具半徑和長度補償功能：實現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術進行建模，利用模型實施在線補償。

9.字符、圖形顯示功能（人機對話功能）在CNC裝置中這類功能有：菜單結構操作界面；零件加工程序的編輯環(huán)境；系統(tǒng)和機床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。10.自診斷功能——

CNC自動實現(xiàn)故障預報和故障定位的功能。開機自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠程通訊診斷。11.通訊功能——CNC與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能RS232C接口，可傳送零件加工程序，DNC接口，可實現(xiàn)直接數(shù)控，MAP(制造自動化協(xié)議)模塊，網(wǎng)卡適應FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求。12.人機交互圖形編程功能——計算機輔助編程功能2、選擇功能1）補償功能CNC裝置可以對加工過程中由于刀具磨損或損壞，以及機械傳動中的絲桿螺距誤差和反向間隙所引起的加工誤差予以自動補償。CNC裝置的存貯器中存放著刀具長度和半徑的響應的補償量，加工時按補償量計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的零件。2)附加固定循環(huán)功能除了固定循環(huán)功能外，用戶根據(jù)需要還可以選擇一些特殊的固定循環(huán)功能，如階梯深鉆孔循環(huán)、剛性攻螺紋循環(huán)等。3）擴大顯示功能CNC裝置一般可配置12in彩色CRT顯示器，能顯示人機對話編程菜單、零件圖形、對話刀具軌跡等，用戶可根據(jù)需要選擇更大一些的CRT顯示器。4）人機對話編程功能人機對話有助于編程復雜零件的程序，如藍圖編程，只要輸入圖形表示幾何尺寸的簡單命令，通過編程軟件就能自動生成加工程序，對話式編程可根據(jù)引導圖進行示教編程，并具有工序、刀具、切削條件等自動選擇的智能功能。5）宏程序功能用戶若編制適合于某一特定加工過程的固定循環(huán)，可選擇宏程序來編制需要的加工程序，可使編程工作簡化。第二節(jié)計算機數(shù)控裝置（CNC）二、CNC數(shù)控裝置的微處理器結構自學1．單微處理器結構；

在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數(shù)控的各個任務。而有的CNC系統(tǒng)雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源；而其它微處理器成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器。它們組成主從垂直結構，也被歸于單微處理器結構。2．多微處理器結構；