CNC 數控機床基礎知識

1數控技術的基本概念：數控技術是本世紀中期發展起來的機床控制技術。現代計算機數控技術是綜合了計算機、電機、自動控制、電氣傳動、測量、監控、機械制造等技術學科領域最新成果而形成的一門邊緣科學技術。數控技術是柔性制造系統、計算機集成制造系統、和工廠自動化的基礎技術之一，是現代機械制業中的高新技術之一。

1.1數控：數字控制（Numerical Control 簡稱NC）是一種自動控制技術，是用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法。

1.2數控機床：（NC　Machine）就是采用了數控技術的機床，國際信息處理聯盟（Intermational Federation Of Information Processing，簡稱IFIP）第五代技術委員會對數控機床定義如下：數控機床是一種裝有程序控制系統的機床，該系統能邏輯地處理具有特定代碼和其它編碼指令規定的程序。　

1.3數控系統：（NC　System）是能夠邏輯地處理輸入到系統中具有特定代碼的程序，並將其譯碼，從而使機床運動並加工零件。

1.4計算機數控系統：（Computerized Numerical Control System） 由裝有數控系統程序的專用計算機、IO設備、可編程控制器（PLC）、存儲器、主軸驅動及進給驅動裝置等部分組成，習慣上稱為CNC系統。

1.5數控程序：輸入數控系統中的、使數控機床執行一個確定的加工任務的、具有特定代碼和其它符號編碼的一系列指令，稱為數控程序（NC Program）

1.6數控編程：生成用數控機床進行零件加工的數控程序的過程，稱為數控編程（NC Program）

1.7數控加工：根據零件圖樣和工藝要求等原始條件編制零件數控加工程序，輸入數控系統，控制數控機床中刀具與工伯的相對運動，從而完成零件的加工。

2數控機床的組成：一般由CNC系統、伺服系統、和機械系統三大部分組成。

2.1CNC系統：

2.1.1多坐標控制ˍ（多軸聯動），同時控制數控機床的各坐標軸的進給運動。

2.1.2准備功能：（G代碼）用來指定機床的運動方式。常用的有：

2.1.2.1快速定位G00；直線插補G01；圓弧插補G02、G03；恆切削速度控制或取消G96S、G97S　m/min；最高轉速限制G50S r/min；

2.1.3多種函數的插補（直線、圓弧、拋物線及螺旋線插補等）用於刀具運動軌跡插補。

2.1.4可編程偏置量設定　用於設置程序原點、刀具長度和半徑補償值。

2.1.5代碼轉換：英/公制轉換、二/十進制轉換、絕對值/增量值轉換。

2.1.6固定循環加工：將一些典型的循環加工過程，如鑽孔、攻螺紋、鏜孔、切螺紋等，預先編制好程序並放在存儲器中，用G代碼進行指定，從而簡化零件的加工編程。

2.1.7進給功能：指定進給速度和進給率。

2.1.8主軸功能：指定主軸轉速。

2.1.9輔助功能：規定主軸的啟動、停止、轉向、及冷卻液的打開和關閉。

2.1.10刀具功能：選擇刀具和換刀。

2.1.11各種補償功能：包括刀具半徑、刀具長度、傳動間隙　、螺距誤差的補償。

2.12輔助編程功能：包括圖形的縮放平移、坐標旋轉、極坐標等。

2.1.13子程序功能：調用子程序。

2.1.14宏程序功能：通過編輯子程序中的變量來改變刀具路徑和刀具位置。

2.1.15人機對話編程功能：包括數據及加工程序的輸入、編輯、修改。

2.1.16字符圖形顯示功能：在CRT上顯示數控程序、各種參數、各種補償值、坐標位置、故障信息、人面對話編程菜單、零件圖形、動態刀具運動軌跡。

2.1.17故障的自診斷功能：設置各種診斷程序，防止故障的發生和擴大。

2.1.18通訊及聯網功能：用於實現程序的傳輸、計算機直接數控、分布式計算機數控和制造　自動化協議。

2.2伺服系統：

2.2.1進給伺服系統：

2.2.2主軸伺服系統：

2.3機械系統：

2.3.1主軸部件：包括主軸電動機和主軸傳動系統。

2.3.2進給系統：包括進給執行電動機和進給傳動系統。

2.3.3實現工件回轉、定位的裝置和附件。

2.3.4實現某些部件動作和輔助功能的系統和裝置。如液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統和排屑、防護等裝置。

2.3.5刀庫和自動換刀裝置（Automatic Tools Changer 簡稱ATC）

3 CNC數控機床的工作原理及工作過程：

3.1工作原理：在數控機床上加工零件時，要事先根據零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數和刀具參數，再按編程手冊的有關規定編寫零件數控加工程序，然後通過MDI或DCN方式將數控加工程序送到數控系統，在數控系統控制軟件的支持下，經過處理與計算後，發出相應的指令 ，通過伺服系統使機床按預定的軌跡運動，從而進行零件的切削加工。

3.2工作過程：

3.2.1輸入：MDI的DNC方式 。

3.2.2譯碼：輸入的程序段含有零件 的輪廓 信息(起點、終點、直線、園弧等)、要求的加工速度以及其它的輔助信息(換刀、進給速度、冷卻液等)，計算機依靠譯碼程序來識別這些指令符號 ，譯碼程序將零件加工程序翻譯成計算機內部能識別的語言。

3.2.3數據處理：數據處理程序 一盤包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能的處理。刀具半徑補償是根據刀具的半徑值把零件輪廓軌跡 轉化為刀具中心軌跡；速度計算是解決該加工程序段以什麼樣的速度運動的問題；加工速度的的確定是一個工藝問題，數控系統只是保證這個編程速度的可靠實現。另外輔助功能如換刀、冷卻液也在這個程序中處理。

3.2.4插補：對已知一條的曲線的種類、起點、終點以及進給速度後，在起點和終點之間進行數據的密化；計算機數控系統將加工時間劃分為一個一個的插補周期，在每個插補周期通過插補運算形成一個微小的 數據段；若干次插補周期後完成一個曲線段的加工，即從曲線段的起點趕到終點；CNC系統是一邊進行插補計算，一邊進行加工的，本次插補周期內的插補程序的作用是計算下一個插補周期的位置增量；一個數據段正式插補加工前，必須先完成諸如換刀、進給速度、冷卻液等功能，即只有完成輔助功能後才能進行插補。

3.2.5伺服控制：伺服控制的功能是完成本次插補周期的位置伺服計算，並將結果發送到伺服驅動接口中去。

3.2.6管理程序：當一個曲線段開始插補時，管理程序即著手准備下一個數據段的讀入、譯碼、數據處理；即由它調用各個功能子程序，且保證一個數據段加工過程中將下一個程序段准備完畢；一旦本曲線段加工完畢，即開始下一個曲線段的插補；整個零件就是這樣周而復始的過程中加完成的。

4數控機床的坐標系：

4.1坐標系：採用右手直角笛卡爾坐標系。基本坐標軸為X Y Z 三軸，相對於每個軸的旋轉方向為A B C 。

4.2坐標軸及運動方向：

4.2.1X軸：水平的、平行於工件裝夾平面，它平行於主要的切削方向，並以此為正方向。

4.2.2Y軸：

4.2.3Z軸：平行於機床主軸的坐標軸、垂直於工件裝夾平面並遠離工作台為正方向。

4.3坐標原點：

4.3.1機床原點：使機床與控制系統同步。有M表示

4.3.2機床參考點：大多為自動換刀位置 。用R 表示

4.3.3程序原點：也稱工件原點。用W 表示。數控車床用G50設置。

4.3.4裝夾原點：常見於帶回轉工作台的數控機床或加工中心。用C表示。

4.4絕對坐標編程和增量坐標編程：

4.4.1絕對坐標編程：在程序中用G90指定。X Y

4.4.2增量坐標編程：在程序中用G91指定。U W

5數據加工的刀具半徑補償：Cutter Radius Compensation left and right

5.1刀具半徑補償：G41LEFT或RIGHTG42 ，G40取消。

5.1.1刀具因磨損、重磨、換新刀引起刀具直徑改變後，不必修改程序，只需在已具參數設置中輸入變化後的刀具直徑。

5.1.2用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半徑補償，可進行粗精加工。

5.2刀具長度補償：Tool lengh compensation現代CNC為了簡化零件的數控加工編程，使數控程序與刀具形狀和已具尺寸盡量無關，設置刀具長度補償，它使刀具垂直於走刀平面(比如XY平面由G17指定)，偏移一個長度修正值。因此在數控編程中一般無需考慮刀具長度。零件數控加工程序假設的是刀尖或刀心相對 於工件的運動，刀具長度補償的實質是將刀具相對於工件的坐標由刀具長度基准點(或刀具安裝定位點)移到刀尖(刀心)的位置。

6數控系統的指令集：數控程序由一系列程序段和程序塊構成，每一程序段用於描述准備功能、刀具坐標位置、工藝參數和輔助功能 等。ISO_International Organization Of Standard 對數控機床的坐標軸和運動方向、數控程序的編碼字符和程序段格式、准備功能和輔助功能等制訂了若干標准和規范。但對不同的機型和廠商也有所不同。

6.1程序段的一般格式 ：如

N35 G01 X23.6 Y36.Z15.F260

N35為程序段號；

G01為直線插補；

X Y Z 為刀具運動的終點坐標；

F260表示進給速度為260mm/min。

6.1.1編碼字符：在一個程序段中可能出現的編碼字符還會有S_主軸轉速；T刀具號碼；M輔助功能；I ；J；K；A；B；C；D；H；R等。

6.1.2CNC系統編碼字符的意義

6.2常用的編程指令：

6.2.1准備功能指令：

6.2.1.1坐標快速定位與插補：G00 G01 G02 G03這是一組模態指令， 同時只能一個有效，缺省為G00，如不取消或替代則一直有效。

6.2.1.1.1坐標快速定位：G00；

6.2.1.1.2線性插補：G01；

6.2.1.1.3圓弧插補：順G02 、逆G03；I，K O為圓心相對於圓弧起點的坐標。如G02 X20. Y20. I10. J0.；

6.2.2坐標平面選擇：G17 G18 G19 這些指令在進行圓弧插補、二維半徑補償時必須使用，這也是一組模態指令，缺省為G17；

6.2.2.1 G17： 指定零件在XY平面上的加工；

6.2.2.2 G18 G19：分別為ZX YZ平面上的加工；

6.2.3刀具半徑補償：G40取消、 G41_LEFT、 G42RIGHT，這也是一組模態指令，缺省為G40；

6.2.4刀具長度補償：G43正、G44負、G49取消，這也是一組模態指令，缺省為G49；

6.2.5程序原點選擇：G54-G59 共六個。

6.2.6絕對坐標及增量坐標編程：G90、G91；

6.2.7設定工件坐標系：G50；

6.2.8固定循環加工：包括鑽孔、攻螺紋、等。

6.3輔助功能指令：

6.3.1程序停止：M00；

6.3.2選擇程序停止：M01；

6.3.3程序結束：M02；

6.3.4主軸旋轉：順M03、逆M04、停M05；

6.3.5換刀：M06用於有刀庫的數控機床如加工中心MC；

6.3.6冷卻液開、關：M08、M09；

6.3.7程序結束並返回：M30；

6.4其它常用功能指令：

6.4.1刀具功能：T在數控車庫上具有換刀功能；

6.4.2主軸速度功能：S，要求為整數，范圍從1到最大主軸轉速，對於數控車床，可以指定恆表面切削速度；

6.4.3進給速度或進給率功能：F 在只有X Y Z 三坐標運動的情況下，其後的數值表示刀具的運動速度，單位為mm/min對數控車床還可為mm/r，如運動坐標有轉角坐標A B C中的任何一個，則其後的數值表示進給率，在程序啟動第一個G01或G02 G03時，必須啟動F功能，並具有繼承性。

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