数控技术

数控技术

1、什么是NC和CNC?

数控在业界的应用已经超过50年。简单地说，数字控制就是基于代码，自动操作制造类机床的一种方法，这些代码由字母、数字和特殊字符组成。所谓的程序就是用于执行某一操作的一整套代码表示的指令。程序被转换成相应的电子信号输入到电机中从而驱动机床运转。

计算机数控机床就是在NC机床基础上附加一个内嵌式计算机。这种内嵌式计算机通常被称为机床控制单元或MCU。CNC系统的组成，如图1-1所示。

机床控制单元：生成、存储和处理CNC程序。

NC机床：响应来自机床控制单元的程序信号并加工零件。

CNC设备的类型

加工中心在CNC技术中属于最前沿的发展。这些系统装有自动换刀装置，可换刀具数高达90把甚至更多。它们中许多都配有矩形工作台，即托盘系统。这种托盘系统用来自动装卸工件。加工中心只需一次装卡就可以完成铣、钻、攻丝、镗等多种加工操作。

具有大容量刀库的车削中心在现代制造厂中占据着显著位置。这些CNC机床能对旋转的工件同时进行多种车削加工。

除加工中心和车削中心之外，CNC技术还被广泛用于其他许多类型的设备，其中包括线切割机床和激光切割机。

2、 CNC加工中心

在第一单元中已经简要介绍了CNC加工中心。从定义上讲，加工中心就是装有某种形式的自动换刀系统的CNC机床，它可以执行多种加工操作。在加工中心的发展过程中，从铣床和钻床中分别发展出了卧式和立式加工中心。

立式加工中心的主轴走向是竖直的，和钻床相似。立式加工中心往往具有小马力、小直径和高转速的特点。安装在机床上的自动换刀系统(通常位于机床的左侧)可以在没有操作者干预的情况下，自动将刀具装在主轴上。基本的立式加工中心可以沿三个方向运动，或者说有三个轴。工作台能够从左向右移动(X轴)，也可以里外移动即接近或远离操作员(y轴)，主轴箱或者主轴能够上下移动(Z 轴)。长而平的工件易于安装在立式加工中心上，而且主轴产生的冲击力易于被工件吸收。立式加工中心比卧式加工中心，成本低，这是它受青睐的一个重要的原因。立式加工中心如图2-1。

和铣床相似，卧式加工中心重量较大且速度较慢。立式加工中心与卧式加工中心在工业中的比例约为2:1。卧式加工中心的主轴走向是水平的。同样，自动换刀系统也用于主轴的自动换刀。工作台从左到右移动(从主轴的方向看)仍旧是X轴。但这里的Y轴是主轴的上下移动。而工作台靠近和远离主轴的运动是Z轴。卧式加工中心如图Z-2。

3、现代机床的控制

CNC机床的运动控制系统主要有两个：开环系统和闭环系统。环路系统发出电信号来驱动电机控制器，并从电机控制器中接受某种形式的电反馈。决定工件加工误差大小的一个重要因素就是控制系统酌妥画。

开环系统

开环系统利用步进电机来驱动机床运动。对于每一次接收的脉冲，这些电机都会转过一个固定的角度，通常为1.8。步进电机由MCU产生的电信号来驱动。它们与机床工作台上的滚珠丝杠和主轴相连。每接收到一个信号它们就会驱动工作台和主轴移动一个固定的量。电机控制器反馈信号表示电机已经完成了指定的运动。但是，该反馈并不用于检测机床的实际运动与程序要求的精确运动的接近程度，请参看图3-1。

闭环系统在闭环系统中通常是用特殊的电机即所谓的伺服电机来执行机床运动的。电机的类型有AC、。DC和液压型伺服电机三种。作为功率最高的伺服电机，液压型电机常在大型CNC机床中使用。AC伺服电机的功率仅次于液压伺服，被应用到许多加工中心上。

伺服电机不像步进电机那样根据脉冲数运动。AC和DC伺服电机的速度可变，其大小决定于电流强度。而液压型伺服电机的速度则决定于流过它的液体量。来自MCIJ的电流强度决定伺服电机的转速。

伺服电机是和主轴相连的，它们还通过滚珠丝杠与机床工作台相连。旋转变压器持续监控工作台和主轴的移动量，并将该信息传回MCU，于是MCU就可以调整信号使工作台或主轴的实际位置不断接近程序规定的位置。这种能够提供反馈信号的系统就称为伺服系统。即便驱动电机的功率范围很大，它们也能对刀具进行高精度定位，请参看图3-2。

近来，开环系统在CNC的应用中重新引起了大家的兴趣。由于步进电机的精确度和功率的提高，某些情况下就没有必要采用昂贵的反馈系统硬件。这种新系统可以大大地降低机床及其维护成本。

4 、刀具定位模式

在任意时刻，CNC刀具的位置都由一个具有XYZ坐标系的系统来控制，这个系统叫笛卡儿坐标系。此系统由三条带方向的直线组成，我们称这三条直线为轴，它们之间的交角为90。。坐标系的交点称为原点。XY坐标平面被划分为四个象限。一对(X，Y)坐标的值决定了该点到原点的X向和Y向距离，其符号决定了该点所处的象限。图4-1对这一概念进行了说明。

在一个给定的机床轴坐标系统中，我们可以通过以下方式对CNC系统进行编程从而定位刀具：绝对式、增量式以及混合式(绝对式和增量式)。

在这种模式下，机床从一固定的点或特定的原点(0，0)来测定刀具的每一个位置。请参照图4-2。

增量式定位

机床在这种模式下定位新的刀具位置时，是通过测量新刀位到上一刀位的距离来确定的。图4-3对增量式定位进行了说明。

增量式定位同时也具有一些缺陷，其中最值得注意的是如果一次增量运动有错误，那么所有的其他后续运动都将出错。

许多现代控制器在两种定位模式下都可以工作，程序员只要简单地输入一个代码，就可以在两种模式间任意切换。

5、刀具直径补偿

为什么要进行刀具直径补偿?

采用刀具直径补偿法编程时，可以直接对工件的几何外形而不是对刀心进行

编程。事实上，程序员对刀具轨迹编程时可以认为刀具半径为O。在运行程序之前，刀具的实际半径分别被输入并保存在MCU的刀具存储器中。而运行程序时，机床将读取刀具半径值并自动将刀心轨迹偏移一个半径值。在许多情况下，我们都可以用这种方法达到高精度的侧铣和精确的圆切割。此外，有了它，程序员还可以对不同材料和半径的刀具采用相同的刀心轨迹进行编程。

刀具直径补偿具有以下主要优点：

（1）、确定刀具轨迹的数学计算大大简化了。

（2）、因为是对零件的外形，而不是对刀心进行编程，所以同一个程序适用于多种不同直径的刀具。

（3）、同一个程序既可以用于粗加工，也可以用于精加工。

（4）、内外轮廓的加工程序可共用同一程序。

怎样用刀具补偿法编程?

通过程序字G41或G42调用刀具直径补偿。系统让刀具沿偏置矢量方向发生偏移，偏移量的大小预先存放在D寄存器中。矢量的方向会自动调节，这样就可以保证刀具在移动中始终与工件边界线相切。紧随G41或G42之后的两个运动命令应该包含合适的沿斜线进入补偿状态的信息。首先读到的必须是GOO或G01直线运动代码，从而生成偏置矢量。控制器用接下来读到的运动代码确定矢量的方向。

现在让我们来仔细学习一下G41指令吧。

左侧刀具直径补偿

G41 Xn Yn Dn(Xy平面)

其中：

G41指示控制器使刀具向刀具运动方向的左侧发生偏移。偏置将在下一个Xy平面内的直线运动时生效。

Dn指定存放刀具半径偏移量的内存地址。

n指定存放偏移量的存储器的号码。

右侧刀具直径补偿指令G42 xn Yn Dn(xy平面)同左侧刀具直径补偿非

常相似，只是刀具要向运动方向的右侧发生偏移。

6、计算机辅助零件编程

（1）、计算机辅助数控编程的发展

以前编程都是手工进行的，程序由一个个字地址写成，这些程序往往只适合在某些特定控制器上运行。确定刀具轨迹时必须用到三角计算。当操作者在键盘上把程序输入机床控制单元时，数控机床需要暂停。当加工试件和检测结果时，数控机床也要停下来进行程序验证。

然而，数字计算机已经改变了编写、检查与运行程序的方式。由计算机带来的最引人注目的提高包括：脱机编程，计算机辅助编程语言的利用与计算机辅助设计、制造编程的应用。

运行工件程序和加工工件时，CNC机床处于工作的最优状态。脱机编程和测试使这一目标得以实现。利用文本编辑软件可以直接用字地址代码(G代码与M 代码)来编辑程序。这些程序可以进行测试，并储存在穿孔纸带、磁盘、塑料磁盘或CD-ROM光盘里。如果远程计算机与数控机床有通信线联接的话，那么此程序便可直接下载到机床的控制器里，此技术称为脱机编程。

（2）、计算机辅助零件编程

CAD/CAM指的是计算机辅助设计与计算机辅助制造，资深的编程员利用这