机床CNC基础知识

机床CNC基础知识

一． CNC机床与CNC系统

CNC的含义是计算机数字控制。

1． CNC机床

⑴．金属切削用

孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削、切螺纹、切平面、轮廓加工、平面磨削、外圆磨

削、内圆磨削等。

⑵．线电极切割机。

⑶．冲床、步冲、冲压、金属成型、弯管等机床。

⑷．产业机器人。

⑸．注塑机。

⑹．检测、测量机。

⑺．木工机械。

⑻．特殊材料加工机械：如加工石材、玻璃、发射性矿料等。

⑼．特种加工机械激光加工机、气体切割机、焊接机、制图机、印刷机等。

随着电子技术和计算机技术以及IT技术的发展，目前，这些机床与加工设备都可用数值计算机用数值数据进行控制，称为CNC控制。

2． CNC系统

CNC系统的含义是计算机数值控制系统。

CNC系统的基本配置

机床的CNC控制是集成多学科的综合控制技术。

一台CNC系统包括：⑴．CNC控制单元（数值控制器部分）。⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。⑷．PMC（PLC）控制器。⑸．机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。⑹．机床的位置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。⑺．外部轴（机械）控制单元。如：刀库、交换工作台、上下料机械手等的驱动轴。⑻．信息的输入/输出设备。如电脑、磁盘机、存储卡、键盘、专用信息设备等。⑼．网络。如以太网、HSSB（高速数据传输口）、RS-232C口等和加工现场的局域网。

CNC单元（控制器部分）的硬件实际上就是一台专用的微型计算机。是CNC设备制造厂自己设计生产的专门用于机床的控制的核心。下面的几张图表示出其基本硬件模块；基本的控制功能模块和一台实际的控制器硬件。

二．机床的运动坐标及进给轴

一台机床有几个运动轴执行加工时的切削进给，因此称其为进给轴。机床开机后以机床零点为基准建立了机床的机械坐标系（直角坐标系）。每个轴对应于其中的一个相应的坐标。轴有直线运动的，有回转运动的。国际标准ISO对坐标轴的方向与名称是有规定的。如下图。

根据规定，按直角坐标系右手法则定义各坐标轴，Z轴正方向一般为机床主轴的方向。X、Y、Z定义为直线运动轴；U、V、W为分别平行于X、Y、Z的直线运动轴；A、B、C为回转运动轴，分别围绕X、Y、Z运动，其正方向符合右手螺旋规则。

CNC控制时用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C等指令被控的坐标轴，用数值指令其运动的距离，正负号指令移动方向，F指令运动速度。例如：

G01 X120 Y-300 F1000；

意义是G01：X轴与Y轴协调运动，加工一条直线；X120，Y-300：X轴走120mm；Y轴走－300mm；F：进给速度为1000mm/分。如有CNC精加工需求，添加微信来图报价：16620722077

三．CNC插补与位置控制指令的输出

1．轨迹运动的插补计算–插补器

CNC对机床的坐标运动进行控制。在控制原理上这是位置量控制系统。需要控制的是：几个轴的联动，运动轨迹（加工轮廓）的计算：最重要的是保证运动精度和定位精度（动态的轮廓几何精度和静态的位置几何精度）；各轴的移动量（mm）；移动速度（mm/分）；移动方向；起/制动过程（加速/降速）；移动的分辨率。

现代的CNC系统是纯电气的控制系统。进给轴的移动是由伺服电动机执行的。通常，一个进给轴由一个伺服电动机驱动。电动机由伺服放大器供给动力。伺服放大器的工作由CNC的插补器的分配输出信号控制。

CNC对机床进给轴的控制，是执行事先编制好的加工程序指令。程序指令是按零件的轮廓编制的加工刀具运动轨迹（如上图）。程序是根据零件轮廓分段编制的。一个程序段加工一段形状的轮廓。轮廓形状不同，使用不同的程序指令（零件轮廓形状元素）。例如：G01—直线运动指令；

G02—顺时针圆弧运动指令；G03—逆时针运动圆弧指令；G32（G33）—螺纹加工……

但是，在一段加工指令中，只是编写此段的走刀终点。如：下面一个程序段要加工X-Y平面上一段圆弧，程序中只指令了终点的坐标值X100；Y-200：

G90 G17 G02 X100. Y-200. R50. F500；

此段的起点已在前一段编写，就是前段的终点。因此，加工此段时，如上图所示，NC控制器即计算机处理器只知道该段的起点和终点坐标值。段中的刀具运行轨迹上其它各个点的坐标值必须由处理器计算出来。处理器是依据该段轮廓指令（G02）和起点和终点的坐标值计算的，即必须算出希望加工的工件轮廓，算出在执行该段指令过程中刀具沿X轴和Y轴同时移动的中间各点的位置。

X轴和Y轴的合成运动即形成了刀具加工的工件轮廓轨迹。

除此之外，在程序中必须指令运动速度（加工速度），如：F500（mm/min）。在位置计算时，要根据轮廓位置算出对应点的刀具运动方向速度。此例中是分别算出沿X轴各点的对应速度和沿Y轴各点的对应速度。

实现上述运算的机构称之为插补器。

插补器每运算一次称为一个插补周期，一般为8ms；计算复杂型面的插补器使用高速CPU，插补周期可缩短，目前可达2ms。一个程序段分多个插补周期，取决于轮廓形状和轮廓尺寸。

执行上例程序段的指令是进行顺时针圆弧的插补。是执行以圆弧计算公式为基础的插补子程序。计算时的判断条件是：不断地执行刀具沿X轴向和Y轴向的进给，每进给一个脉冲当量即判断是否到达终点，是否超差，计算方向是顺时针，进给当量是1μm/脉冲，速度是500mm/min。

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