机床CNC 基础知识.pdf

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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 LTD

3、 FS0 i - 6 系统配置 FSSB is 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 TX PC Internet i 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

4、制单元（数 值控制器部分） 。伺服驱动单元和进给伺服电动机。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

5、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。 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

6、 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-30

7、0：X 轴走 120mm；Y 轴走 300mm；F：进给速度为 1000mm/分。 power supply CPU CARD SERVO CARD LCD UNIT LATCH Screws LCD 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

8、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。 10 1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

9、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，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

10、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，

11、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 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

12、弧维圆弧 ? 刀具中心点控制刀具中心点控制 Circular interpolation in 3-D by specifying intermediate and end points of arc 3 维圆弧插步器 维圆弧插步器 X Y ZIntermediate point End point (X2, Y2, Z2)Start point G02.4 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

13、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

14、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

15、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 12 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

16、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

17、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) 加减速时间常数(T2) 插补前加/减速 插补前加/减速 K1/ + - F t 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

18、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 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

19、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 plane Offset vector Offset path Programmed path Tool side offset 15 四运动误差的补偿四运动误差的补偿 1 运动轴反向时的间隙补偿（失动量补偿） 在机床工作台的运动中从某一方向变为相反方向的反向时

20、刻， 会由于滚珠丝杠和螺母的间隙或 丝杠的变形而丢失脉冲，就是所说的失动量。 在机床上打表实测各轴的反向移动间隙量， 根据实测的间隙值用参数设定其补偿量-补偿脉 冲数（1m/脉冲） 。这样，在工作台反向时、执行 CNC 的程序指令的移动前，CNC 将补偿脉冲经 脉冲分配器、按 CNC 事先设定的速率输出至相应轴的伺服放大器，对失动量补偿。 反向间隙值与工作台的移动速度有关，设定相关参数，系统可以对 G00（快速移动）和进给速 度（F）下的间隙分别进行补偿。 2螺距误差补偿 机床使用的滚珠丝杠，其螺距是有误差的。CNC 可对实测的各进给轴滚珠丝杠的螺距误差进 行补偿。通常是用激光干涉仪测量滚珠丝

21、杠的螺距误差。测量的基准点为机床的零点。每隔一定的 距离设置一个补偿点，该距离是用参数设定的。当然，各轴可以任意设定，比如：X 轴的行程长， 设为 50mm 补一个点，Z 轴行程短或是要求移动精度高，设为 20mm 补一个点。 补偿值根据实际测量的滚珠丝杠误差确定，其值（补偿脉冲个数）按照补偿点号（从基准点即 机床零点算起）设入 CNC 的螺距误差补偿存储器，如下图所示。通常，一个补偿脉冲的当量是一 个m。补偿值可正、可负。在进给轴运动时，CNC 实时检测移动距离，按照这些事先设定的参数 值在各轴的相应补偿点给各轴分别输出补偿值，使相应轴在 CNC 插补输出脉冲的基础上多走或少 走相应的螺补脉

22、冲数。 近来，CNC 系统开发了按工作台移动方向的双向螺距误差的补偿功能。进一步提高了进给轴 的移动精度。 螺距误差补偿器螺距误差补偿器 16 五信息、数据的输入、输出控制五信息、数据的输入、输出控制 CNC 的输入信息与数据包括加工程序，功能参数，系统参数，机床参数，伺服控制参数，主 轴控制参数，PMC 参数，刀具数据，Macro(宏)变量，坐标系，专用软件数据这些信息与数据 由信息输入/输出操作设备经相应的数据口输入或输出。 1 数据的输入、输出设备数据的输入、输出设备 CNC 系统目前常用的 I/O 设备有：. 键盘：为了减小安装尺寸，通常是专门设计的，称为 MDI 键盘，向 CNC 输

23、入信息与数据，用于操作 CNC 单元。. 机床操作面板：操作工操作机床的 各种动作。 . PC 机。 . 软磁盘驱动器(Handy file)： FANUC 系统的专用设备。 . Panel- i： FANUC 系统的专用设备。 . Flash 存储卡等等。 每一种设备都有相应的驱动与控制程序。 2 数据的输入、输出口数据的输入、输出口 CNC 控制器上配有几种数据传送口，用于与外界数据设备的连接。. RS-232C 口：连接 PC 机、软磁盘驱动器等有串行通讯口的设备。. HSSB：高速串行数据总线，用于与 PC 机或 Panel- i 连接，高速传送数据。. I/O Link：是基于 RS

24、-485 的数据口，日本的工业企业标准，用于传送机 床强点控制的 I/O 信号信息。. 以太网。. 现场局部网络。关于和，下面专门叙述。 3 显示器显示器 用来显示系统的操作与运行的现状与结果，显示加工仿真图形。目前的 FANUC 系统已经全部 使用 LCD 显示器。这种显示器体积小，彩色显示器的色彩丰富，加工件的仿真非常逼真。 LCD 显示器显示器 FANUC LTD Display 256 colors out of 4096 at a time Work piece shape 3-dimensionally using shades (Super CAP II T) Cross sec

25、tion of a work piece(Super CAP II M) VGA Graphic function VGA Graphic functionLCDLCD 17 六网络及六网络及 CNC 加工的集中控制加工的集中控制 机械加工厂的网络一般可分 3 级：厂级网；加工单元级网和下级的现场网。 知能化 - 5 单元主机单元主机 Power Mate I/O Unit等 1个装置1个装置 网络的层次 I/O Link Power Mate I/O PLC / NC 单元网络单元网络 信息管理级信息管理级 控制级控制级 NC 个单元个单元专用加工线专用加工线 PLC / NC I/O Li

26、nk I/O I/O Link I/O I/O Link I/O I/O Link I/O NCNC 机器人 控制器 I/O Link I/O I/O Link I/O Power Mate NC 区域网络区域网络 现场网络现场网络 工厂级工厂级 主机 单元主机单元主机 加工厂的网络加工厂的网络 厂级和加工单元级网目前多用以太网。加工现场网络，FANUC 系统可配：Profibus-DP；Device net；FL-Net。选用不同的网路需配不同的网路板，如下图。 知能化 - 8 FANUC Series 16i/18i/21i 适应生产线的系统化发展。满足上级网络和下级网络 两方面的要求。

27、适应各种FA网络 上级网络用插槽上级网络用插槽 Ethernet 板板 下级网络用插槽下级网络用插槽 PROFIBUS 板板 网络板及其插口网络板及其插口 18 1 以太网以太网 FANUC CNC-16i/18i/21i，0i-C 可配 3 个不同用途的以太网口：内装于 CNC 主板的以太网口， 网板和网卡，如下图所示。 知能化 - 7 上标准装备的以太网功能上标准装备的以太网功能 伺服调整指南伺服调整指南 FANUC LADDER- CIMPLICITY i CELL 選択選択 由发那科提供由发那科提供 使用高级应用软件可以与多台使用高级应用软件可以与多台PC进 行更高速的通信 进 行更高

28、速的通信 10BASE-T 10BASE-T/100BASE-TX 10BASE-T 100BASE-TX Series 16i / 18i / 21i -B （ （ 21i 为选项为选项） ） 数据服务器 （选项） 大容量记 忆装置 快速以太网快速以太网 接口 标准装备 接口 标准装备 机械远程診断机械远程診断 CNC上配置以太网功能，可方便的与网络连接上配置以太网功能，可方便的与网络连接 各种应用软件可直接拿来 使用 FANUC CNC 的以太网的以太网 其中， 网卡为即用即插， 为临时用途， 如调试梯形图； 调试机床的进给伺服特性和主轴特性。 网板是在系统上增加的插板，上有大容量半导体存

29、储器（最大 1GB） ，代替硬磁盘。主要用于与 大容量数据设备（如 PC 机）连接，批量传送数据与信息，如用于模具加工。 内装于主板的以太网口可用于单元控制，与单元控制主机连接。 2 现场网现场网 现场网络用于与其他设备批量传送 I/O 控制信号信息。如，在自动生产线上与其它专用加工机 械、装料/卸料机械、物料搬运机械、清洗机械等的信息（信号）联系。根据要求或地域可选 Profibus-DP，Device-net 或 FL-net。FANUC 生产了这些网路板，并开发了相应的配套软件。 3 CNC 加工的集中控制加工的集中控制 现代的机械加工工厂（如汽车发动机制造厂）使用 CNC 机床不只是使

30、其单机运行，是将多台 CNC 机床和有关的专用设备如上/下料装置，物料传送机械，清洗机，翻转机，测量机，专用加工 机等连成流水生产线。对这些机械用网路连接起来，用计算机实施生产的集中管理。整个工厂的生 产集中管理的基础是加工单元的集中控制。 加工单元控制器：加工单元控制器：由一台主计算机集中控制多台 CNC 机床的运行。主机与 CNC 系统用以太网 连接。 为实现对多台 CNC 机床的集中控制， 控制加工单元的主计算机必须能获取各 CNC 机床的各种 19 信息与数据，包括：. 机床的运行状态：是处于加工运行还是待机；是否有报警；加工哪一个程 序？哪一个程序段？是否结束了此次的加工任务？. C

31、NC 与机床的信息与数据，如：CNC 存储的加工程序；机床正在运行的加工程序；CNC 存储的刀具信息；主轴上的刀具号；已加工的 工件数；加工时间；程序的运行时间；CNC 参数；伺服参数；主轴参数；机床参数；PMC 参数； PMC 的梯形图；宏变量；报警号与信息等等。就是说，主计算机能够实时监视各 CNC 机床的运行 状况，了解对机床进行维护的信息。 另外，主计算机还必须：. 对各机床进行必要、有时是实时的控制。如，机床的暂停，急停； . 信息与数据的下传，如：加工运行指令；要求的加工工件数；加工程序；刀具信息；CNC 参数； 伺服参数；主轴参数；机床参数；PMC 参数；PMC 的梯形图；宏变量

32、等等。. CNC 机床的维护 与维修指导信息。 最终用户可在单元控制的主计算机上自行开发集中控制软件（包括生产管理，计划调度，加工 现场监控，故障诊断等软件） 。这些应用软件的开发基础，必须使用 CNC 系统的生产厂家提供的 CNC 信息库与通讯软件包。FANUC 为用户开发了用于此目的的工具软件 FOCAS（FANUC Open CNC Application Software） 。 利用该软件包提供的指令，用户可以实现主计算机与 CNC 的通讯， 上/下传送上面所述的信息与数据。下图是 FOCAS 能提供的基本功能。 知能化 - 10 PC的应用软件CNCCNC NC 程序的上装 NC 程

33、序目录的阅读 NC 程序下载 NC 程序删除 NC 程序检索 参数的阅读参数写入 用户宏变量的阅读用户宏变量写入 刀具偏置数据阅读刀具偏置数据写入 工件坐标系偏移数据阅读工件坐标系移位数据写入 螺距误差补偿量阅读 螺距误差补偿量写入 刀具寿命管理数据阅读刀具寿命管理数据写入 PMC数据阅读 PMC数据写入 PC的应用软件 readwrite FOCAS1提供的功能举例提供的功能举例 为了方便用户，FANUC 还开发了单元控制器-i-CELL 作为商品。下面的图是 i-CELL 的功能 框图。如果 CNC 使用的 PMC 是 SB7，还可以传送与显示（在主机上）被控机床的梯形图。 数据传送功能数

34、据传送功能 20 知能化 - 19 CIMPLICITY HMI FOCAS1 / Ethernet、 、DNC2 网络网络 CNC机床机床 程序 管理运转监控 维修功能 程序 管理运转监控 维修功能 远程监视远程监视 CIMPLICITYiCELL : 对联网的对联网的CNC机床进行集中管理机床进行集中管理 Windows 2000 Windows NT 4.0 显示 操作 显示 操作 用户编制 应用软件 用户编制 应用软件 远程支援和服务远程支援和服务 发那科服务发那科服务 CS24i CNC机床的集中管理软件 NC程序管理、机床加工运作的监 控等功能 程序管理、机床加工运作的监 控等功能

35、 NC程序管理、机床加工运作的监 控等功能 程序管理、机床加工运作的监 控等功能 使用方式 进行监视 使用方式 进行监视 使用Web 观察器进 行监视 使用Web 观察器进 行监视 遠距遠距 启动与启动与CS24i服务联动的远 程诊断 服务联动的远 程诊断 启动与启动与CS24i服务联动的远 程诊断 服务联动的远 程诊断 利用互联网、利用互联网、I方式移动电话等手段的远程监视方式移动电话等手段的远程监视 使用使用CIMPLICITY追加 用户专用功能 追加 用户专用功能 使用使用CIMPLICITY追加 用户专用功能 追加 用户专用功能 随着 IT 技术的迅速发展，现代加工工厂的生产线使用集中

36、管理越来越多。下面是典型的加工 线的集中管理图。 加工单元控制器加工单元控制器 21 生产线的加工集中管理生产线的加工集中管理 22 七七PMC 和机床的强电控制和机床的强电控制 机床的开机、停机；主轴的起动、停止；加工的开始、结束、中停；润滑、冷却的开、关；工 件的装、卸控制；找刀、换刀；工作台交换；辅机的起、停等这些机床动作，都是由接触器、继电 器、阀执行的。指令这些动作的控制信号相互间都有一定的顺序或时序，相互之间是互锁的。 普通机床因动作简单，由电气元、部件（按钮，按键，触点，线圈等）按继电逻辑的原理图硬 接线实现的，运行起来不可靠。CNC 机床采用 PMC 逻辑控制。PMC 其实就是

37、 PLC（可编程逻辑 控制器。 ）但是因为 FANUC 的机床控制 PLC 是专门用于控制机床的，其中有多条专用指令，故而 叫做 PMC-可编程机床控制器。而且，PMC 的程序格式 FANUC 采用的是梯形图。梯形图的显 示格式非常类似于机床的继电逻辑图，直观易懂，易编，易操作。 CNC 一启动，PMC 程序即运行。在 CNC 执行加工程序时，PMC 与加工程序并行运行。PMC 时刻扫描机床或机床操作者的输入信号和强电柜控制信号的执行结果。 执行上述机床上的各种动作，在加工程序中需要编制控制指令：M（辅助功能） ，T（换刀） ， B（第二辅助功能） 。 1. 信号及其地址信号及其地址 PMC

38、把信号根据其作用部位及作用方向分为 4 种，如下图： CNC PMC 机床 PMC 信号信号 X：由机床输入至：由机床输入至 PMC。如：操作员由机床操作面板上输入的按钮、按键、开关信号。 Y：由：由 PMC 输出至机床的使机床强电动作的信号。输出至机床的使机床强电动作的信号。如：主轴的正、反向；润滑、冷却的 开/关信号。PMC 处理梯形图程序输出这些信号使机床动作。 G：PMC 输出至输出至 CNC 的信号（的信号（CNC 输入） 。输入） 。 这些信号中有些是启动 CNC 的一个子程序。这些子程序是 CNC 控制软件的一部分： 根据机床的实际动作设计好的机床的强电控制功能机床的强电控制功能

39、。如：急停（G8.4） ；自动加工程序 启动(G7.2)；工作方式选择（G43.02） 。 数 控 系 统 机床 接收 驱动 负 载 电 源 公共端 DI/DO G F X Y *ESP,*DECx等 保持型继电器 Counter (C) Timer (T) Keep relay (K) 中间 继电 器 (R) 23 另外一些信号是 PMC 通知 CNC，使 CNC 改变或执行某一种运行。如：FIN（G4.3） -是 PMC 通知 CNC 辅助功能 M 或换刀功能 T 已经结束执行。CNC 接受到该信号后 即可启动下个加工程序段的执行；*SSTP（G29.6） ：CNC 停止主轴电机的控制信号

40、。 F：CNC 输出至输出至 PMC 的信号。的信号。 其中的一些信号是反映 CNC 运行状态的标志，表明 CNC 正处于某一状态。如： AL（F1.0） ：报警状态。MV（F102） ：进给轴移动中。 另一些信号是 CNC 响应 X（经过 G）后，执行某一运行的结果，用以通知 PMC。 PMC 收到该信号，视其具体情况，再做适当处理。 还有一些信号是加工程序指令的译码输出。如：M 代码（F10F13） ；T 代码 （F26F29） 。CNC 将这些信号输出给 PMC 进行处理。 上述这些信号在梯图程序中都必须赋予地址。G 和 F 信号的地址是由 CNC 的系统软件规定好 的，是固定的。有一些

41、 X 信号地址也由 CNC 规定好。CNC 提供地址表。Y 信号可由 PMC 设计人 员自行指定。 X 和 Y 信号由输入/输出模块经 CNC 的 I/O Link 口与 CNC 单元连接。X 和 Y 信号的另一端经 电缆线与电器元件连接。见下图。 I/O 信号的连接信号的连接 24 下图是 CNC 规定的有专门用途的固定地址。图示为 16i 系统，T：表示是车床系统；M：表示 是铣床系统。 固定的固定的 X 信号地址信号地址 2. 内部寄存器内部寄存器 地址范围地址范围 25 在编制 PMC 程序时，为了保存数据或信号，PMC 要用到内部的一些寄存器：R，K，D，T， C，和 A。 R：中间

42、寄存器。：中间寄存器。可任意使用。 K：保持型寄存器。：保持型寄存器。存储的内容由后备电池维持。有几个存储单元已被 PMC 系统使用。 D：数据存储器。：数据存储器。如存储刀具表；主轴变速的各挡速度表。 T：定时器。：定时器。存储定时器时间。 C：计数器。：计数器。存储计数器的预置值，计数值。 A：显示信息：显示信息：存储信息字符。 3. 功能指令功能指令 编制机床的 PMC（PLC）控制逻辑，首先必须要弄清所控制的（要实现的）机床动作，对该 动作的各个细节排出时序，即，将实现该动作的一步步的子步骤（细微动作）按先后次序列出顺序 表，必要步骤还要估计出其执行时间，还要考虑各动作之间的相互关系，

43、动作之间的互锁和解锁条 件，另外要了解实现各细微动作，执行 PMC 指令的电器元件。PMC 逻辑就是用 PMC 指令（语言） 将这些细微动作的执行按顺序表示出来。 对于顺序逻辑程序， 不同的系统制造厂提供了不同的格式， 常用的有： 语句表和梯形图。 FANUC 的 PMC 逻辑程序用梯形图格式，特点是直观，类似于机床的继电器逻辑图，所以非常易于理解。 而且，PMC 语言用了许多专用指令，称为功能指令。这样，逻辑图编得相当简洁。 FANUC PMC 的功能指令约有 50 余条，但实际常用的也就是 20 条左右，如：定时器，计数器， 回转指令，译码器等。下面的两张图为功能指令格式和功能指令集（部分

44、） 。 26 PMC 功能指令格式功能指令格式 27 PMC 功能指令集（部分）功能指令集（部分） 28 4. 梯形图梯形图 下图是实际的梯形图程序实例（部分） 。图右侧可加注释；左侧有网格号，以便于查找。 实际的梯形图程序实际的梯形图程序 29 5. PMC 的执行的执行 CNC 与与 PMC 程序的执行时序程序的执行时序 CNC 开机后，CNC 与 PMC 同时运行。上图为两者执行的时序图。一个工作周期为 8ms，其中 前 1.25ms 为 PMC 执行梯形图程序。首先执行完全部的第一级程序，1.25ms 内剩下的时间内执行 第 2 级程序的一部分。第一级程序为要求 PMC 紧急处理的事件

45、，比如：急停。执行完 PMC 程序 后的 8ms 的剩余时间，为 CNC 的处理时间。在随后的各周期内，每个周期的开始均执行一次 PMC 的一级程序，因此在宏观上，紧急事件似乎是立即反应的。执行完一级程序后，在各周期内均执行 一部分 PMC 的第 2 级程序，这叫做程序的分割。直至全部 PMC 程序执行完毕。然后又重新执行 PMC 程序，周而复始。 CNC 程序的执行和 PMC 程序的执行两者之间的关系是： 若是 PMC 接收到机床操作者的 X 信号要求 CNC 实现某一操作，例如启动自动加工程序，在 梯形图中就把该 X 信号送到 G7.2，CNC 收到该指令后，知道是执行自动循环启动子程序，

46、即立即 执行。执行过程中输出 F0.5，通知 PMC，CNC 正处于运行加工程序状态。 如果 CNC 在执行加工程序时，发现程序段中有 M，T 等指令，即将该指令译码后以 F 信号地 址送往 PMC，例如：M 代码，送到 F10F13。PMC 处理（译码，顺序和互锁）后，在经某一 Y 地 址送到强电柜，由执行元件（继电器等）执行所须的控制动作。若 M 指令所在的零件加工程序的 程序段中有进给轴运动指令，被控轴走完要求的移动量后，还要判断 PMC 是否已经执行完 CNC 赋予（指令）的动作，因此就要求 PMC 在执行 M，T 等指令时必须返回一个完成信号 FIN。CNC 收到该信号时，即可读下一

47、段，执行下一个程序段。 30 八进给伺服轴控制八进给伺服轴控制 机床工作台（包括转台）的进给是用伺服机构驱动的，目前都是电气化的，是用伺服电动机驱 动的，而且多数都是用同步电动机。电动机与滚珠丝杠直接连接（如下图） ，这样由于传动链短， 运动损失（lost motion）小，且反应迅速，因此可获得高精度。 机床的进给伺服属于位置控制伺服系统。如下图所示，输入端接收的是来自 CNC 插补器、在 每个插补周期内串行输出的位置脉冲。脉冲数表示位置的移动量（通常是一个脉冲为 1m-即 系统的分辨率为 1m） ；脉冲的频率（即在单位时间内输出的脉冲数的多少）表示进给的速度；脉 冲的符号表示轴的进给方向,

48、通常是将脉冲直接送往不同伺服轴的指令输入口。 下图只画出了一个进给轴，实际的机床有几个轴，但是控制原理都是一样的。几个轴在同一插 补周期内接收到插补指令时，由于在同一时间内的进给量不同，进給速度不同，运动方向不同，其 合成的运动就是曲线，刀具依此曲线轨迹运动即可加工出程序所要求的工件轮廓。 对进给伺服的要求不只是静态特性，如：停止时的定位精度、稳定度。更重要的是进给的伺服 刚性好，响应性快，运动的稳定性好，分辨率高。这样才能高速、高精度地加工出表面光滑的高质 量工件。 1. 伺服系统的结构类型伺服系统的结构类型 伺服系统分为开环和闭环两种结构。 开环：开环： 所谓开环，就是没有位置反馈的伺服系

49、统。这种结构的电气系统都用步进电动机驱动，如下图 所示。由于没有速度和位置的反馈，所以跟随精度差，响应性差，因此加工精度差，效率低。 开环伺服系统开环伺服系统 31 另外由于步进电动机控制原理及本身的结构等原因：运行及定位速度不高，控制性不好，易丢 失控制脉冲，响应性差、效率低等，不适于 CNC 机床工作台的驱动控制。 闭环：闭环： 闭环是有被控元件的位置反馈的伺服系统。系统的构成包括：执行元件-伺服电动机（一般 与滚珠丝杠直接连接） ；速度控制器和位置控制器，位置控制器接收 CNC 插补器的输出指令（如下 面的图所示） 。 根据使用的位置反馈元件的种类：回转式还是直线式以及位置反馈元件的机械安装部位，闭环 系统从机械使用角