數(shù)控機(jī)床(第三單元)(第10章)

第三單元計(jì)算機(jī)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(diǎn)第十一章CNC數(shù)控裝置的插補(bǔ)原理及刀具補(bǔ)償原理第十二章常見(jiàn)數(shù)控廠家的數(shù)控產(chǎn)品第十三章進(jìn)給伺服系統(tǒng)第十章CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)；第二節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）；第三節(jié)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)及其功能；第一節(jié)CNC數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控(ComputerizedNumericalControl,簡(jiǎn)稱CNC)系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工的并實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程邏輯控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動(dòng)裝置（包括檢測(cè)裝置）等組成，見(jiàn)圖10-1所示。CNC系統(tǒng)的組成輸入/輸出裝置數(shù)控裝置驅(qū)動(dòng)控制裝置機(jī)床電器邏輯控制裝置機(jī)床本體數(shù)控程序等信息的輸入以及輸入內(nèi)容和系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出識(shí)別和解釋數(shù)控程序，完成數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷處理主軸和進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)控制接受數(shù)控裝置的開(kāi)關(guān)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(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制功能以及其他機(jī)床輔助功能。內(nèi)部：程序編輯器數(shù)據(jù)輸入外部：磁盤(pán)，穿孔紙帶，計(jì)算機(jī)通信

數(shù)控加工程序數(shù)控加工程序譯碼（或解釋）開(kāi)關(guān)命令（M,T）幾何數(shù)據(jù)，工藝數(shù)據(jù)插補(bǔ)可編程控制器PLC（刀具交換、切削液開(kāi)/關(guān)等）機(jī)床反饋信息進(jìn)給脈沖或插補(bǔ)數(shù)據(jù)序列數(shù)控系統(tǒng)的主要工作過(guò)程CNC數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也方便，并具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)床電器邏輯控制裝置，即繼電器控制線路。用PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床的各種繼電器控制邏輯。PLC位于數(shù)控裝置之外，稱獨(dú)立PLC，也可以和數(shù)控裝置合為一體，稱為內(nèi)裝型PLC。第二節(jié)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)所具有的微處理器（CPU）、存儲(chǔ)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(jī)接口）、手動(dòng)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(jié)構(gòu)圖10-2CNC裝置硬件的組成框圖第二節(jié)計(jì)算機(jī)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(shí)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(duì)輸人的加工程序自動(dòng)進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)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(chǔ)，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(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺(tái)。以計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)硬件為基礎(chǔ)，軟件取代專有硬件（軟件化數(shù)控）是發(fā)展趨勢(shì)。CNC數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖10-3CNC裝置軟件的組成工作過(guò)程：CNC裝置的工作過(guò)程是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的過(guò)程。CNC裝置的工作原理是通過(guò)輸入設(shè)備輸入機(jī)床加工零件所需的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)譯碼、計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，將每個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)分量送到其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制，使每個(gè)坐標(biāo)軸都能精確移動(dòng)到指令所要求的位置。71、輸入功能通過(guò)輸入設(shè)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(bǔ)償數(shù)據(jù)。方式：光電閱讀機(jī)紙帶、鍵盤(pán)、磁盤(pán)、通信接口、DNC接口等存貯：內(nèi)存存儲(chǔ)器

72）譯碼：數(shù)控加工程序按零件加工順序記載著機(jī)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(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等）（工藝數(shù)據(jù)）和開(kāi)關(guān)命令（如換刀、冷卻液開(kāi)/關(guān)等）（開(kāi)關(guān)功能）。以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋、翻譯成計(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)內(nèi)。過(guò)程中，完成對(duì)程序段語(yǔ)法檢查，如有錯(cuò)誤立即報(bào)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(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并按約定的格式存放在指定的譯碼結(jié)果緩沖器中。譯碼功能：代碼的識(shí)別和功能代碼的解釋。

73）刀具補(bǔ)償：通常安裝零件加工輪廓軌跡編程，實(shí)際控制刀具中心軌跡，不是刀尖軌跡，需要補(bǔ)償既是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。是實(shí)時(shí)插補(bǔ)錢(qián)要完成的一項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

74）進(jìn)給速度數(shù)據(jù)處理

編程指令給定的是刀具移動(dòng)速度軸各坐標(biāo)合成方向的速度，處理要根據(jù)合成速度計(jì)算出各坐標(biāo)方向分速度，同時(shí)還要對(duì)機(jī)床允許最大和最高速度限制進(jìn)行判別處理。

75）插補(bǔ)：插補(bǔ)的任務(wù)是通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。6）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。需要完成位置電路的調(diào)整，各坐標(biāo)的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，提供定位精度。

77）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號(hào)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(jī)床狀態(tài)、報(bào)警顯示等。還有刀具加工軌跡和動(dòng)態(tài)圖形顯示。9）診斷：具有聯(lián)機(jī)和脫機(jī)診斷功能。聯(lián)機(jī)診斷是指系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下診斷。脫機(jī)診斷用于檢測(cè)存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備和接口等。可以遠(yuǎn)程診斷，通過(guò)電話線連接，檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)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(duì)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(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)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(jī)床的特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能，如補(bǔ)償功能、固定循環(huán)功能、通信功能和人機(jī)對(duì)話編程功能等。

功能：滿足用戶操作和機(jī)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(shí)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(dòng)控制的進(jìn)給軸數(shù)。CNC的進(jìn)給軸分類(lèi)：移動(dòng)軸（X、Y、Z）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C）；基本軸和附加軸（U、V、W）。聯(lián)動(dòng)控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。如數(shù)控車(chē)床一般為兩軸聯(lián)動(dòng)，數(shù)控銑床及加工中心一般需要三軸或三軸聯(lián)動(dòng)。功能：滿足用戶操作和機(jī)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(shí)際使用要求選擇的功能。二.CNC裝置的功能

2.準(zhǔn)備功能（G功能）

——指令機(jī)床動(dòng)作方式的功能。主要有基本移動(dòng)、程序暫停、坐標(biāo)平面的選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、公英制轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值與相對(duì)值的轉(zhuǎn)換等。ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)備功能從G00-G99的100中指令中的大部分進(jìn)行了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，部分可由系統(tǒng)生成廠家根據(jù)特定的控制需要來(lái)定義。G代碼有模態(tài)（績(jī)效特性）和非模態(tài)（一次有效）兩種3.插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能——插補(bǔ)功能數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運(yùn)算的功能。——固定循環(huán)功能數(shù)控系統(tǒng)實(shí)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(jìn)給功能——進(jìn)給速度的控制功能。進(jìn)給速度（每分鐘進(jìn)給量）以每分鐘進(jìn)給距離的形式指定刀具切削進(jìn)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(duì)于直線坐標(biāo)軸，如F15000表示進(jìn)給速度為15000mm/min。對(duì)于回轉(zhuǎn)軸，F(xiàn)120表示進(jìn)給速度是120r/min。4.進(jìn)給功能——進(jìn)給速度的控制功能。同步進(jìn)給速度每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，同步進(jìn)給速度即以機(jī)床主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量規(guī)定的進(jìn)給速度。如0.01mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度?？焖龠M(jìn)給速度—它通過(guò)參數(shù)設(shè)定，制定G00指令采用此速度，還可通過(guò)操作面板上的快速倍率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)此速度。進(jìn)給倍率——操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)，倍率一般在10%-200%之間，使用倍率開(kāi)關(guān)不修改程序中的F代碼，就可以改變機(jī)床的進(jìn)給速度，對(duì)每分鐘進(jìn)給量和每轉(zhuǎn)進(jìn)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(zhuǎn)速——主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位：r/min。恒線速度控制——刀具切削點(diǎn)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(diào)率——人工實(shí)時(shí)修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。6.輔助功能（M功能）

——用于指令機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一部分M功能的意義。負(fù)載功能可以用于規(guī)定主軸的轉(zhuǎn)向、切削液的開(kāi)關(guān)、刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的啟停、刀具的自動(dòng)交換、工件的夾緊與放松、工作臺(tái)的上升、下降和旋轉(zhuǎn)等。7.刀具管理功能——實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)度，供刀具補(bǔ)償功能使用；刀具壽命管理：管理時(shí)間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r(shí)，CNC系統(tǒng)將提示更換刀具；刀具類(lèi)型管理：用于標(biāo)識(shí)刀庫(kù)中的刀具和自動(dòng)選擇加工刀具。8.補(bǔ)償功能刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償功能：實(shí)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(dòng)鏈誤差：包括螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙誤差補(bǔ)償功能。非線性誤差補(bǔ)償功能：對(duì)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(shù)進(jìn)行建模，利用模型實(shí)施在線補(bǔ)償。

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

CNC自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)和故障定位的功能。開(kāi)機(jī)自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠(yuǎn)程通訊診斷。11.通訊功能——CNC與外界進(jìn)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(shí)現(xiàn)直接數(shù)控，MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)模塊，網(wǎng)卡適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求。12.人機(jī)交互圖形編程功能——計(jì)算機(jī)輔助編程功能2、選擇功能1）補(bǔ)償功能CNC裝置可以對(duì)加工過(guò)程中由于刀具磨損或損壞，以及機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)補(bǔ)償。CNC裝置的存貯器中存放著刀具長(zhǎng)度和半徑的響應(yīng)的補(bǔ)償量，加工時(shí)按補(bǔ)償量計(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(kuò)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(jī)對(duì)話編程菜單、零件圖形、對(duì)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(jī)對(duì)話編程功能人機(jī)對(duì)話有助于編程復(fù)雜零件的程序，如藍(lán)圖編程，只要輸入圖形表示幾何尺寸的簡(jiǎn)單命令，通過(guò)編程軟件就能自動(dòng)生成加工程序，對(duì)話式編程可根據(jù)引導(dǎo)圖進(jìn)行示教編程，并具有工序、刀具、切削條件等自動(dòng)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(guò)程的固定循環(huán)，可選擇宏程序來(lái)編制需要的加工程序，可使編程工作簡(jiǎn)化。第二節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）二、CNC數(shù)控裝置的微處理器結(jié)構(gòu)自學(xué)1．單微處理器結(jié)構(gòu)；

在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)微處理器，以集中控制、分時(shí)處理數(shù)控的各個(gè)任務(wù)。而有的CNC系統(tǒng)雖然有兩個(gè)以上的微處理器，但其中只有一個(gè)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(wèn)主存儲(chǔ)器。它們組成主從垂直結(jié)構(gòu)，也被歸于單微處理器結(jié)構(gòu)。2．多微處理器結(jié)構(gòu)；