機床設(shè)計中CNC系統(tǒng)和曲線設(shè)定研究

摘要：本文以機床加工中CNC系統(tǒng)為資料，提出了機加工中對機床的設(shè)計、改造的一些內(nèi)容，重點提及了機床中CNC部分單元的模塊的利用，機床運動曲線設(shè)定和使用相關(guān)刀具來提升產(chǎn)品質(zhì)量的問題。

關(guān)鍵詞：CNC提升偏置補償運動進(jìn)給

利用機床對機件加工過程中，要求必須控制到表面粗糙度。改造后機床要求能達(dá)到的技術(shù)參數(shù)必須符合機床的要求。CNC單元，刀具運動坐標(biāo)和運動曲線都要按照相應(yīng)的設(shè)計執(zhí)行。刀具偏置補償也要在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

1 CNC系統(tǒng)的作用

CNC(數(shù)控機床)是計算機數(shù)字控制機床(Computer numerical control)的簡稱，是一種由程序控制的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。CNC 對機床的坐標(biāo)運動進(jìn)行控制。在控制原理上這是位置量控制系統(tǒng)。需要控制的是：幾個軸的聯(lián)動，運動軌跡（加工輪廓）的計算：最重要的是保證運動精度和定位精度（動態(tài)的輪廓幾何精度和靜態(tài)的位置幾何精度）；各軸的移動量（mm）；移動速度（mm/分）；移動方向；起/制動過程（加速/降速）；移動的分辨率。現(xiàn)代的CNC 系統(tǒng)是純電氣的控制系統(tǒng)。進(jìn)給軸的移動是由伺服電動機執(zhí)行的。通常，一個進(jìn)給軸由一個伺服電動機驅(qū)動。電動機由伺服放大器供給動力。伺服放大器的工作由CNC 的插補器的分配輸出信號控制。

2 數(shù)控機床的組成

主機，他是數(shù)控機床的主體，包括機床身、立柱、主軸、進(jìn)給機構(gòu)等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。驅(qū)動裝置，他是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進(jìn)給單元、主軸電機及進(jìn)給電機等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動。當(dāng)幾個進(jìn)給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機外進(jìn)行零件的程序編制、存儲等。

3 機床的運動坐標(biāo)及進(jìn)給軸

一臺機床有幾個運動軸執(zhí)行加工時的切削進(jìn)給，因此稱其為進(jìn)給軸。機床開機后以機床零點為基準(zhǔn)建立了機床的機械坐標(biāo)系（直角坐標(biāo)系）。每個軸對應(yīng)于其中的一個相應(yīng)的坐標(biāo)。軸有直線運動的，有回轉(zhuǎn)運動的。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO對坐標(biāo)軸的方向與名稱是有規(guī)定的。

根據(jù)規(guī)定，按直角坐標(biāo)系右手法則定義各坐標(biāo)軸，Z 軸正方向一般為機床主軸的方向。X、Y、Z 定義為直線運動軸；U、V、W 為分別平行于X、Y、Z 的直線運動軸；A、B、C 為回轉(zhuǎn)運動軸，分別圍繞X、Y、Z 運動，其正方向符合右手螺旋規(guī)則。CNC控制時用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C 等指令被控的坐標(biāo)軸，用數(shù)值指令其運動的距離，正負(fù)號指令移動方向，F(xiàn) 指令運動速度。例如：G01X120 Y-300 F1000；意義是G01：X 軸與Y軸協(xié)調(diào)運動，加工一條直線；X120，Y-300：X軸走120mm；Y軸走－300mm；F：進(jìn)給速度為1000mm/分。

4 CNC插補與位置控制指令的輸出

CNC 對機床進(jìn)給軸的控制，是執(zhí)行事先編制好的加工程序指令。程序指令是按零件的輪廓編制的加工刀具運動軌跡。程序是根據(jù)零件輪廓分段編制的。直線運動指令；G02——順時針圓弧運動指令；G03——逆時針運動圓弧指令；G32（G33）——螺紋加工……但是，在一段加工指令中，只是編寫此段的走刀終點。

G90 G17 G02 X100.Y-200. R50. F500；此段的起點已在前一段編寫，就是前段的終點。因此，加工此段時，CNC控制器即計算機處理器只知道該段的起點和終點坐標(biāo)值。段中的刀具運行軌跡上其它各個點的坐標(biāo)值必須由處理器計算出來。處理器是依據(jù)該段輪廓指令（G02）和起點和終點的坐標(biāo)值計算的，即必須算出希望加工的工件輪廓，算出在執(zhí)行該段指令過程中刀具沿X軸和Y軸同時移動的中間各點的位置。X軸和Y軸的合成運動即形成了刀具加工的工件輪廓軌跡。除此之外，在程序中必須指令運動速度（加工速度），如：F500（mm/min）。在位置計算時，要根據(jù)輪廓位置算出對應(yīng)點的刀具運動方向速度。此例中是分別算出沿X 軸各點的對應(yīng)速度和沿Y軸各點的對應(yīng)速度。

實現(xiàn)上述運算的機構(gòu)稱之為插補器。插補器每運算一次稱為一個插補周期，一般為8ms；計算復(fù)雜型面的插補器使用高速CPU，插補周期可縮短，目前可達(dá)2ms。一個程序段分多個插補周期，取決于輪廓形狀和輪廓尺寸。執(zhí)行上例程序段的指令是進(jìn)行順時針圓弧的插補。是執(zhí)行以圓弧計算公式為基礎(chǔ)的插補子程序。計算時的判斷條件是：不斷地執(zhí)行刀具沿X 軸向和Y 軸向的進(jìn)給，每進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量即判斷是否到達(dá)終點，是否超差，計算方向是順時針，進(jìn)給當(dāng)量是1μm/脈沖，速度是500mm/min。CNC的系統(tǒng)控制軟件中包括了多個插補子程序，工件形狀的每一種幾何元素均對應(yīng)著刀具的一種幾何運動，因此就要求CNC有相應(yīng)的插補子程序。這就是CNC系統(tǒng)控制軟件中控制坐標(biāo)軸運動的G代碼。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08……還有一些子程序是考慮加工工藝的要求控制刀具運動的。G代碼越多，CNC的功能也就越強。用這些G代碼編制零件的加工程序。CNC的系統(tǒng)控制軟件是用匯編語言編制的。不同類型的機床使用不同的CNC系統(tǒng)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)的控制軟件是完全不同的。插補器的硬件是CNC的主CPU。當(dāng)然，還有用純硬件的插補器。

5 加工刀具的偏置及補償

上述插補的位置脈沖，是按工件輪廓編制的程序計算出來的，即刀具中心點的運行軌跡是工件的輪廓。考慮到刀具有半徑和不同的長度，實際加工時刀具中心不能按此軌跡行進(jìn)，必須根據(jù)實際使用的刀具，計入其實際半徑和長度，由CNC計算出實際刀具的中心軌跡，按此軌跡控制刀具的移動。此功能叫做“刀具的偏置及補償”。

實際的刀具中心軌跡與按照零件輪廓尺寸編制的CNC加工程序軌跡偏移了一個刀具半徑的尺寸。在編程時，用G指令（G41，G42）告訴CNC的插補器執(zhí)行刀具半徑的偏置計算，插補器即按照實際的刀具半徑計算出刀具的中心軌跡，以此控制刀具的行進(jìn)。就是說，上脈沖分配器輸出的給各個進(jìn)給軸的脈沖數(shù)，是插補的零件輪廓偏移了一個刀具半徑后的刀心軌跡的進(jìn)給脈沖數(shù)。每個軸的補償脈沖分別送給相應(yīng)的進(jìn)給軸。實際刀具的半徑值在加工前必須輸入至刀具補償存儲器。刀具補償存儲器可同時存儲多把刀具的幾何尺寸（半徑值）。加工中用哪一把刀具，由程序用刀具號指定，如：T102。根據(jù)程序中指令的刀號，CNC插補器找到實際的刀具半徑值執(zhí)行計算。加工前，用一把刀具的長度作為基準(zhǔn)，將實際加工中使用的各把刀具先測量好其與基準(zhǔn)刀具刀長的正、負(fù)差值，將這一差值與上述的刀具半徑值一樣按刀號輸入刀具補償存儲器。編制加工程序時，編入刀具號。加工的開始，用基準(zhǔn)刀具的刀尖對刀。CNC執(zhí)行加工程序時，根據(jù)程序中指令的刀號找出刀長的差值，按刀長差值的符號伸長或縮短，進(jìn)行補償。

為了防止產(chǎn)生加工運動的沖擊、提高加工精度和光潔度，在脈沖分配給各進(jìn)給軸之前，對進(jìn)給速度都進(jìn)行加/減速。CNC可實現(xiàn)兩種加/減速控制：插補前加/減速和插補后加/減速。插補后通常用直線型或指數(shù)型加減速方法：指數(shù)型加/減速的速度變化比較平滑，加工出的零件輪廓可能與裎編的輪廓接近。插補前用直線型加減速方法。除此之外還開發(fā)了預(yù)讀/預(yù)處理多個程序段、精細(xì)加減速等CNC 軟件用以機床改造。

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作者簡介：散毅（1979-）男，湖北省十堰市，東風(fēng)實業(yè)有限公司助理經(jīng)濟師，湖北工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向：機械工程。