CNC数控基础知识
一． CNC 机床与CNC 系统
CNC 的含义是运算机数值操纵。 1． CNC 机床 ⑴．金属切削用
孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削、切螺纹、切平面、轮廓加工、平面磨削、外圆磨削、内圆磨削等。
⑵．线电极切割机。
⑶．冲床、步冲、冲压、金属成型、弯管等机床。 ⑷．产业机器人。 ⑸．注塑机。 ⑹．检测、测量机。 ⑺．木工机械。
⑻．专门材料加工机械：如加工石材、玻璃、发射性矿料等。 ⑼．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。随着电子技术和运算机技术以及IT 技术的进展，目前，这些机床与加工设备都可用数值运算机用数值数据进行操纵，称为CNC 操纵。
2． CNC 系统
CNC 系统的含义是运算机数值操纵系统。 CNC 系统的差不多配置
机床的CNC 操纵是集成多学科的综合操纵技术。一台CNC 系统包括： ⑴．CNC 操纵单元（数值操纵器部分）。 ⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。 ⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。 ⑷．PMC（PLC）操纵器。
⑸．机床强电柜（包括刀库）操纵信号的输入/输出（I/O）单元。 ⑹．机床的位置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。
⑺．外部轴（机械）操纵单元。如：刀库、交换工作台、上下料机械手等的驱动轴。 ⑻．信息的输入/输出设备。如电脑、磁盘机、储备卡、键盘、专用信息设备等。 ⑼．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。CNC 单元（操纵器部分）的硬件实际上确实是一台专用的微型运算机。是CNC 设备制造厂自己设计生产的专门用于机床的操纵的核心。下面的几张图表示出其差不多硬件模块；差不多的操纵功能模块和一台实际的操纵器硬件。
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。依照规定，按直角坐标系右手法则定义各坐标轴，Z 轴正方向一样为机床主轴的方向。X、Y、Z 定义为直线运动轴；U、V、W 为分不平行于X、Y、Z 的直线运动轴；A、B、C 为回转运动轴，分不围绕X、Y、Z 运动，其正方向符合右手螺旋规则。CNC 操纵时用程序命令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 轴和谐运动，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。
三．CNC 插补与位置操纵指令的输出
1．轨迹运动的插补运算--插补器
CNC 对机床的坐标运动进行操纵。在操纵原理上这是位置量操纵系统。需要操纵的是：几个轴的联动，运动轨迹（加工轮廓）的运算：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）；移动的辨论率。现代的CNC 系统是纯电气的操纵系统。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操纵。
CNC 对机床进给轴的操纵，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）。程序是依照零件轮廓分段编制的。一个程序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……
然而，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，确实是前段的终点。因此，加工此段时，如上图所示，CNC 操纵器即运算机处理器只明白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运算出来。处理器是依据该段轮廓指令（G02）和起点和终点的坐标值运算的，即必须算出期望加工的工件轮廓，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）。在位置运算时，要依照轮廓位置算出对应点的刀具运动方向速度。此例中是分不算出沿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，一样为8ms；运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。是执行以圆弧运算公式为基础的插补子程序。运算时的判定条件是：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定是否到达终点，是否超差，运算方向是顺时针，进给当量是1μm/脉冲，速度是500mm/min。
CNC 的系统操纵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。这确实是CNC 系统操纵软件中操纵坐标轴运动的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操纵刀具运动的。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 的系统操纵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。因此，这些系统的操纵软件是完全不同的。插补器的硬件是CNC 的主CPU。因此，还有用纯硬件的插补器。
2．插补脉冲的分配输出
通过插补运算，算出了加工所要求的工件形状在同一时刻周期（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，分不送给对应的坐标轴，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/减速操纵：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，然而速度指令的滞后较大。相反，直线型加减速的速度变化迅速，时刻常数设得较小时会造成冲击，引起机床的震动。然而，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，如此能够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，还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等CNC 软件。
3． 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运算出来的，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，必须依照实际使用的刀具，计入事实上际半径和长度，由CNC 运算出实际刀具的中心轨迹，按此轨迹操纵刀具的移动。此功能叫做“刀具的偏置及补偿”。
⑴．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运算，插补器即按照实际的刀具半径运算出刀具的中心轨迹，以此操纵刀具的行进。确实是讲，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不送给相应的进給轴。实际刀具的半径值在加工前必须输入至刀具补偿储备器。刀具补偿储备器可同时储备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。依照程序中指令的刀号，CNC 插补器找到实际的刀具半径值执行运算。G41 为左刀补：沿着刀具行进的方
CNC数控基础知识
