【文章內(nèi)容簡介】 致性好，質(zhì)量穩(wěn)定，一般只需要做首件檢驗。 數(shù)控機床可以實現(xiàn)精確、快速定位，節(jié)省了“劃線”時間。 數(shù)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(shù)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(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，降低了生產(chǎn)成本；此外，數(shù)控機床還可一機多用，節(jié)省廠房面積和投資。 采用數(shù)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(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 小結(jié) 數(shù)控機床涉及的知識和內(nèi)容比較多，本章僅對數(shù)控機床的基本概念，分類及特點做了概述。（1）數(shù)控機床的基本概念。介紹了數(shù)控機床的基本組成和工作原理。（2）數(shù)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(shù)控機床進行了分類。（3）數(shù)控機床的特點。介紹了數(shù)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(chǎn)率高，經(jīng)濟效益良好，有利于現(xiàn)代化管理等特點。計算機數(shù)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(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)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(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)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(shù)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。 系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。圖 CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖在圖 所示的整個CNC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中，數(shù)控系統(tǒng)主要是指CNC 控制器。CNC控制器由數(shù)控系統(tǒng)硬件、軟件構(gòu)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(shù)字控制，后者主要處理開關(guān)量的邏輯控制。 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(shù)控系統(tǒng)有多種系列，功能各異。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據(jù)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(jù)數(shù)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(shù)和能同時控制(聯(lián)動)的軸數(shù)是其主要性能之一。控制軸有移動軸和回轉(zhuǎn)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(shù)控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動；數(shù)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。控制軸數(shù)越多，特別是同時控制的軸數(shù)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(shù)控機床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。對于輪廓控制的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)為粗插補，伺服系統(tǒng)根據(jù)粗插補的結(jié)果，將輪廓步長分成單個脈沖的輸出稱為精插補。有的數(shù)控機床采用硬件進行精插補。4) 進給功能根據(jù)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)進給的距離(毫米)。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)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(guān)，倍率可以在0～200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開關(guān)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(zhuǎn)速的功能。(1) 轉(zhuǎn)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(shù)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(zhì)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(zhuǎn)向；切削液的開和關(guān)；刀庫的啟和停等，屬開關(guān)量的控制。它用M 指令代碼表示?，F(xiàn)代數(shù)控機床一般用PLC 控制。各種型號的數(shù)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(shù)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(jù)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。這些功能可以補償?shù)毒吣p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(shù)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(shù)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(shù)、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) 通信功能為了適應柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的需求，CNC 裝置通常具有RS232C通信接口，有的還備有DNC接口。也有的CNC還可以通過制造自動化協(xié)議(MAP)接入工廠的通信網(wǎng)絡。12) 人機交互圖形編程功能為了進一步提高數(shù)控機床的編程效率，對于數(shù)控程序的編制，特別是較為復雜零件的數(shù)控程序都要通過計算機輔助編程，尤其是利用圖形進行自動編程，以提高編程效率。因此，對于現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)一般要求具有人機交互圖形編程功能。有這種功能的CNC 系統(tǒng)可以根據(jù)零件圖直接編制程序，即編程人員只需輸入圖樣上簡單表示的幾何尺寸就能自動地計算出全部交點、切點和圓心坐標，生成加工程序。有的CNC 系統(tǒng)可根據(jù)引導圖和顯示說明進行對話式編程，并具有自動工序選擇、刀具和切削條件的自動選擇等智能功能。有的CNC 系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能(如日本FANUC系統(tǒng))。這些功能有助于那些未受過CNC編程專門訓練的機械工人能夠很快地進行程序編制工作。2. CNC系統(tǒng)的一般工作過程1) 輸入輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機床參數(shù)和刀具補償參數(shù)。機床參數(shù)一般在機床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補償參數(shù)。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級計算機DNC通信輸入等。CNC系統(tǒng)輸入工作方式有存儲方式和數(shù)控方式。存儲方式是將整個零件程序一次全部輸入到CNC系統(tǒng)內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出，該方式應用較多。數(shù)控方式是CNC系統(tǒng)一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內(nèi)容。2) 譯碼譯碼以零件程序的一個程序段為單位進行處理，把其中零件的輪廓信息(起點、終點、直線或圓弧等)，F(xiàn)、S、T、M 等信息按一定的語法規(guī)則解釋(編譯)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(nèi)存專用區(qū)域。編譯過程中還要進行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。3) 刀具補償?shù)毒哐a償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關(guān)。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進行。刀具補償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成刀具中心(刀位點)相對于工件的移動軌跡。刀具補償包括 B 機能和C 機能刀具補償功能。在較高檔次的CNC 系統(tǒng)中一般應用C機能刀具補償，C 機能刀具補償能夠?qū)崿F(xiàn)程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判斷等功能。4) 進給速度處理數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標合成運動方向上的速度，即F 代碼的指令值。速度處理首先要進行的工作是將各坐標合成運動方向上的速度分解成各進給運動坐標方向的分速度，為插補時計算各進給坐標的行程量做準備；另外對于機床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。有的數(shù)控機床的CNC 系統(tǒng)軟件的自動加速和減速也放在這里。5) 插補零件加工程序段中的指令行程信息是有限的。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點坐標；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點坐標外，還給定其圓心坐標或圓弧半徑。要進行軌跡加工，CNC 系統(tǒng)必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進行“數(shù)據(jù)點密化”的工作，這就是插補。插補在每個規(guī)定的周期(插補周期)內(nèi)進行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補周期后，插補完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)點密化”工作。6) 位置控制位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，如圖 所示。它的主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置值與實際反饋位置值進行比較，用其差值控制進給電動機。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償?shù)?，以提高機床的定位精度。 位置控制的原理7) I/O處理CNC 系統(tǒng)的I/O 處理是CNC 系統(tǒng)與機床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機床運動過程中的有關(guān)參數(shù)輸入到CNC 系統(tǒng)中；另一方面是將CNC 系統(tǒng)的輸出命令(如換刀、主軸變速換擋、加切削液等)變?yōu)閳?zhí)行機構(gòu)的控制信號，實現(xiàn)對機床的控制。8) 顯示CNC 系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有LED 顯示器、CRT 顯示器和LCD 顯示器，一般位于機床的控制面板上。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警信息顯示等。有的CNC 裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)模擬加工圖形顯示。上述CNC 所示。 CNC系統(tǒng)的工作流程 計算機數(shù)控中的可編程邏輯控制器 PLC及其工作過程可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC，是一類以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，既能控制開關(guān)量，也能控制模擬量。近年來PLC 技術(shù)發(fā)展很快，每年都推出不少新產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國、日本、德國等生產(chǎn)PLC 的廠家已達150 多家，產(chǎn)品有數(shù)百種。PLC的功能也在不斷增長，主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1) 控制規(guī)模不斷擴大，單臺PLC 可控制成千乃至上萬個點，多臺PLC 進行同位鏈接可控制數(shù)萬個點。(2) 指令系統(tǒng)功能增強，能進行邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、PID運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、ASCII碼處理。高檔PLC 還能處理中斷、調(diào)用子程序等，使得PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯控制、模擬量控制、數(shù)值控制和其他過程監(jiān)控，以至在某些方面可以取代小型計算機控制。(3) 處理速度提高，使每個點的平均處理時間從10 μm左右減少到1 μm以內(nèi)。(4) 編程容量增大，從幾KB 增大到幾十KB，甚至上百KB。(5) 編程語言多樣化，大多數(shù)使用梯形圖語言和語句表語言，有的還可使用流程圖語言或高級語言。(6) 增加通信與聯(lián)網(wǎng)功能，多臺PLC 之間能互相通信，互相交換數(shù)據(jù)，PLC 還可以與上位計算機通信，接受計算機的命令，并將執(zhí)行結(jié)果告訴計算機。通信接口多采用RS422/RS232C 等標準接口，以實現(xiàn)多級集散控制。目前，為了適應不同的需要，進一步擴大PLC 在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用范圍，PLC 正朝著兩個方向發(fā)展。其一是低檔PLC 向小型、簡易、廉價方向發(fā)展，使之能廣泛地取代繼電器控制；其二是中、高檔PLC 向大型、高速、多功能方向發(fā)展，使之能取代工業(yè)控制計算機的部分功能，對大規(guī)模的復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。在數(shù)控機床上采用 PLC 代替繼電器控制，能使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應速度和可靠性大大提高。在數(shù)控機床、加工中心等自動化程度高的加工設備和生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，PLC 是不可缺少的控制裝置。. PLC的基本功能在數(shù)控機床出現(xiàn)以前，順序控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應用。許多機械設備的工作過程都需要遵循一定的步驟或順序。順序控制即是以機械設備的運行狀態(tài)和時間為依據(jù)，使其按預先規(guī)定好的動作次序順序進行工作的一種控制方式。數(shù)控機床所用的順序控制裝置(或系統(tǒng))主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路(Relay Logic Circuit)，簡稱RLC，另一種是可編程邏輯控制器即PLC