关键 CNC 概念 1 - 计算机数控基础

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这是关于计算机数控关键概念的 10 部分系列文章中的第一篇。有关本系列方法的介绍阅读本文 .

计算机数控有什么好处？

所有形式的数控机床提供的第一个好处是提高了自动化程度。可以减少或消除与生产工件相关的操作员干预。许多 CNC 机床可以在其整个加工周期中无人值守地运行，从而使操作员腾出时间来完成其他任务。这给 CNC 用户带来了一些附带好处，包括减少操作员的疲劳、减少人为错误导致的错误，以及每个工件的一致和可预测的加工时间。由于机器将在程序控制下运行，因此与使用传统机床生产工件的机械师相比，CNC操作员所需的技能水平（与基本加工实践相关）也有所降低。

CNC 技术的第二个主要好处是一致且准确的工件。今天的 CNC 机床拥有几乎令人难以置信的精度和可重复性规格。这意味着一旦一个程序得到验证，就可以轻松地生产出两个、十个或一千个相同的工件，并且具有精度和一致性。

大多数形式的 CNC 机床提供的第三个好处是灵活性。由于这些机器是从程序运行的，因此运行不同的工件几乎与加载不同的程序一样容易。一旦程序在一次生产运行中得到验证和执行，就可以在下一次运行工件时轻松调用。这带来了另一个好处，即快速转换。

由于这些机器很容易设置和运行，而且程序可以很容易地加载，它们允许非常短的设置时间。这对于当今的即时生产要求来说是必不可少的。

运动控制——CNC 的核心

任何数控机床最基本的功能是自动、精确和一致的运动控制。所有形式的数控设备都有两个或多个运动方向，称为轴。这些轴可以沿其行程长度精确自动定位。两种最常见的轴类型是线性（沿直线路径驱动）和旋转（沿圆形路径驱动）。

与传统机床所需的通过手动转动曲柄和手轮来产生运动不同，CNC 机床允许在 CNC 控制下由伺服电机驱动运动，并由零件程序引导。一般来说，几乎所有数控机床的运动类型（快速、直线和圆弧）、运动轴、运动量和运动速度（进给速度）都是可编程的。

在控制系统内执行的 CNC 命令（通常通过程序）告诉驱动电机旋转精确的次数。驱动电机的旋转又使滚珠丝杠旋转。滚珠丝杠驱动直线轴。滚珠丝杠另一端的反馈装置使控制器能够确认指令的转数已经发生。

虽然是一个相当粗略的类比，但在普通台虎钳上可以找到相同的基本直线运动。当您旋转虎钳曲柄时，您会旋转一个丝杠，该丝杠进而驱动虎钳上的活动钳口。相比之下，数控机床上的线性轴非常精确。轴驱动电机的转数精确控制沿轴的直线运动量。

图 1：在本例中，程序 0 位于环的中心。请注意，程序零左侧或下方的任何坐标都指定为负位置。

图 2：在绝对模式下给出的任何命令中都可以很容易地分辨出工具的精确位置。在增量模式下，对于给定的运动命令，很难确定工具的当前位置。

前面一个后面一个

如何控制轴运动——理解坐标系

CNC 用户通过试图告诉每个轴驱动电机旋转多少次以命令给定的线性运动量来引起轴运动是不可行的。 （这就像必须弄清楚台虎钳上的手柄转动多少圈会导致活动钳口恰好移动一英寸！）相反，所有 CNC 控制都允许以更简单和更合乎逻辑的方式控制轴运动通过利用某种形式的坐标系。与 CNC 机床一起使用的两个最流行的系统是矩形或“笛卡尔”坐标系和极坐标系。到目前为止，最常见的是直角坐标系。

直角坐标系的一个非常常见的应用是绘图。

让我们将我们现在所知道的关于图形的知识与 CNC 轴运动联系起来。 CNC 程序员将绘制轴运动的物理端点，而不是绘制理论点来表示概念性想法。轴被分成增量。但是，CNC 机床直角坐标系的每个线性轴并没有被分解为时间和生产力等概念概念的增量，而是被分解为测量增量。在英寸模式下，最小增量可能是 0.0001 英寸。在公制模式下，最小增量可能是 0.001 毫米。 （顺便说一下，对于旋转轴，增量为 0.001
度。）

CNC 机床坐标系中的每个轴都必须从某个位置开始。对于 CNC 的目的，这个原点通常被称为 程序零 点（也称为工作零 , 零部分 ，或程序来源 ）。通常选择程序零点作为所有维度的开始点。

使用这种技术，如果程序员希望将工具发送到程序零点右侧一英寸的位置，X1.0 被命令。如果程序员希望刀具移动到程序零点上方一英寸的位置，Y1.0 被命令。控制器将自动确定每个轴驱动电机和滚珠丝杠旋转多少次，以使轴到达指定的目标点。这让程序员以一种非常合乎逻辑的方式命令轴运动。

对于到目前为止给出的示例，所有点都恰好在程序零点的上方和右侧。程序零点上方和右侧的这个区域称为象限（在本例中为第一象限）。在 CNC 机器上，程序中所需的端点属于其他象限的情况并不少见。发生这种情况时，必须将至少一个坐标指定为负值。图 1 显示了当端点落在所有四个象限并且必须指定负坐标时的一种常见应用。

绝对与增量运动

到目前为止的所有讨论都假定使用绝对编程模式。在绝对模式下，所有运动的终点都将从程序零点开始指定。对于初学者来说，这通常是为运动命令指定端点的最佳和最简单的方法。但是，还有另一种方法可以指定轴运动的端点。

在增量模式中，运动的终点是从工具的当前位置指定的，而不是从程序零开始。使用这种控制运动的方法，程序员一定会问：“我应该将工具移动多远？”虽然有时增量模式会很有帮助，但一般来说，这是比较麻烦和困难的方法。

发出运动命令时要小心。初学者有渐进思考的倾向。如果在绝对模式下工作（初学者应该这样做），程序员应该总是问“工具应该移动到什么位置？”这个位置是相对于程序零的，不是 从工具的当前位置。图 2 显示了两个相同系列的运动，一个是增量模式，另一个是绝对模式。

除了可以很容易地确定任何命令的当前位置之外，在绝对模式下工作的另一个好处与运动命令期间所犯的错误有关。在绝对模式下，如果程序的一个指令出现动作错误，只有一个动作会不正确。另一方面，如果在增量运动过程中出现错误，那么从错误点开始的所有动作也将是错误的。

分配程序零

请记住，必须通过一种或另一种方式告诉 CNC 控制程序零点的位置。从一台 CNC 机床和控制到另一台 CNC 机床的实现方式差异很大。一种较旧的方法是在程序中分配程序零。使用这种方法，程序员告诉控制器从程序零点到机器的起始位置有多远。这通常至少在程序开始时使用 G92（或 G50）命令完成，也可能在每个刀具开始时使用。

分配程序零的一种通常更好的方法是通过某种形式的偏移量。加工中心控制制造商通常称用于分配程序零的偏移量夹具偏移量 .车削中心制造商通常调用用于为每个刀具分配程序零的偏移几何偏移 .更多关于如何分配程序零的信息将在第四个关键概念中介绍。

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关于轴运动的其他要点

至此，我们主要关心的是向您展示如何确定每个运动命令的端点。如您所见，这样做需要了解直角坐标系。但是，还有其他关于动议将如何进行的担忧。例如，运动的类型（快速、直线、圆周等）和运动速度（进给速度）也是程序员关心的问题。我们将在第三个关键概念中讨论这些其他注意事项。

CNC 程序

几乎所有当前的 CNC 控制都使用字地址格式进行编程。 （唯一的例外是某些对话控制。）字地址格式是指 CNC 程序由类似句子的命令组成。每个命令由 CNC 字组成，每个字都有一个字母地址和一个数值。字母地址（X、Y、Z 等）告诉控件单词的种类，数值告诉控件单词的值。像英语中的单词和句子一样使用，CNC 命令中的单词告诉 CNC 机器我们现在想要做什么。

每个单词都有一个字母地址和一个数值。字母地址告诉控件字的类型。 CNC 控制制造商在如何确定单词名称（字母地址）及其含义方面确实有所不同。初级 CNC 程序员必须参考控制制造商的编程手册来确定单词的名称和含义。以下是一些单词类型及其常用字母地址规范的简要列表。

如您所见，许多字母地址是按逻辑方式选择的（T 代表刀具，S 代表主轴，F 代表进给率等）。有一些需要记住。

有两个字母地址（G 和 M）允许指定特殊功能。准备函数 (G) 指定通常用于设置模式。我们已经介绍过G90指定的绝对方式和G91指定的增量方式。这些只是使用的两个准备功能。您必须参考您的控制器制造商的手册来查找您机器的功能列表。

与预备函数一样，杂项函数（M 字）允许各种特殊函数。其他功能通常用作可编程开关（如主轴开/关、冷却液开/关等）。它们还用于对 CNC 机床的许多其他可编程功能进行编程。

对于初学者来说，所有这些似乎都像是 CNC 编程需要大量的记忆。但请放心，CNC 编程只使用大约 30-40 个不同的词。如果你可以把学习CNC手工编程想象成学习一门只有40个单词的外语，应该不会觉得太难。

小数点编程

某些字母地址（CNC 字）允许指定实数（需要整数部分的数字）。示例包括 X 轴指示符 (X)、Y 轴指示符 (Y) 和半径指示符 (R)。几乎所有当前型号的 CNC 控制器都允许在每个字母地址的规范中使用小数点。例如，X3.0625 可用于指定沿 X 轴的位置。

另一方面，一些字母地址用于指定整数。示例包括主轴速度代号 (S)、刀具站代号 (T)、序列号 (N)、预备功能 (G) 和辅助功能 (M)。对于这些单词类型，大多数控件不 允许使用小数点。初级程序员必须参考CNC控制制造商的编程手册，找出哪些字允许使用小数点。

其他可编程功能

除了最简单的 CNC 机床之外，所有机床都具有可编程功能，而不仅仅是轴运动。使用当今成熟的 CNC 设备，几乎所有关于机器的东西都是可编程的。例如，CNC 加工中心允许对主轴速度和方向、冷却液、换刀以及机床的许多其他功能进行编程。以类似的方式，CNC 车削中心允许对主轴速度和方向、冷却液、转塔分度和尾座进行编程。而所有形式的数控设备都会有自己的一套可编程功能。此外，某些附件，如探测系统、刀具长度测量系统、托盘更换器和自适应控制系统也可能可用，并且需要考虑编程。

可编程功能列表会因一台机器而异，用户必须为每台要使用的 CNC 机器学习这些可编程功能。 第二个关键概念 ，我们将仔细研究在不同形式的 CNC 机床上通常可编程的内容。

详细了解计算机数控的关键概念：

关键 CNC 概念 #2 — 了解您的机器

关键 CNC 概念 #3 - 了解 CNC 运动类型

关键 CNC 概念 #4——补偿形式

CNC 的关键概念 #5——程序格式化的重要性

关键 CNC 概念 #6——CNC 编程方法

关键 CNC 概念 #7 — 从操作员的角度了解机器

关键 CNC 概念 #8 — 机器操作模式

关键 CNC 概念 #9 — 操作的关键顺序

关键 CNC 概念 #10 — 安全验证 CNC 程序