【文章內容簡介】 量或位置。數控裝置將位移指令與工作臺端測得的實際位置反饋信號進行比較，根據其差值不斷控制運動，使運動部件嚴格按照實際需要的位移量運動；還可利用測速元器件隨時測得驅動電機的轉速，將速度反饋信號與速度指令信號相比較，對驅動電機的轉速隨時進行修正。這類機床的運動精度主要取決于檢測裝置的精度，與機械傳動鏈的誤差無關，因此可以消除由于傳動部件制造過程中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響。圖 是閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖 相比于開環(huán)數控機床，閉環(huán)數控機床精度更高，速度更快，驅動功率更大，但是，這類機床價格昂貴，對機床結構及傳動鏈依然提出了嚴格的要求。傳動鏈的剛度、間隙，導軌的低速運動特性，機床結構的抗振性等因素都會增加系統(tǒng)調試困難。閉環(huán)系統(tǒng)設計和調整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數控機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)數控機床 步進電機驅動電路功率步進電動機 機械傳動鏈機床運動部件輸入脈沖比較器功率放大電路直流或交流伺服電動機機械傳動鏈輸入脈沖 機床運動部件位置檢測裝置南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 54 頁 這類機床的檢測元件裝在驅動電機或傳動絲杠的端部，可間接測量執(zhí)行部件的實際位 置或位移。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的調試十分方便，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)數控機床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但由于機械傳動鏈的誤差無法得到消除或校正，因此它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低。大多數數控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖 是半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖 按控制系統(tǒng)功能水平分 類 按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數控機床分為經濟型、普及型、高級型三類，主要由技術參數、功能指標、關鍵部件的功能水平來決定。這些指標具體包括CPU 性能、分辨率、進給速度、伺服性能、通信功能、聯(lián)動軸數等。 (1) 經濟型數控機床 這類數控機床通常為低檔數控機床，一般采用 8 位 CPU 或單片機控制，分辨率為 10 μ m，進給速度為 6～ 15 m/min，采用步進電機驅動，具有 RS232 接口。低檔數控機床最多聯(lián)動軸數為二軸或三軸，具有簡單 CRT 字符顯示或數碼管顯示功能，無通信功能。 (2) 普及型數控機床 這類數控機床通常為中檔數控機床，一般采用 16 位或更高性能的 CPU，分辨率在 1μ m 以內，進給速度為 15～ 24m/min，采用交流或直流伺服電機驅動；聯(lián)動軸數為 3～ 5 軸；有較齊全的 CRT 顯示及很好的人機界面，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、人機對話、自診斷等功能；具有RS232 或 DNC 接口，通過 DNC 接口，可以實現(xiàn)幾臺數控機床之間的數據通信，也比較器輸入脈沖 前置及功率放大電路直流或交流伺服電動機 脈沖編碼器 機械傳動鏈機床運動部件南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 54 頁 可以直接對幾臺數控機床進行控制。 (3) 高級型數控機床 這類數控機床通常為高檔數控機床，一般采用 32 位或 64 位 CPU，并采用精簡指令集 RISC 作為中央處理單元，分辨率可達 m，進給速度為 15～ 100 m/min，采用數字化交流伺服電機驅動，聯(lián)動軸數在五軸以上，有三維動態(tài)圖形顯示功能。高檔數控機床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網功能，通過采用 MAP(制造自動化協(xié)議 )等高級工業(yè)控制網絡或 Ether (以太網 )，可實現(xiàn)遠程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產的數控機床的聯(lián)網和數控機床進入FMS(柔性制造系統(tǒng) )和 CIMS(計算機集成制造系統(tǒng) )等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 上述這種分類方式沒有嚴格的界限，經濟型 數控是相對于標準數控而言的，在不同時期、不同國家的含義是不一樣的。區(qū)別于經濟型數控，把功能比較齊全的數控系統(tǒng)稱為全功能數控，也稱為標準型數控。 數控機床的特點 ① 加工精度高 數控機床的脈沖當量小，位置分辨率高 。數控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能 。數控機床的傳動系統(tǒng)與機床結構設計，都具有比普通機床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造、裝配精度均比較高，提高了機床本身的精度與穩(wěn)定性 。數控機床采用了自動加工方式，避免了加工過程中的人為干擾 ② 機床的柔性高 改變加工零件只需要新編制（更換）程序 ，就能實現(xiàn)對不同零件的加工 ③ 自動化程度高，勞動強度低 數控機床對零件的加工是根據事先編好的程序自動完成的。在正常加工過程中，操作者只要進行極為簡單的操作，即可完成零件的自動加工，不需要進行繁雜的重復性手工操作，操作者的勞動強度可大為減少。此外，數控機床一般都具有較好的安全防護、自動排屑、自動冷卻和自動潤滑裝置，使操作者的勞動條件也得到了很大改善。 ④ 生產率高 在數控機床上，由于主軸的轉速和進給量都可以任意選擇，由于數控機床的南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 11 頁 共 54 頁 結構剛性好，一般都允許進行較大切削用量的強力切削，提高了數控機床的 切削效率，節(jié)省了實際加工時間 。數控機床的移動部件的空行程運動速度大大高于普通機床， 。數控機床更換被加工零件時一般都不需要重新調整 。數控機床加工零件的尺寸一致性好，質量穩(wěn)定，一般只需要做首件檢驗 。 數控機床可以實現(xiàn)精確、快速定位，節(jié)省了 “ 劃線 ” 時間。 ⑤ 良好的經濟效益 數控機床雖然設備價格較高，分攤到每個零件的加工費用較普通機床高，但使用數控機床加工，可以通過上述優(yōu)點體現(xiàn)出整體效益。特別是數控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，降低了生產成本；此外，數控機床還可一機多用，節(jié)省廠房面積和投資。 ⑥ 有利于現(xiàn) 代化管理 采用數控機床加工，能準確地計算零件加工工時和費用，簡化了檢驗工、夾具，減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產管理的現(xiàn)代化。 小結 數控機床涉及的知識和內容比較多，本章僅對數控機床的基本概念，分類及特點做了概述。 （ 1）數控機床的基本概念。介紹了數控機床的基本組成和工作原理。 （ 2） 數控機床的分類。按工藝方式、控制系統(tǒng)運動方式、控制系統(tǒng)功能水平三方面對數控機床進行了分類。 （ 3）數控機床的特點。介紹了數控機床 擁有加工精度高，機床柔性高，自動化程度高、勞動強度低，生產率高，經濟效 益良好，有利于現(xiàn)代化管理等特點。 南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 12 頁 共 54 頁 計算機數控系統(tǒng) 概述 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。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織管理數控系統(tǒng)的輸入、數據處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數控機床按照操作者的要求進行自動加工。 CNC 系統(tǒng)采用了計算機作為控制部件，通常由常駐在其內部的數控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數控功能，從而對機床運動進行實時控制。只要改變 CNC 系統(tǒng)的控制軟件就能實現(xiàn)一種全新的控制方式。 各種數控機 床的 CNC 系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：中央處理單元 (CPU)、只讀存儲器 (ROM)、隨機存儲器 (RAM)、輸入 /輸出設備 (I/O)、操作面板、 PLC、顯示器和鍵盤等。圖 CNC 系統(tǒng)的一般結構框圖。 圖 CNC系統(tǒng)的一般結構框圖 在圖 所示的整個 CNC 系統(tǒng)的結構框圖中，數控系統(tǒng)主要是指 CNC 控制器。 CNC控制器由數控系統(tǒng)硬件、軟件構成的專用計算機與 PLC 組成。前者主要處理機床軌跡運動的數字控制，后者主要處理開關量的邏輯控制。 南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 13 頁 共 54 頁 CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過 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，通過軟件可以實現(xiàn)很多功能。數控系統(tǒng)有多種系列，功能各異。數控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙悼叵到y(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能。 CNC系統(tǒng)的功能主要反映在 G 功能 (G 指令代碼 )和 M 功能 (M 指令代碼 )上。根據數控機床的類型、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)能控制的軸數和能同時控制 (聯(lián)動 )的軸數是其主要性能之一?？刂戚S有移動軸 和回轉軸。通過軸的聯(lián)動可以完成輪廓軌跡的加工。一般情況下，數控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動；數控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動或二軸半聯(lián)動；而加工中心一般為多軸控制，三軸聯(lián)動?？刂戚S數越多，特別是同時控制的軸數越多，要求 CNC 系統(tǒng)的功能就越強，同時 CNC 系統(tǒng)就越復雜，編制程序也越困難。 2) G 功能 G 功能也稱 G指令代碼，它用來指定機床的運動方式，包括基本移動、平面選擇、坐標設定、刀具補償、固定循環(huán)等指令。對于點位式的數控機床，如數控鉆床、數控沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。對于輪廓控制的數控機床，如數控車 床、數控銑床、加工中心等，需要控制系統(tǒng)有兩個或兩個以上的進給坐標具有聯(lián)動功能。 3) 插補功能 CNC 系統(tǒng)是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動軌跡控制的。由于輪廓控制的實時性很強，軟件插補的計算速度難以滿足數控機床對進給速度和分辨率的要求，同時由于 CNC 不斷擴展其他方面的功能也要求減少插補計算所占用的 CPU 時間。因此， CNC 的插補功能實際上被分為粗插補和精插補，插補軟件每次插補一個輪廓步長的數據為粗插補，伺服系統(tǒng)根據粗插補的結果，將輪廓步長分成單個脈沖的輸出稱為精插補。有的數控機床采用硬件進行精插補。 4) 進給功能 南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 14 頁 共 54 頁 根據加工工藝要求， CNC 系統(tǒng)的進給功能用 F 指令代碼直接指定數控機床加工的進給速度。 (1) 切削進給速度。指刀具每分進給的距離 (毫米 )，如 100mm/min。對于回轉軸，以每分鐘進給的角度指定刀具的進給速度。 (2) 同步進給速度。指刀具主軸每轉進給的距離 (毫米 )，如 。只有主軸上裝有位置編碼器的數控機床才能指定同步進給速度，用于切削螺紋的編程。 (3) 進給倍率。操作面板上設置了進給倍率開關，倍率可以在 0～ 200%之間變化，每擋間隔 10%。使用倍率開關不用修改程序就可以改變進 給速度，并可以在加工工件時隨時改變進給速度或在發(fā)生意外時隨時停止進給。 5) 主軸功能 主軸功能就是指定主軸轉速的功能。 (1) 轉速的編碼方式。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量和在加工不同直徑外圓時具有相同的切削速度。 (3) 主軸定向準停。該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止，有自動換刀功能的機床必須選取有這一功能的 CNC 裝置。 6) M功能 M 功能用來指定主軸的啟、 停和轉向；切削液的開和關；刀庫的啟和停等，屬開關量的控制。它用 M 指令代碼表示?，F(xiàn)代數控機床一般用 PLC 控制。各種型號的數控裝置具有的 M 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字，代表刀具的編號。 8) 補償功能 補償功能通過輸入到 CNC 系統(tǒng)存儲器的補償量，根據編程軌跡重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的工件。補償功能主要有以下幾種。 (1) 刀具的尺寸補償。如刀具長度補償、刀具半徑補償和刀尖圓弧 半徑補償。南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計 第 15 頁 共 54 頁 這些功能可以補償刀具磨損量，以便換刀時對準正確位置，簡化編程。 (2) 絲杠的螺距誤差補償、反向間隙補償和熱變形補償。通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到 CNC 系統(tǒng)中，在實際加工中進行補償，從而提高數控機床的加工精度。 9) 字符、圖形顯示功能 CNC 控制器可以配置數碼管 (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，通過軟件和硬件接口實現(xiàn)字符和圖形的顯示。通?？梢燥@示程序、參數、各種補償量、坐標位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形及刀具實際運動軌 跡的坐標等。 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，以減少停機時間， CNC 系統(tǒng)中設置了各種診斷程序。不同的 CNC 系統(tǒng)設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)運行過程中進行檢查和診斷；也可以作為服務性程序，在系統(tǒng)運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。有的 CNC系統(tǒng)可以進行遠程通信診斷。 11) 通信