CNC numerical control machine tools
Computer digital control is a cover all kinds, with different size, shape and function of the machine#39;s term ，But the most simple methods of understanding is CNC is a kind of controlled by computer in the cube material processing out useful objects machine.
CNC machine can be divided into two categories: the nc lathe and nc milling machine. Numerical control lathe usually consists of clamping workpiece high-speed rotating device and a can cut to workpiece excess material tool composition (tool can be in workpiece up to and from sports, until get the desired shape of the). Nc milling machine is a kind of can in the X, Y, Z axis three directions of milling processing device.
the nc lathe and nc milling machine does not necessarily need computer to produce a queue to control. Numerical control technology and computer technologies can allow people to first of all on the computer design products, and then define how nc machine tool processing the product. Product design is on the computer generates a computer aided design documents, then need people define how NC machine tool processing the products and, in the end, it step produced a computer aided manufacturing file (or G code files, or NC file, this type of file have many name). The computer aided processing file contains all of the nc machine tools must follow the steps machining information. Computer and CNC numerical control machine tool communications tell it how to explain these processing document to carry on the processing.
Nc machine tool by: procedures, input/output device, CNC unit, servo system, position feedback system, machine body composition.
1. program storage medium, also called program carrier
1) Punched tape (outdated, eliminated);
2) Cassette tape (outdated, eliminated);
3) Floppy disk, disk, usb flash disk,
4) Communication.
2. input/output devices
1) For punched tape, with photoelectric reading machine; (out of date, eliminated);
2) For cassette tape, with recorders, (out of date, eliminated);
3) For the floppy disk, with floppy disk drive and drive card;
4) Modern nc machine tool, but also through the manual way (MDI style);
5) DNC communication network, RS232 serial communication.
3. CNC unit
CNC unit is the core of the nc machine tools, CNC unit is composed of information input, processing and output of three parts.
CNC unit to accept digital information, through numerical control device of control software and logic circuit decoding, interpolation, logic processing, will be all kinds of instruction information output servo system, servo drive execution parts feed movement. The other and main moving parts of variable speed, reversing and start-stop signal. Choice and exchange tool cutting tool command signal, cooling and lubrication of the start-stop, workpiece and machine tool parts loosen, clamping, indexing table inversion and auxiliary command signal, etc.
Prepare function: G00, G01, G02, G03,
Auxiliary function: M03, M04
Tools, feed speed, spindle: T, F, S
4. servo system
By drive, drive motor composition, and with the execution of the machine parts and mechanical transmission parts of nc machine tool feed system. Its role is the numerical control device from the pulse signal into the movement of the machine moving parts. For stepping motor for, each pulse signal make motor turned an Angle that, in turn, drives a machine moving parts move a small distance. Each movement of feed execution component has a corresponding servo drive system, the whole machine performance mainly depends on the servo system. Such as triaxial linkage of machine tools has three sets of drive system.
Pulse equivalent: each pulse signal make machine moving parts moving displacement. Commonly used pulse equivalent to 0.001 mm/pulse.
5. position feedback system (detection feedback system)
Servo motor Angle displacement feedback, nc machine tools actuator (table) displacement feedback. Including grating, rotary encoder, laser range finder, the magnetic grid, etc.
Feedback device to test results into electrical signal feedback to numerical control device, by comparison, calculating the actual position and instruction position deviation between the, and sent out the deviation command control executive part of the feed movement.
Feedback system including half closed loop and closed loop two system.
6. machine tool of mechanical components
1) Main moving parts
2) Feed unit (table, head)
3) Foundation support (bed, column, etc.)
4) Auxiliary parts, such as hydraulic, pneumatic, cooling and lubrication part, etc
5) Reserve tool knife library, automatic tool changer (ATC)
For machining center type of nc machine tools, and store tool knife library, exchange cutter manipulator etc. Numerical control machine mechanical parts of the composition and common machine tool similar, But for the transmission structure more simple, in precision, rigidity, earthquake resistance etc requirements higher, And the drive and speed control system is more easy to realize automatic extension.
Servo drive and position detection device
Machine bed
The main motion mechanism
Feed motion mechanism
Auxiliary action mechanism
Nc device
CNC
Input device
programming
Auxiliary control and high voltage control device
图1-1 数控机床的组成
In the numerical control machine parts processing by the following steps:
(1) preparation phase:
According to the processing parts drawings, determine the relevant
processing data (tool path coor
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CNC数控机床
计算机数字化控制是一个涵盖各种各样、具有不同尺寸、形状和功能的机器的术语。但是最简单的理解方法就是CNC是一种由计算机控制在立方体材料上加工出有用物体的机器。
CNC机器可以分为两类：数控车床和数控铣床。数控车床通常由夹持工件高速旋转的装置和一把可以切去工件多余材料的车刀组成（车刀可以在工件上来来回回运动，直到取得需要的形状）。数控铣床是一种具有可以在X、Y、Z轴三个方向进行铣削加工的装置。
数控车床和数控铣床不一定需要计算机来产生一个队列来进行控制。数控技术和计算机技术相结合可以允许人们首先在电脑上设计产品，然后再定义数控机床如何加工这个产品。设计产品就是在计算机上生成一个计算机辅助设计的文件，然后需要人们定义数控机床如何加工这个产品，最终这一步产生了一个计算机辅助制造文件（或者G代码文件，或者NC文件，这种类型的文件有很多名字）。这个计算机辅助加工文件包含所有数控机床必须遵循加工工件的步骤信息。计算机和CNC数控机床进行通讯告诉它如何解释这些加工文件以便进行加工。
数控机床由：程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。
1、程序的存储介质，又称程序载体
- 穿孔纸带（过时、淘汰）；
- 盒式磁带（过时、淘汰）；
- 软盘、磁盘、U盘；
- 通信。
2、输人/输出装置
- 对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）；
- 对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）；
- 对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；
- 现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)；
- DNC网络通讯、RS232串口通讯。
3、CNC单元
CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。
CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。
准备功能：G00,G01,G02,G03,
辅助功能：M03，M04
刀具、进给速度、主轴：T，F，S
4、伺服系统
由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。如三轴联动的机床就有三套驱动系统。
脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。
5、位置反馈系统（检测反馈系统）
伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。
反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。
反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。
6、机床的机械部件
- 主运动部件
- 进给部件（工作台、刀架）
- 基础支承件（床身、立柱等）
- 辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等
- 储备刀具的刀库，自动换刀装置(ATC)
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手
等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简
单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于
实现自动化扩展。
置检测装置
伺服驱动及位
数
控
装
置
CNC
机 床
主 进 辅
运 给 助
动 运 动
机 动 作
构 机 机
构 构
程序编制
输入装置
电控制装置
辅助控制及强
图1-1 数控机床的组成
在数控机床上加工零件要经过以下的步骤：
（1)准备阶段：
根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切
削用量、刀具尺寸信息等）。根据工艺方案、选用的夹具、刀具的类型等选
择有关其他辅助信息。
工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）
切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等）
各种辅助操作（主运动变速、刀具变换、冷却润滑液启停、工件夹紧松开）
（2）编程阶段
根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序
（对加工工艺过程的描述），并填写程序单。
（3）准备信息载体
根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘
等）上，通过信息载体将全部加工信息传给数控系统。若数控加工机床与计
算机联网时，可直接将信息载入数控系统。
（4）加工阶段
当执行程序时，机床数控系统（CNC）将加工程序语句译码、运算，转
换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适
时运动，自动完成对工件的加工。
总的说来，数控机床就是将与加工零件有关的信息，用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。
各种数控机床的第一个优点是自动化程度提高了。零件制造过程中的人为干预减少或者免除了。整个加工循环中，很多数控机床处于无人照看状态，这使操作员被解放出来，可以干别的工作。数控机床用户得到的几个额外好处是：数控机床减小了操作员的疲劳程度，减少了人为误差，工件加工时间一致而且可预测。由于机床在程序的控制下运行，与操作普通机床的机械师要求的技能水平相比，对数控操作员的技能水平要求（与基本加工实践相关）也降低了。
数控技术的第二个优点是工件的一致性好，加工精度高。现在的数控机床宣称的精度以及重复定位精度几乎令人难以置信。这意味着，一旦程序被验证是正确的，可以很容易地加工出2个、10个或1000个相同的零件，而且它们的精度高，一致性好。
大多数数控机床的第三个优点是柔性强。由于这些机床在程序的控制下工作，加工不同的工件易如在数控系统中装载一个不同的程序而己。一旦程序验证正确，并且运行一次，下次加工工件的时候，可以很方便地重新调用程序。这又带来另一个好处—可以快速切换不同工件的加工。由于这些机床很容易调整并运行，也由于很容易装载加工程序，因此机床的调试时间很短。这是当今准时生产制造模式所要求的。
运动控制—CNC的核心
任何数控机床最基本的功能是具有自动、精确、一致的运动控制。大多数普通机床完全运用机械装置实现其所需的运动，而数控机床是以一种全新的方式控制机床的运动。各种数控设备有两个或多个运动方向，称为轴。这些轴沿着其长度方向精确、自动定位。最常用的两类轴是直线轴（沿直线轨迹）和旋转轴（沿圆形轨迹）。
普通机床需通过旋转摇柄和手轮产生运动，而数控机床通过编程指令产生运动。通常，几乎所有的数控机床的运动类型（快速定位、直线插补和圆弧插补）、移动轴、移动距离以及移动速度（进给速度）都是可编程的。
数控系统中的CNC指令命令驱动电机旋转某一精确的转数，驱动电机的旋转随即使滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠将旋转运动转换成直线轴（滑台）运动。滑台上的反馈装置（直线光栅尺）使数控系统确认指令转数已完成，
普通的台虎钳上有着同样的基本直线运动，尽管这是相当原始的类比。旋转虎钳摇柄就是旋转丝杠，丝杠带动虎钳钳口移动。与台虎钳相比，数控机床的直线轴是非常精确的，轴的驱动电机的转数精确控制直线轴的移动距离。
轴运动命令的方式--理解坐标
对CNC用户来说，为了达到给定的直线移动量而指令各轴驱动电机旋转多少转，从而使坐标轴运动，这种方法是不可行的。（这就好像为了使钳口准确移动1英寸需要计算出台虎钳摇柄的转数！）事实上，所有的数控系统都能通过采用坐标系的形式以一种较为简单而且合理的方式来指令轴的运动。数控机床上使用最广泛的两种坐标系是直角坐标系和极坐标系。目前用得较多的是直角坐标系。
编程零点建立数控程序中运动命令的参考点。这使得操作员能从一个公共点开始指定轴运动。如果编程零点选择恰当，程序所需坐标通常可从图纸上直接获得。
如果编程员希望刀具移动到编程零点右方1英寸（25.4毫米）的位置，则用这种方法指令X1.0即可。如果编程员希望刀具移动到编程零点上方1英寸的位置，则指令Y1.0。数控系统会自动确定（计算）各轴驱动电机和滚珠丝杠要转动多少转，使坐标轴到达指令的目标位置。这使编程员以非常合理的方式命令轴的运动，
理解绝对和相对运动
至此，所有的讨论都假设采用的是绝对编程方式。用于指定绝对方式的最常用的数控代码是G90。绝对方式下，所有运动终点的指定都是以编程零点为起点。对初学者来说，这通常是最好也是最容易的指定轴运动终点的方法，但还有另外一种指定轴运动终点的方法。
增量方式（通常用G91指定）下，运动终点的指定是以刀具的当前位置为起点，而不是编程零点。用这种方法指定轴运动，编程员往往会问“我该将刀具移动多远的距离？”，尽管增量方式多数时候很有用，但一般说来，这种方法指定轴运动较麻烦、困难，初学者应该重点使用绝对方式。
指令轴运动时一定要小心。初学者往往以增量方式思考问题。如果工作在绝对方式（初学者应该如此），编程员应始终在问“刀具应该移动到什么位置？”，这个位置是相对于编程零点这个固定位置而言，而不是相对于刀具当前位置。
绝对工作方式很容易确定指令当前位置，除此之外，它的另外一个好处涉及轴运动中的错误。绝对方式下，如果程序的一个轴运动指令出错，则只有一个运动是不正确的。而另一方面，如果在增量运动过程中出错，则从出错的那一点起，所有的运动都是不正确的。
指定编程零点
记住必须以某种方式对数控系统指定编程零点的位置。指定编程零点的方式随数控机床和数控系统的不同而很不相同。（较老的）一种方法是在程序中指定编程零点。用这种方法，编程员告诉数控系统从编程零点到机床起始点的距离。通常用G92（或G50)在程序的一开始指定，很可能在各把刀具的开头指定编程零点。
另一种较新、更好的指定编程零点的方法是通过偏置的形式，见图4。通常，加工中心上用于指定编程零点的偏置被称作夹具偏置，车削中心上用于指定编程零点的偏置被称作刀具几何偏置。
柔性制造单元
柔性制造单元（FMC）被认为是柔性制造子系统。以下是FMC和FMS之间的区别：
1. FMC不受中央计算机的直接控制，中央计算机发出的指令被传送到单元控制器。
2. FMC能制造的零件族的数目有限。
FMC一般由下列部分组成：
．单元控制器
．可编程逻辑控制器（PLC）
．一台以上的机床
．物流设备（机器人或托盘）
FMC按顺序对零件流执行固定的加工操作。
高速加工
术语“高速加工(HSM)”一般是指在高转速和大进给量下的立铣。例如，以很高的金属切除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的60年中，高速加工己经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于HRC 50的材料切削。对于大部分淬火到约为HRC 32-42的钢零件，当前的切削选项包括：
．在软（退火）工况下材料的粗加工和半精加工
．达到最终硬度要求为HRC 63的热处理
．模具行业的某些零件的电极加工和放电加工(EDM)（特别是金属切削刀具难以加工的小半径圆弧和深凹穴）
．用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合陶瓷或多晶立方氮化硼（PCBN）刀具进行的圆柱／平面／凹穴表面的精加工和超精加工。
对于许多零件，生产过程牵涉到这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工，结果导致生产成本高和准备时间长。
在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品的设计不断改变，
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