北京FANUC培训讲义

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1、 1 机床机床CNC基础知识 基础知识 北京发那科机电有限公司北京发那科机电有限公司 王玉琪王玉琪 2006 2 此文是本人对此文是本人对 GM（中国厂）培训时的讲义。目的是对初学者对（中国厂）培训时的讲义。目的是对初学者对 CNC 有基本的综合概念。以便于更深入地学习诸如：加工编程，有基本的综合概念。以便于更深入地学习诸如：加工编程， PMC 和系统维修等课程。和系统维修等课程。 3 机床机床 CNC 基础知识基础知识 一 一 CNC 机床与机床与 CNC 系统系统 CNC 的含义是计算机数值控制。的含义是计算机数值控制。 1 CNC 机床机床 金属切削用 孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削、切

2、螺纹、切平面、轮廓加工、平面磨削、外圆磨削、内圆磨削等。 线电极切割机。 冲床、步冲、冲压、金属成型、弯管等机床。 产业机器人。 注塑机。 检测、测量机。 木工机械。 特殊材料加工机械：如加工石材、玻璃、发射性矿料等。 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。 下图是一台金属加工机床-立式加工中心的一般结构。 4 2 CNC 系统系统 CNC 系统系统的含义是计算机数值控制系统。 下图是一台 CNC 系统的基本配置图。 FANUC LTDFS

3、0 i - 6系统配置FSSBis 伺服电机is 伺服电机I/O Link i 伺服放大器7.2 “ LCD/MDI(单色)8.4 “ LCD /MDI(彩色)i 伺服放大器Series 0i-C以太网 10 base T/100 base TXPCInterneti 主轴电机FANUC I/O Link DI/DO 1024/1024操作面板I/O 单元I/O 模块系统在LCD后面 CNC 系统的基本配置系统的基本配置 机床的 CNC 控制是集成多学科的综合控制技术。 上图是一台典型的 CNC 控制系统。从图中可见，一台 CNC 系统包括：CNC 控制单元（数值控制器部分） 。伺服驱动单元和

4、进给伺服电动机。主轴驱动单元和主轴电动机。PMC（PLC）控制器。机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。机床的位置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中） 。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。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。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。 上图右下方的 I/O Link i 伺服放大器与电动机用于外部机械的驱动与控制。 上方画出了以太网。 CNC 单元（控制器部分）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

5、 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。 5 CNC 单元的基本模块单元的基本模块 CNC 单元内的基本模块单元内的基本模块 6 CNC 功能框图功能框图 7 下面是一台控制器部件装在 LCD 显示器画面的 CNC 单元硬件图。 二机床的运动坐标及进给轴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

6、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 100

7、0mm/分。 power supplyCPU CARD SERVO CARD LCD UNIT LATCHScrewsLCD 一体型一体型 CNC 单元单元 8 实际的机床上各进給轴的定义如下图所示。 图图 4 机床的进给轴机床的进给轴 9 进给轴的坐标方向进给轴的坐标方向 三三CNC 插补与位置控制指令的输出插补与位置控制指令的输出 CNC 对机床的坐标运动进行控制。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（m

8、m/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。 101轨迹运动的插补计算轨迹运动的插补计算-插补器插补器 CNC 的插补运算的插补运算 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

9、-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，CNC 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

10、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

11、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 1m/脉冲，速度是 500mm/min。 CNC 的系统控制软件中包括了多个插补子程序，工件形状的每一种几何元素均对应着刀具的一种几何运动， 因此就要求 CNC 有相应的插补子程序。 这就是 CNC 系统控制软件中控制坐标轴运 新的铣削指令新的铣削指令 ? 螺锥螺锥 ? 螺旋螺旋 ? 3 维圆弧维圆弧 ? 刀具中心点控制刀具中心点控制 Circular interpolation in 3-D by spe

12、cifying intermediate and end points of arc 3 维圆弧插步器 维圆弧插步器 XYZIntermediate point End point (X2, Y2, Z2)StartpointG02.4 XX1 YY1 ZZ1 ; (Intermediate) XX2YY2 ZZ2 ; (End) 11动的 G 代码。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08。还有一些子程序是考虑加工工艺的要求控制刀具运动的。G 代码越多，CNC 的功能也就越强。用这些 G 代码编制零件的加工程序。 CNC 的系统控制软件是用汇编语言编制的。不同类型的机床使用

13、不同的 CNC 系统。当然，这些系统的控制软件是完全不同的。 插补器的硬件是 CNC 的主 CPU。当然，还有用纯硬件的插补器。 2插补脉冲的分配输出插补脉冲的分配输出 经过插补运算，算出了加工所要求的工件形状在同一时间周期（插补周期）内各个坐标轴移动的距离（移动量） ，它是以脉冲数表示的，如：在本插补周期内 X 轴进給 25 个脉冲；Y 轴进給 50个脉冲，分别送给对应的坐标轴，作为相应轴的位置移动指令。脉冲序列有正负号，指令对应轴的运动方向；脉冲序列按一定的频率输出，指令该轴的运动速度。这一装置叫做脉冲分配器，如下图所示。 为了防止产生加工运动的冲击、提高加工精度和光洁度，在脉冲分配给各进

14、给轴之前，对进给速度都进行加/减速。如下图所示，CNC 可实现两种加/减速控制：插补前加/减速和插补后加/减速。 插补后通常用直线型或指数型加减速方法：指数型加/减速的速度变化比较平滑，因而冲击小，但是速度指令的滞后较大。 相反， 直线型加减速的速度变化迅速， 时间常数设得较小时会造成冲击，引起机床的震动。但是，加工出的零件轮廓可能与裎编的轮廓接近。 插补前用直线型加减速方法，这样可以减小加工的形状误差。除此之外，为了提高加工精度和加工速度，还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等 CNC 软件。 CNC 插补器插补器 脉冲分配器脉冲分配器 X Y Z V A 进给脉冲输出进给脉冲输出 1

15、2 3 加工刀具的偏置及补偿加工刀具的偏置及补偿 上述插补的位置脉冲，是按工件轮廓编制的程序计算出来的，即刀具中心点的运行轨迹是工件的轮廓。考虑到刀具有半径和不同的长度，实际加工时刀具中心不能按此轨迹行进，必须根据实际使用的刀具，计入其实际半径和长度，由 CNC 计算出实际刀具的中心轨迹，按此轨迹控制刀具的移动。此功能叫做“刀具的偏置及补偿” 。 刀具半径偏置，补偿 如下图所示，实际的刀具中心轨迹与按照零件轮廓尺寸编制的 CNC 加工程序轨迹偏移了一个 刀具半径的尺寸。在编程时，用 G 指令（G41，G42）告诉 CNC 的插补器执行刀具半径的偏置计算，插补器即按照实际的刀具半径计算出刀具的中

16、心轨迹，以此控制刀具的行进。就是说，上述脉冲分配器输出的给各个进给轴的脉冲数， 是插补的零件轮廓偏移了一个刀具半径后的刀心轨迹的进给脉冲数。 每个轴的补偿脉冲分别送给相应的进給轴。 实际刀具的半径值在加工前必须输入至刀具补偿存储器。 刀具补偿存储器可同时存储多把刀具的几何尺寸（半径值） 。加工中用哪一把刀具，由程序用刀具号指定，如：T102。根据程序中指令的刀号，CNC 插补器找到实际的刀具半径值执行计算。 G41 为左刀补：沿着刀具行进的方向看，在工件的左侧加补偿；G42：沿着刀具行进的方向，在工件的右侧加补偿。下图所示为 G41。 K1/+-CNC 伺服轴 加减速时间常数 (T1) 加减速

17、时间常数(T2) 插补前加/减速 插补前加/减速 K1/+-Ft 时间常数时间常数(T2) 时间常数时间常数(T1) 程序指令 插补插补插补后加/减速 插补后加/减速 加减速控制加减速控制 13 刀具半径补偿刀具半径补偿 刀具长度补偿 铣削刀具的长度补偿铣削刀具的长度补偿 加工前，用一把刀具的长度作为基准，将实际加工中使用的各把刀具先测量好其与基准刀具刀长的正、负差值，将这一差值与上述的刀具半径值一样按刀号输入刀具补偿存储器。编制加工程序时，编入刀具号。加工的开始，用基准刀具的刀尖对刀。CNC 执行加工程序时，根据程序中指令的刀号找出刀长的差值，按刀长差值的符号伸长或缩短，进行补偿。 上图是铣

18、床刀具长度的补偿，只有 Z 向补偿。对于车床，有 X 和 Z 两个方向。如下图所示。 在铣床类的 CNC 系统中，用 G43 和 G44 指令刀具的长度补偿，G43 为正刀补，即将刀具补偿值加到程序指令的终点坐标值上。G44 为负刀补，即由程序指令的终点坐标值减去刀具的补偿值。 14 车削刀具长度补偿车削刀具长度补偿 三维刀具补偿 加工复杂形状的零件（如模具）需要用多个坐标轴同时移动的多坐标插补器。当然也必 须用多坐标（多维）的刀具补偿。下图所示是三维的刀具半径补偿和刀具前角的补偿。 刀具的半径偏置和前角偏置刀具的半径偏置和前角偏置 Tool axis Offset path Programmed path Offset vector Offset plane Leading edge offset Tool axis Offset planeOffset vector Offset pathProgrammed pathTool side offset