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                       機床CNC基礎(chǔ)知識
  
  一． CNC 機床與CNC 系統(tǒng)
    CNC 的含義是計算機數(shù)值控制。
  1． CNC 機床
  ⑴．金屬切削用
    孔加工、攻絲、鏜削、銑削、車削、切螺紋、切平面、輪廓加工、平面磨削、外圓磨削、內(nèi)圓磨削等。
  ⑵．線電極切割機。
  ⑶．沖床、步?jīng)_、沖壓、金屬成型、彎管等機床。
  ⑷．產(chǎn)業(yè)機器人。
  ⑸．注塑機。
  ⑹．檢測、測量機。
  ⑺．木工機械。
  ⑻．特殊材料加工機械：如加工石材、玻璃、發(fā)射性礦料等。
  ⑼．特種加工機械
    激光加工機、氣體切割機、焊接機、制圖機、印刷機等。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)以及IT 技術(shù)的發(fā)展，目前，這些機床與加工設(shè)備都可用數(shù)值計算機用數(shù)值數(shù)據(jù)進行控制，稱為CNC 控制。
  2． CNC 系統(tǒng)
    CNC 系統(tǒng)的含義是計算機數(shù)值控制系統(tǒng)。
    CNC 系統(tǒng)的基本配置
    機床的CNC 控制是集成多學(xué)科的綜合控制技術(shù)。一臺CNC 系統(tǒng)包括：
 ⑴．CNC 控制單元（數(shù)值控制器部分）。
 ⑵．伺服驅(qū)動單元和進給伺服電動機。
 ⑶．主軸驅(qū)動單元和主軸電動機。
 ⑷．PMC（PLC）控制器。
 ⑸．機床強電柜（包括刀庫）控制信號的輸入/輸出（I/O）單元。
 ⑹．機床的位置測量與反饋單元（通常包括在伺服驅(qū)動單元中）。
 ⑺．外部軸（機械）控制單元。如：刀庫、交換工作臺、上下料機械手等的驅(qū)動軸。
 ⑻．信息的輸入/輸出設(shè)備。如電腦、磁盤機、存儲卡、鍵盤、專用信息設(shè)備等。
 ⑼．網(wǎng)絡(luò)。如以太網(wǎng)、HSSB（高速數(shù)據(jù)傳輸口）、RS-232C 口等和加工現(xiàn)場的局域網(wǎng)。CNC 單元（控制器部分）的硬件實際上就是一臺專用的微型計算機。是CNC 設(shè)備制造廠自己設(shè)計生產(chǎn)的專門用于機床的控制的核心。下面的幾張圖表示出其基本硬件模塊；基本的控制功能模塊和一臺實際的控制器硬件。
  二．機床的運動坐標(biāo)及進給軸
    一臺機床有幾個運動軸執(zhí)行加工時的切削進給，因此稱其為進給軸。機床開機后以機床零點為基準(zhǔn)建立了機床的機械坐標(biāo)系（直角坐標(biāo)系）。每個軸對應(yīng)于其中的一個相應(yīng)的坐標(biāo)。軸有直線運動的，有回轉(zhuǎn)運動的。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 對坐標(biāo)軸的方向與名稱是有規(guī)定的。如下圖。根據(jù)規(guī)定，按直角坐標(biāo)系右手法則定義各坐標(biāo)軸，Z 軸正方向一般為機床主軸的方向。X、Y、Z 定義為直線運動軸；U、V、W 為分別平行于X、Y、Z 的直線運動軸；A、B、C 為回轉(zhuǎn)運動軸，分別圍繞X、Y、Z 運動，其正方向符合右手螺旋規(guī)則。CNC 控制時用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C 等指令被控的坐標(biāo)軸，用數(shù)值指令其運動的距離，正負(fù)號指令移動方向，F(xiàn) 指令運動速度。例如：
  G01 X120 Y-300 F1000；
  意義是G01：X 軸與Y 軸協(xié)調(diào)運動，加工一條直線；X120，Y-300：X 軸走120mm；Y 軸走－300mm；F：進給速度為1000mm/分。
  三．CNC 插補與位置控制指令的輸出
  1．軌跡運動的插補計算--插補器
    CNC 對機床的坐標(biāo)運動進行控制。在控制原理上這是位置量控制系統(tǒng)。需要控制的是：幾個軸的聯(lián)動，運動軌跡（加工輪廓）的計算：最重要的是保證運動精度和定位精度（動態(tài)的輪廓幾何精度和靜態(tài)的位置幾何精度）；各軸的移動量（mm）；移動速度（mm/分）；移動方向；起/制動過程（加速/降速）；移動的分辨率。現(xiàn)代的CNC 系統(tǒng)是純電氣的控制系統(tǒng)。進給軸的移動是由伺服電動機執(zhí)行的。通常，一個進給軸由一個伺服電動機驅(qū)動。電動機由伺服放大器供給動力。伺服放大器的工作由CNC 的插補器的分配輸出信號控制。
    CNC 對機床進給軸的控制，是執(zhí)行事先編制好的加工程序指令。程序指令是按零件的輪廓編制的加工刀具運動軌跡（如上圖）。程序是根據(jù)零件輪廓分段編制的。一個程序段加工一段形狀的輪廓。輪廓形狀不同，使用不同的程序指令（零件輪廓形狀元素）。
  例如：G01---直線運動指令； G02---順時針圓弧運動指令；G03---逆時針運動圓弧指令；G32（G33）---螺紋加工……
   但是，在一段加工指令中，只是編寫此段的走刀終點。如：下面一個程序段要加工X-Y 平面上一段圓弧，程序中只指令了終點的坐標(biāo)值X100；Y-200： G90 G17 G02 X100. Y-200. R50. F500；此段的起點已在前一段編寫，就是前段的終點。因此，加工此段時，如上圖所示，CNC 控制器即計算機處理器只知道該段的起點和終點坐標(biāo)值。段中的刀具運行軌跡上其它各個點的坐標(biāo)值必須由處理器計算出來。處理器是依據(jù)該段輪廓指令（G02）和起點和終點的坐標(biāo)值計算的，即必須算出希望加工的工件輪廓，算出在執(zhí)行該段指令過程中刀具沿X 軸和Y 軸同時移動的中間各點的位置。X 軸和Y 軸的合成運動即形成了刀具加工的工件輪廓軌跡。除此之外，在程序中必須指令運動速度（加工速度），如：F500（mm/min）。在位置計算時，要根據(jù)輪廓位置算出對應(yīng)點的刀具運動方向速度。此例中是分別算出沿X 軸各點的對應(yīng)速度和沿Y軸各點的對應(yīng)速度。實現(xiàn)上述運算的機構(gòu)稱之為插補器。插補器每運算一次稱為一個插補周期，一般為8ms；計算復(fù)雜型面的插補器使用高速CPU，插補周期可縮短，目前可達2ms。一個程序段分多個插補周期，取決于輪廓形狀和輪廓尺寸。執(zhí)行上例程序段的指令是進行順時針圓弧的插補。是執(zhí)行以圓弧計算公式為基礎(chǔ)的插補子程序。計算時的判斷條件是：不斷地執(zhí)行刀具沿X 軸向和Y 軸向的進給，每進給一個脈沖當(dāng)量即判斷是否到達終點，是否超差，計算方向是順時針，進給當(dāng)量是1μm/脈沖，速度是500mm/min。
   CNC 的系統(tǒng)控制軟件中包括了多個插補子程序，工件形狀的每一種幾何元素均對應(yīng)著刀具的一種幾何運動，因此就要求CNC 有相應(yīng)的插補子程序。這就是CNC 系統(tǒng)控制軟件中控制坐標(biāo)軸運動的G 代碼。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08……。還有一些子程序是考慮加工工藝的要求控制刀具運動的。G 代碼越多，CNC 的功能也就越強。用這些G 代碼編制零件的加工程序。CNC 的系統(tǒng)控制軟件是用匯編語言編制的。不同類型的機床使用不同的CNC 系統(tǒng)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)的控制軟件是完全不同的。插補器的硬件是CNC 的主CPU。當(dāng)然，還有用純硬件的插補器。
  2．插補脈沖的分配輸出
    經(jīng)過插補運算，算出了加工所要求的工件形狀在同一時間周期（插補周期）內(nèi)各個坐標(biāo)軸移動的距離（移動量），它是以脈沖數(shù)表示的，如：在本插補周期內(nèi)X 軸進給25 個脈沖；Y 軸進給50個脈沖，分別送給對應(yīng)的坐標(biāo)軸，作為相應(yīng)軸的位置移動指令。脈沖序列有正負(fù)號，指令對應(yīng)軸的運動方向；脈沖序列按一定的頻率輸出，指令該軸的運動速度。這一裝置叫做脈沖分配器為了防止產(chǎn)生加工運動的沖擊、提高加工精度和光潔度，在脈沖分配給各進給軸之前，對進給速度都進行加/減速。如下圖所示，CNC 可實現(xiàn)兩種加/減速控制：插補前加/減速和插補后加/減速。插補后通常用直線型或指數(shù)型加減速方法：指數(shù)型加/減速的速度變化比較平滑，因而沖擊小，但是速度指令的滯后較大。相反，直線型加減速的速度變化迅速，時間常數(shù)設(shè)得較小時會造成沖擊，引起機床的震動。但是，加工出的零件輪廓可能與裎編的輪廓接近。插補前用直線型加減速方法，這樣可以減小加工的形狀誤差。除此之外，為了提高加工精度和加工速度，還開發(fā)了預(yù)讀/預(yù)處理多個程序段、精細(xì)加減速等CNC 軟件。
  3． 加工刀具的偏置及補償
    上述插補的位置脈沖，是按工件輪廓編制的程序計算出來的，即刀具中心點的運行軌跡是工件的輪廓�？紤]到刀具有半徑和不同的長度，實際加工時刀具中心不能按此軌跡行進，必須根據(jù)實際使用的刀具，計入其實際半徑和長度，由CNC 計算出實際刀具的中心軌跡，按此軌跡控制刀具的移動。此功能叫做“刀具的偏置及補償”。
  ⑴．刀具半徑偏置，補償
    如下圖所示，實際的刀具中心軌跡與按照零件輪廓尺寸編制的CNC 加工程序軌跡偏移了一個刀具半徑的尺寸。在編程時，用G 指令（G41，G42）告訴CNC 的插補器執(zhí)行刀具半徑的偏置計算，插補器即按照實際的刀具半徑計算出刀具的中心軌跡，以此控制刀具的行進。就是說，上述脈沖分配器輸出的給各個進給軸的脈沖數(shù)，是插補的零件輪廓偏移了一個刀具半徑后的刀心軌跡的進給脈沖數(shù)。 每個軸的補償脈沖分別送給相應(yīng)的進給軸。實際刀具的半徑值在加工前必須輸入至刀具補償存儲器。刀具補償存儲器可同時存儲多把刀具的幾何尺寸（半徑值）。加工中用哪一把刀具，由程序用刀具號指定，如：T102。根據(jù)程序中指令的刀號，CNC 插補器找到實際的刀具半徑值執(zhí)行計算。G41 為左刀補：沿著刀具行進的方向看，在工件的左側(cè)加補償；G42：沿著刀具行進的方向，在工件的右側(cè)加補償。加工前，用一把刀具的長度作為基準(zhǔn)，將實際加工中使用的各把刀具先測量好其與基準(zhǔn)刀具刀長的正、負(fù)差值，將這一差值與上述的刀具半徑值一樣按刀號輸入刀具補償存儲器。編制加工程序時，編入刀具號。加工的開始，用基準(zhǔn)刀具的刀尖對刀。CNC 執(zhí)行加工程序時，根據(jù)程序中指令的刀號找出刀長的差值，按刀長差值的符號伸長或縮短，進行補償。 上圖是銑床刀具長度的補償，只有Z 向補償。對于車床，有X 和Z 兩個方向。如下圖所示。在銑床類的CNC 系統(tǒng)中，用G43 和G44 指令刀具的長度補償，G43 為正刀補，即將刀具補償值加到程序指令的終點坐標(biāo)值上。G44 為負(fù)刀補，即由程序指令的終點坐標(biāo)值減去刀具的補償值。加工復(fù)雜形狀的零件（如模具）需要用多個坐標(biāo)軸同時移動的多坐標(biāo)插補器。當(dāng)然也必須用多坐標(biāo)（多維）的刀具補償。
  四．運動誤差的補償
  1． 運動軸反向時的間隙補償（失動量補償）
    在機床工作臺的運動中從某一方向變?yōu)橄喾捶较虻姆聪驎r刻，會由于滾珠絲杠和螺母的間隙或絲杠的變形而丟失脈沖，就是所說的失動量。在機床上打表實測各軸的反向移動間隙量，根據(jù)實測的間隙值用參數(shù)設(shè)定其補償量------補償脈沖數(shù)（1μm/脈沖）。這樣，在工作臺反向時、執(zhí)行CNC 的程序指令的移動前，CNC 將補償脈沖經(jīng)脈沖分配器、按CNC 事先設(shè)定的速率輸出至相應(yīng)軸的伺服放大器，對失動量補償。反向間隙值與工作臺的移動速度有關(guān)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)可以對G00（快速移動）和進給速度（F）下的間隙分別進行補償。
  2．螺距誤差補償
    機床使用的滾珠絲杠，其螺距是有誤差的。CNC 可對實測的各進給軸滾珠絲杠的螺距誤差進行補償。通常是用激光干涉儀測量滾珠絲杠的螺距誤差。測量的基準(zhǔn)點為機床的零點。每隔一定的距離設(shè)置一個補償點，該距離是用參數(shù)設(shè)定的。當(dāng)然，各軸可以任意設(shè)定，比如：X 軸的行程長，設(shè)為50mm 補一個點，Z 軸行程短或是要求移動精度高，設(shè)為20mm 補一個點……。補償值根據(jù)實際測量的滾珠絲杠誤差確定，其值（補償脈沖個數(shù)）按照補償點號（從基準(zhǔn)點即機床零點算起）設(shè)入CNC 的螺距誤差補償存儲器，如下圖所示。通常，一個補償脈沖的當(dāng)量是一個μm。補償值可正、可負(fù)。在進給軸運動時，CNC 實時檢測移動距離，按照這些事先設(shè)定的參數(shù)值在各軸的相應(yīng)補償點給各軸分別輸出補償值，使相應(yīng)軸在CNC 插補輸出脈沖的基礎(chǔ)上多走或少走相應(yīng)的螺補脈沖數(shù)。近來，CNC 系統(tǒng)開發(fā)了按工作臺移動方向的雙向螺距誤差的補償功能。進一步提高了進給軸的移動精度。
  五．信息、數(shù)據(jù)的輸入、輸出控制
    CNC 的輸入信息與數(shù)據(jù)包括加工程序，功能參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)，機床參數(shù)，伺服控制參數(shù)，主軸控制參數(shù)，PMC 參數(shù)，刀具數(shù)據(jù)，Macro(宏)變量，坐標(biāo)系，專用軟件數(shù)據(jù)……這些信息與數(shù)據(jù)由信息輸入/輸出操作設(shè)備經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)口輸入或輸出。
  1． 數(shù)據(jù)的輸入、輸出設(shè)備
    CNC 系統(tǒng)目前常用的I/O 設(shè)備有：⑴. 鍵盤：為了減小安裝尺寸，通常是專門設(shè)計的，稱為MDI 鍵盤，向CNC 輸入信息與數(shù)據(jù)，用于操作CNC 單元。⑵. 機床操作面板：操作工操作機床的各種動作。⑶. PC 機。⑷. 軟磁盤驅(qū)動器(Handy file)：FANUC 系統(tǒng)的專用設(shè)備。⑸. Panel- i：FANUC系統(tǒng)的專用設(shè)備。 ⑹. Flash 存儲卡等等。每一種設(shè)備都有相應(yīng)的驅(qū)動與控制程序。
  2． 數(shù)據(jù)的輸入、輸出口
    CNC 控制器上配有幾種數(shù)據(jù)傳送口，用于與外界數(shù)據(jù)設(shè)備的連接。
 ⑴. RS-232C 口：連接PC機、軟磁盤驅(qū)動器等有串行通訊口的設(shè)備。
 ⑵. HSSB：高速串行數(shù)據(jù)總線，用于與PC 機或Panel- i連接，高速傳送數(shù)據(jù)。
 ⑶. I/O Link：是基于RS-485 的數(shù)據(jù)口，日本的工業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于傳送機床強點控制的I/O 信號信息。
 ⑷. 以太網(wǎng)。
 ⑸. 現(xiàn)場局部網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于⑷和⑸，下面專門敘述。
  3． 顯示器
    用來顯示系統(tǒng)的操作與運行的現(xiàn)狀與結(jié)果,顯示加工仿真圖形。目前的FANUC 系統(tǒng)已經(jīng)全部使用LCD 顯示器。這種顯示器體積小,彩色顯示器的色彩豐富，加工件的仿真非常逼真。
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