机床设计中CNC系统和曲线设定研究

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摘要：本文以机床加工中CNC系统为资料，提出了机加工中对机床的设计、改造的一些内容，重点提及了机床中cnc部分单元的模块的利用，机床运动曲线设定和使用相关刀具来提升产品质量的问题。

关键词：CNC提升偏置补偿运动进给

利用机床对机件加工过程中，要求必须控制到表面粗糙度。改造后机床要求能达到的技术参数必须符合机床的要求。CNC单元，刀具运动坐标和运动曲线都要按照相应的设计执行。刀具偏置补偿也要在规定的范围之内。

1 CNC系统的作用

CNC(数控机床)是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称，是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。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。

2 数控机床的组成

主机，他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

3 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。

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：G01X120 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。

4 CNC插补与位置控制指令的输出

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。程序是根据零件轮廓分段编制的。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。

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，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。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。

5 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”。

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心轨迹，以此控制刀具的行进。就是说，上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给轴。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。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。

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。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，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。除此之外还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等CNC 软件用以机床改造。

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作者简介：散毅（1979-）男，湖北省十堰市，东风实业有限公司助理经济师，湖北工业大学在读研究生，研究方向：机械工程。