CNCの基础docCN.docx

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CNCの基础docCN

技术培训资料

CNC的基础

2006年7月

长安福特马自达发动机有限公司

目录

1．CNC机床的概念

2．CNC机床的历史

3．CNC机床的结构

4．CNC的作用

5．PMC的作用

6．CNC的基本性能

7．关于伺服

7．1伺服电机

7．2伺服装置

8．支持程序制作的功能

9．机床的个性化功能

10．FA网络

11．自动化

1．CNC机床的概念

●NC：

NumericalControl（数控）

―用由数值和符号组成的数值指令，对机械运转进行自动控制。

●CNC：

ComputerizedNC

―机床内装小型计算机，使NC功能的大部分，用软件处理。

●NC（CNC）机床

―即应用NC（CNC）控制的机床。

CNC机床与泛用机床的不同点

（泛用机械）用手轮操作来移动工作台。

（CNC机床）按照CNC程序指令，移动工作台。

CNC程序→（指令）→控制速度和位置→（伺服放大器）→脉冲编码器，伺服电机→丝杆→工作台。

（下图）

２．CNC机床和NC的历史

NC机床的诞生

●MIT，麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology）

―1952年6月，发表和演示了3轴控制机械。

―辛辛那提公司的海德罗特（下图）仿形铣床，经过改良，仿形控制装置，改换成为NC装置。

―因为应用的是真空管和电磁开关，控制装置与机械本体相比，显得很大。

日本的NC机床

●1956年－富士通开发出冲床。

●1958年－K&T密尔沃基－maticⅡ研发成功。

―牧野铣床，富士通，在国际铣床展销会上展出商业铣床。

●1959年―日立精机，富士通NC铣床实用化。

●1966年―富士通在世界上，首次完成了全IC化的NC。

FANUCCNC一览

NC机床：

车床，铣床，加工中心，磨床，冲床。

OiMate3轴控制，同时3轴。

Oi系列4轴控制，同时4轴。

21i系列5轴控制，4轴同时，高速钻孔，保全性提高。

16i系列8轴控制，同时6轴。

18i系列高速高精度加工，高速钻孔，保全性提高。

15i系列24轴控制，同时24轴，超高速高精度加工，大型机械，5面加工，纳米。

30i系列32轴控制，同时24轴，最高10系统控制，AI纳米CNC。

31i/32i系列20轴/9轴控制，同时4轴，最高4/2系统控制。

泛用铣床，泛用车床:

20i系列『手轮CNC』导槽手轮。

组合机床线，产业用机械等:

I/OLinkβ，控制运载器，ATC，托盘，转塔等。

PowerMatei‐D，2轴控制，高速钻孔。

PowerMatei‐H，8轴控制，8轴多系统。

NC机床的种类（根据总务厅「日本标准商品分类」）

1．NC车床（包括车削加工中心）横轴NC车床，立轴NC车床。

2．NC钻床（包括钻削中心和攻丝中心）横轴NC钻床，立轴NC钻床。

3．NC镗床横轴NC镗床，立轴NC唐床，NC坐标镗床。

4．NC铣床NC立式铣床，NC卧式铣床，NC多头铣床，NC仿形铣床，NC龙门铣床，其他NC铣床。

5．NC磨床NC外圆磨床，NC内圆磨床，NC平面磨床，NC工具磨床，NC螺纹磨床，NC坐标磨床，NC凸轮磨床，其他NC磨床，NC精磨床，NC珩磨床，NC研磨床，其他NC精磨床。

6．NC切齿机齿轮精加工机械NC切齿机，NC齿轮磨床，NC齿轮精加工机械。

7．加工中心卧式加工中心，立式加工中心，门型加工中心，其他加工中心。

8．NC电火花加工机NC电火花成型加工机，NC线电极电火花加工机。

9．其他NC机床NC龙门刨床，NC牛头刨床，NC插床，NC键槽加工机，其他未分类的NC机床。

10．其他日本标准商品不分类的NC机械冲床，弯扳机，等离子切割机，激光加工机，折弯机，弯管机，制图机。

3．CNC机床的构成

【机械的轴的构成】

1X/Y/Z右手构成相互垂直坐标系。

2与主轴轴线的平行方向为Z轴。

3刀具从工件的退刀方向为＋方向。

4旋转轴为A/B/C。

5X轴旋转为A轴，Y/Z轴旋转各自为B/C轴。

6X/Y/Z轴平行的附加轴各自为U/V/W轴。

主要的NC机床轴构成例

CNC机床的主要组成部分

注:

黄网目部分为CNC厂家的产品。

PMC：

可编程机床控制器

强电回路：

电磁液压动力源，切屑传送带电机等。

机械本体：

直线检测元件

CNC主轴放大器→主轴电机，伺服放大器→伺服电机

CNC的主要组成部分

4．CNC的作用

CNC的2大作用

1．电机的控制：

轴进给用的伺服电机（X轴，Y轴…）。

主轴电机（主轴，旋转工具）。

2．顺序控制：

机床控制上必不可少的ON/OFF控制。

如液压装置，冷却液和

切屑传送带等。

5．PMC的作用

●PMC→ProgrammableMachineController可编程机床控制器

●CNC装置内装的可编程控制器，对机床及外围设备时序器进行控制。

顺序控制器

对冷却液，ATC，转塔，工件运载器等进行控制。

CNC外部的顺序控制器…PLC

CNC内部随机顺序控制器…PMC

例1作业者按下周期加工按钮，对各种条件（工件检查过与否，冷却液是否没有等等）确认，如果是可以运转的状态，则对NC输入周期加工开始的信号。

例2NC输出的M03进行译码，检查各种条件，然后主轴电机正转。

检查确认条件等的顺序控制器，与继电回路使用同样的梯形图语言表述。

PMC的硬件与控制器软件，由发那科提供，内容（表示条件的梯形图程序）由机械厂家制作。

梯形记述的例子，梯形的助记符号。

（下图）

PMC应用信号的相互关系

（C）计数器（K）保持继电器（D）数据表（T）可变时间继电器

梯形程序的例子

PMC指令的种类

1．基本指令（基本的逻辑运算）：

RD，WR，AND，OR……

2．功能指令：

加减乘除，TMR（时间继电器），DEC（译码），

CTR（计数器），JMP（转移）……

3．视屏指令（NC数据读写等）：

以下数据和NC之间，可以进行读写。

控制轴的现在位置，速度，伺服迟延量，参数补偿数据，刀具寿命数据……

关于PMC（CNC随机顺序控制器）

●高速处理：

可缩短生产节拍

―0.025μsec/步进，112,000步进，3系统。

―与CNC控制部之间，以高速总线连接，紧密结合联动。

●NC机床控制的最佳指令群

―继电符号

―各种功能指令

●与CNC一体化的硬件…可降低系统成本

―CNC闪存器内存储梯形程序。

―CNC显示器可显示和编辑

●调试简单

―CNC装置内装的诊断，保养功能

―可应用电脑的编程工具―FANUCLADDERⅢ

PMC的组装状态

●采用最先进的硬件技术，紧凑地内装于CNC控制部里。

●通过配置专用的PMC处理器，使之具有相当于最高位等级的PLC的高速大容量顺序控制器的功能。

●内装诊断和保养CNC显示器的功能。

PMC控制回路CNC控制回路

6．CNC的基本功能

●输入输出的控制

―NC信息的输入，检查，变换，分配，与操作员之间的信息交换，外部输入输出的信号处理。

●运算处理

―进给速度，定位，内插（圆弧，直线）。

●伺服控制

―位置和速度的检测，控制，输出的增幅。

其他，补偿，辅助功能，周期动作等。

补间（插补）运算功能

直线插补圆弧插补螺旋插补渐开线插补

花键插补涡流插补圆锥插补三座标圆弧插补

指数函数插补极坐标插补圆柱插补

最新的插补方式（纳诺插补）

●NC指令以最小单位设定为1μm固定，但在NC内部可比最小设定单位以小于1/1100的分辨率，进行运算。

（1μm的设定单位时为1nm）

●如此，机械的运动更加平滑，从而加工面的精度更高。

和以往相同精密运算位置高随动性高的表面精度

纳诺插补的效果

●即使程序指令是1μm，输出到数字伺服的位置指令也是以1nm（纳米）单位，来进行运算。

●如此，机械的运动更加平滑，从而加工表面精度，也更加提高。

（下图）X：

Y3：

1的锥度加工，图左为历来插补，图右为纳诺插补。

注：

定位精度为检测系的单位。

机构部的补偿

其1.间隙补偿

对机械系统的空转进行补偿的功能。

补偿量范围0～9.999/0.9999英寸。

工作台

丝杆

间隙量各轴运动方向变换时，给与补偿脉冲（机械部品之间的间隙）

其2.记忆式间距误差补偿

进给丝杆，因机械磨损，会出现间距之间的误差，对此进行补偿的功能。

通过应用这个功能，可提高加工精度，和延长机械的使用时间。

补偿数据，因为作为参数存储在记忆系统里，所以可以省去重新设定程序的作业时间。

补偿间隔，用参数的设定来固定，补偿点数，可用128x轴数之间设定，在各个位置可用±0～7的值（以单位0.001㎜，或0.0001英寸）进行补偿。

补偿前基准点

7．关于伺服

7．1伺服电机

●伺服是从控制装置接口接收信号，然后根据这些控制信号，对位置，速度和扭矩进行控制，对机构部实现机械驱动。

●由驱动部和伺服机构组成。

●国外其他公司也称之为驱动器。

●在发那科是由伺服放大器和伺服电机组成。

伺服电机的种类

伺服电机电气式→脉冲电机（步进电机）

→DC伺服电机直流机

→AC伺服电机→同步机

→感应机

液压式→液压油缸+伺服阀

→液压电机+伺服阀

→电气液压脉冲马达

空气压式→空气压气缸+伺服阀

→空气压马达+伺服阀

发那科应用的伺服电机

脉冲电动机

●1脉冲仅按固定角度（比如：

2度）转动。

●控制装置无反馈机构所以简单。

●高效率化，高精度化，高速度化，更换为DC电机的半闭环方式。

●电气液压脉冲马达风靡一时。

●电气脉冲马达小型化应用广泛。

DC伺服电机

●起动扭矩大，速度控制简单。

●通过控制直流电压和极性，来对转数和方向进行控制。

●由于电刷磨损粉末，需要对电枢保养。

测速发电机

现在所应用的伺服电机

AC伺服电机

通过对给与电机的电压，频率的控制，而控制方向和转数。

●与DC电机相比，因为没有电刷而保养简单。

编码器

同步机和感应机类型的不同

项目

同步机类型

感应机类型

停电时惯性距离

因有磁铁较短

较长

控制性能

磁通固定所以

低速利于定扭矩

磁通可变高速

固定输出有利

发那科目前考虑到上记的性能不同，在轴进给使用同步类型的伺服电机，在主轴用感应类型的伺服电机。

7.2伺服机构

从位置检测方式看伺服机构的分类。

1．开环方式。

2．闭环方式。

（1）半闭环方式

（2）全闭环方式

（3）对偶位置反馈方式

开环方式

驱动装置脉冲马达

长处:

结构简单，短处:

脉冲电机旋转精度，控制性能。

半闭环方式

高精度丝杆，间隙量补偿，间距误差补偿，几乎所有的NC机床采用这种方式。

全闭环方式

在要求精度的机械，特别是大型机械上采用这种方式。

混合环回路，对偶位置反馈方式

这种控制方式，同时具有半闭环方式的稳定性，和全闭环方式的定位精确性的两者的长处。

检测器

●马达内装式脉冲编码器（发那科）

―增量/绝对》65,536，100万，1600万脉冲/旋转等。

●另置式脉冲编码器（发那科，其他公司）

●光学尺/感应同步尺（其他公司）

●激光尺（超精密，其他公司）

→高解析化：

应用更高的解析率，使高精度加工成为可能。

串行传递信息：

可靠性高。

绝对化：

检测绝对位置。

智能化：

ID信息，温度信息。

αｉ系列脉冲编码器

特长

●高速，高精度加工必不可少的脉冲编码器。

●ID信息，温度检测，备份电容器为标准装载。

●大大缩短保养时间，结构与伺服电机组配。

机型

分辨率

绝对/

增量

ID

信息

温度

检测

备份

电容

适用电机

α16000iA

16，000，000/REV

绝对

○

○

○

αiS，αi系列

α1000iA

1，000，000/REV

绝对

α1000il

绝对

－

β128iA

131，072/REV

绝对

○

β2iS～β22iS

β64iA

65，536/REV

绝对

β0.4～β1iS

关于单位

●最小移动单位：

CNC给与机械指令的最小单位。

●检测单位：

可检测的机械位置最小单位。

8．支持程序制作的功能

MANUALGUIDEｉ加工程序制作和操作画面指南

□在车床，加工中心以及复合加工机上，支持加工程序制作和各种操作，均在一个画面上进行指南。

●可简单确认机械的状态：

现在位置，实际速度，主轴转数，载荷仪等所需数据，

随时显示。

●可简单确认加工程序：

根据实体模型进行3坐标模拟加工。

●可简单制作程序：

以ISO代码为基本，复杂加工用菜单形式，简单输入。

●可简单选择菜单：

菜单全部用图符表示，可用视觉进行选择。

操作指南ｉ的程序输入特长

广泛应用简单的动作，如直线和弧线。

以ISO代码程序（G00，G01，G02，G03等）直接输入。

复杂的加工动作，以循环加工功能方式输入。

例：

四方凹形加工的输入程序

9．使机床个性化的功能

●用户专用宏指令

―计测周期，模式化的加工循环

●宏执行程序

―计测周期，固定周期

―加工程序的编制控制，数据的输入输出

●C语言程序执行

―独自画面的制作，或多重画面的制作

●FANUCPICTURE

―独自的用户画面制作工具

●开式CNC

―使用电脑，进行更为高度的处理

FANUCPICTUR

FANUCPICTURE的特长

①在电脑上，可迅速而简单地制作机械的操作板等MTB独自的画面。

②FS30i/31i/32i适用。

③不需要特殊语言知识的专用画面编辑。

在Windows的电脑上，先用FANUCPICTURE做好画面数据，然后与FP驱动工具一起，经存储卡转送到CNC里，画面就完成了。

注）FP驱动工具，是用于把FANUCPICTURE制作的画面，在CNC上显示的软件。

开式（OPEN）CNC

●个性化功能之一

●使电脑与CNC成为一体化

*HSSB：

HighSpeedSerialBus（高速串行总线，应用光纤电缆。

）

1．用HSSB连接PANELi。

2．用HSSB连接普通电脑。

3．用Ethernet连接普通电脑。

应用软件程序包PackageApplication

　基本操作程序　　　　　　　　　　　　　梯形（程序控制）包

CNC画面显示功能

FOCAS2/Ethernet，HSSB

（注）FOCAS2：

FANUCOpenCNCAPISpecificationsversion2

从应用软件对CNC/PMC数据，进行存取的接口。

FOCAS2所提供的功能

●制作应用软件，准备如下的函数程序库。

　　　　　　　　　　　读出写入

电脑的应用程序←←←CNC电脑的应用程序→→→CNC

NC程序的上载

NC程序的下载

NC程序目录的读出

NC程序的删除

NC程序的检索

参数读出参数写入

客户宏指令读出客户宏指令变数写入

工具补偿数据读出工具补偿数据写入

工件坐标系移位数据读出工件坐标系移位数据写入

间距误差补偿量读出间距误差补偿量写入

工具寿命管理数据读出工具寿命管理数据写入

PMC数据读出PMC数据写入

10．FA网络

1个网格专用加工线

区域网络FieldNetwork

应用商品型号16/18-C，16i/18i/21i16i/18i/21i16i/18i/21i

PowerMate-D/H，ｉ-D/H　　PowerMate-D/Hｉ-D/HPowerMateｉ-D/HｉD/H

FA控制网络/FL-net

用于装置之间水准的控制网络

（以日本汽车工业会设想为基础的，开放式FA网络）

（财团法人）制造科学技术中心（MSTC）开发，以世界标准依萨网络（Ethernet）为基础，可对应复数供应商而降低成本。

此开发项目的参加企业为，包括主要PLC厂家在内的18家厂家。

目标性能

●可共享信息的公用存储器方式。

●32局以4K字节的公用存储器（1台相当于128字节）50ms速度共享。

●可保证在一定时间单位内传递。

●可自动加入或脱离。

数据服务器

通过应用大容量记忆（闪卡1GB，硬盘2GB）装置:

●可对模具等庞大的加工数据，进行高速传送和保存。

●可直接调出记忆装置的程序，进行高速加工。

●

可从NC和电脑双方进行数据收发，参照和删除的操作。

机内Ethernet网络

Ethernet网络功能，如果装进CNC内，可以简便地与网络接续。

支持CNC机床运转的集中管理软件包

CIMPLICITYｉCELL

CIMPLICITYｉCELL的作用是什么？

●对接续在网络上的CNC机床，进行运用的支持。

如NC程序管理，CNC显示，接续功能，运转监控，保养功能等。

●故障复原时支持形式选择和服务。

与CS24ｉ配合。

●可根据CIMPLICITYHMI，使程序包专用。

如按照用户制作的独自的应用软件，进行追补。

可在机械故障时以遥控方式调查CNC/PMC内部情况的

机械遥控诊断软件包

FANUC系列16ｉ/18ｉ/21ｉ

可使机床厂家更为简便进行设备遥控诊断的工具

客户机床厂家机械遥控诊断软件包

客户设备故障，可不去当地，而通过遥控方式检查，确认故障的情况。

从而迅速进行修复，提高机械厂家的服务效率。

11．自动化

FA单元的进化（智能化，机械手化）

●1台CNC设备可达到的自动化水准:

－工件装卸移动的自动化→托盘交换装置，工件助推，工件运载器

－刀具使用时间管理，替换刀具的自动选择

－刀具磨损管理，刀具异常管理

－简易日程管理，加工数量统计

长时间无人化机械加工系统的发展

80年代:

第一代，自动化的开始，自动工件托盘。

90年代:

第二代，长时间无人化运转，立体工件托盘。

2000年代:

第三代，智能机械手化，工件仓库。

人通常定时工作，而机械手和机械，可在夜间和休假日，进行无人化的运转。

机械手单元的发展（第三代）

●高速加工中心，工件仓库，加工夹具，托盘，去飞边机械手，加工夹具搬运车，智能机械手进行工件装夹，工件摘卸。

●从工件仓库，由智能机械手取出工件，然后装夹在加工夹具上，进行加工，设备布置简洁，可进行更长时间的连续加工。

应用机械手进行工件装夹和摘卸

1可以图像视觉取出工件的传感器，机械手伺服臂。

2可精确地查看工件，立体传感器。

3可准确地把工件，装夹在加工夹具上的柔性机械手动作。

（加工用夹具，可适应机械手化的作业。

）