數(shù)控系統(tǒng)的功能

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數(shù)控系統(tǒng)的功能

什么是followup（跟蹤）功能?

一般，機床由位置指令控制運動。然而，當(dāng)位置控制無效時，比如，伺服關(guān)斷、急?；蛩欧缶陂g，如果移動機床，

實際的位置就會反映到CNC系統(tǒng).在施加followup功能時，CNC可以根據(jù)機床的運動而修正位置值.于是，在不需要

回零的情況下，加工就可以繼續(xù)進(jìn)行而不發(fā)生超差。但是，如果位置檢測系統(tǒng)出現(xiàn)故障，機床就不能正確跟蹤。因此CNC

的現(xiàn)在值位置也不是正確的。

什么是C軸?Cf軸控制與Cs軸控制有什么不同？

機床的三個直線坐標(biāo)軸一般稱為X、Y、Z軸。以這三軸為中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為A、B、（:軸；所以C軸也就是圍繞Z

軸旋轉(zhuǎn)的運動軸。C軸控制是指把C軸看作為伺服軸，稱為主軸輪廓控制.它可以參與其他坐標(biāo)的插補控制.如果采用主

軸電機控制C軸就稱為軸，而采用進(jìn)給電機控制C軸的稱為G軸。

DNC功能是什么意義？

⑶多點連接方式

（b）點對點連接方式

圖1DNC1的兩種工作方式

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1980年國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2806對于DNC定義為directnumericalcontrol直接數(shù)控)"。其概念為："此系統(tǒng)哽一群數(shù)控機

床與公用零件程序或加工程序存儲器發(fā)生聯(lián)系。一旦提出請求，它立即把數(shù)據(jù)分配給有關(guān)機床"。有時也稱為"群控’".

這種技術(shù)在70年代到80年代的研制及應(yīng)用表明，由于系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差，因此得不到發(fā)展。在1994年頒布的￡02806

定義DNC為"distributednumericalcontrol分布式數(shù)控)"。這樣，其概念也發(fā)生了本質(zhì)的變化，其意義為"在生產(chǎn)管

理計算機和多個數(shù)控系統(tǒng)之間分配數(shù)據(jù)的分級系統(tǒng)。"實質(zhì)上，DNC就變?yōu)橐粋€通信網(wǎng)絡(luò),允許在單元控制器與CNC機

床之間交換信息。這樣DNC標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容概念的變化，說明技術(shù)的內(nèi)涵也發(fā)生了變化。FANUC的系統(tǒng)有DNC1、DNC2兩種；

DNC1也有兩種工作方式，如圖1所示。①單元控制器為主站，以多點連接的方式控制多臺CNC機床,此種方式一般用于

小規(guī)模的FMS控制。②單元控制器與CNC系統(tǒng)以點對點連接。它們共同起混合站的作用.這種方式主要用于傳送連續(xù)多

個程序段的長程序，以實現(xiàn)模具加工。

DNC2是一個通信協(xié)議,它由FANUC的CNC系統(tǒng)與PC計桔今/向仃一】

算機之間通過RS-232-C接口進(jìn)行通信.如圖2所示。PC機利應(yīng)/指令CNC

Playback有時稱為“示教功能"或稱"錄返"。它表示CNC系統(tǒng)的程序可以由手動操作機床把機床的位置送存到系統(tǒng)

的存儲器里作為系統(tǒng)的程序。另外，系統(tǒng)的其他轆，如M代碼、G代碼、進(jìn)給率也可采用同樣的操作把寄存在系統(tǒng)的存

儲器中作為零件程序.

什么是剛性攻螺紋(rigidtapping)?

理論上，攻螺紋時，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，z軸的進(jìn)給總量應(yīng)該等于絲錐的螺距。即：

P=F/S

P——絲推的螺距，mm

F-----Z軸的進(jìn)給量，mm/min

S------主軸轉(zhuǎn)速，r/min

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一般的攻螺紋功能，主軸的轉(zhuǎn)速和Z軸的進(jìn)給是獨立控制，因此上面的條4牛可能并不滿足。特別在孔的底部，主軸和z

軸的轉(zhuǎn)速降低且停止，之后它們反轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速增加，由于各自獨立執(zhí)行加、減速，因此上面的條件更可能不滿足。為此,

通常由裝在錐孔內(nèi)部的彈簧對進(jìn)給量進(jìn)行?M嘗以改善攻螺紋的精度。

如果控制主軸的旋轉(zhuǎn)和z軸的進(jìn)給菽是同步，那么攻螺紋的精度就可以得到保證.這種方法稱為"剛性攻螺紋"。這時

主軸的運行從速度系統(tǒng)變成位置系統(tǒng)運行。

什么是HRV控制？

FANUC最近開發(fā)出一種稱為"HRV控制"的功能，它的英語意義為highresponsevectorcontrol,即高響應(yīng)

矢量控制。意義如下圖3所示：

FANUC的CNC采用交流伺服電機，實際流過繞組的電流為交流電流。這有兩種方法可以進(jìn)行控制：①電流控制

環(huán)和控制都為AC量。②通過坐標(biāo)變換電流變量為DC量進(jìn)行控制?，F(xiàn)在一般采用后者進(jìn)行控制，也稱矢量變換控

制。HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取決于電機的速度(即電流的頻率)；從速度控

制的觀點出發(fā)，這意味著由轉(zhuǎn)矩指令決定的實際的轉(zhuǎn)矩與電機的速度無關(guān)。對于高速、高精度這是豐常有利的.

叫DC變揍AC

Id

三相電壓指令

什么是高精度.高

速功能？錦空|―I三相電流指令

速度控制電漉控制

50多年來，由于電子技圖3HRV控制框圖

術(shù)的迅速發(fā)展，NC技術(shù)已

變成制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前，機床制造技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：

(1)高速高效加工在大多數(shù)情況下，機床的生產(chǎn)率僅達(dá)20%-30%理論的能力，這由很多因素造成，提高生產(chǎn)率

的主要方法是高速加工。目前，對加工中心，進(jìn)給速度已達(dá)80~90m/min,采用直線電機可達(dá)120m/min,進(jìn)給

加速度可達(dá)1~2g;主軸轉(zhuǎn)速dn值達(dá)0.5~3X106,甚至更高，換刀時間小于1SO

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(2)更高的加工精度以前，汽車零件的精度其數(shù)量級通常為10nm,對精密的零件要求為lnm,然而，隨著精

密產(chǎn)品的出現(xiàn)，數(shù)字錄象機、硬盤驅(qū)動器、數(shù)字影象硬盤機、流體軸承等等，在精加工過程中對精度的要求增加到

0.1pm,最近，有些精密零件加工圓度、表面粗糙度和精度的數(shù)量級達(dá)到O.OlRm,這實際上已進(jìn)入納米加工的領(lǐng)

域。為了滿足制造技術(shù)不斷發(fā)展的需要，NC將朝著具有高精度、高速功能的方向發(fā)展.對于數(shù)控系統(tǒng)，其功能主

要要求為：①必須能夠高速度處理程序段。②能夠迅速、準(zhǔn)確地處理和控制信息流，使其加工誤差控制為最小.③

能夠盡量減少機械的沖擊，使機床平滑移動。④要有足夠容量，可以讓大容量加工程序高速運轉(zhuǎn)。⑤具有高速度、

高精度T作的伺服電機..主軸電機、進(jìn)給電機、傳感器.⑤插補周期.加T速度及精度還取決于系統(tǒng)的插補周期時

間IPT,在插補周期內(nèi)，系統(tǒng)的各個坐標(biāo)進(jìn)行直線插補，在相同的進(jìn)給率時，如果插補周期小，則指補的線段短，

精度高；而在相同的插補周期下，如果進(jìn)給率低，插補的線段短，精度高?，F(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，其插補周期往往

小于1ms。⑦先行控制(見下條)。

什么是先行控制(lookahead)?

在一般的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行程序是邊輸入、邊運算、邊執(zhí)行，當(dāng)正推行某段程序時，CNC也計算出下段的數(shù)據(jù)。如

圖4所示。如果執(zhí)行一個程序段過快，比如移動距離短、進(jìn)給速度快，那么就會產(chǎn)生運算和處理追不上運動的現(xiàn)

象。這時機床就會出現(xiàn)中斷運行。有人把這稱為“數(shù)據(jù)饑餓”現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)需要進(jìn)行緩沖。這是數(shù)控系統(tǒng)的重

要功能。為了使機床連續(xù)運行，在執(zhí)行某個程序段時，讀取另一個程序段并進(jìn)行運算，把運算的結(jié)果存到緩沖器中。

這樣，運行的程序完成以后，下個程序段可以立刻進(jìn)行。

當(dāng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在高速加工時上面的運行順序就不

太合理，囚為在高速的情況下，進(jìn)給率大大提高，囚此

由于加速度、減速度產(chǎn)生的延遲和伺服產(chǎn)生的延遲引起運檸■*程】?*段2:一段3

的誤差也大大增加。這就需要對進(jìn)給率進(jìn)行控制，使得

圖4一般CNC系統(tǒng)的運行順序

運算處理的時間大大增加，更容易形成上面所說的運算

追不上運動的現(xiàn)象，如果要求在不同的加工形狀時對進(jìn)給率和加減速度進(jìn)行預(yù)計算，使得雌系統(tǒng)在程序編制以后，

執(zhí)行以前預(yù)先計算出各程序段的運動軌跡和運動速度；也即對將要運行的程序進(jìn)行預(yù)先處理，預(yù)先根據(jù)上面提到的

控制進(jìn)給率和加、減速度方法計算出程序段的進(jìn)給幫助口、減速度，進(jìn)而計算出運動的幾何軌跡，然后送到多段緩

沖器，當(dāng)運行時刀具按一定的速度高速運動，而加工形狀的誤差卻仍然小。這就是"先行控制"(Advanced

previewcontrol),有時也稱為"前瞻"("lookahead")控制的原理。執(zhí)行這種控制，需要以下的控制相配合：

①先行補前加減速控制(包括以上伺眼控制中的"預(yù)先前饋控制")。②多緩沖器：由于增加了多緩沖器，就可以避

免連續(xù)很小程序段加工產(chǎn)生的中斷。③在加工圓弧時，箱制進(jìn)給率，如前面所述。④補后直線加減速。⑤RISC(精

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簡指令集計算機)控制：如果需要預(yù)計算的程序很多，比如高速力01需要進(jìn)行多達(dá)幾十段甚至幾百段的程序預(yù)計算，

這是非常復(fù)雜的。對于一般CNC而言，系統(tǒng)并沒有這個處理能力。為了提高計算機的計算能力，采用了

RISC(ReducedInstructionsetcomputer)芯片控制。

什么是RISC控制?

計算機自1946年問世以來經(jīng)歷了5代和許多重要的技術(shù)變化其中最有意義的進(jìn)步也許是從復(fù)雜指令集(CISC)

過渡到精簡指令集(REC)體系結(jié)構(gòu)。在這以前的多年中，處理器的體系結(jié)構(gòu)

都朝著復(fù)雜化方向發(fā)展；指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜和龐大，人們傾向于設(shè)置更多的指令、尋址方式、專用寄存器和功能

單元，使得處理器結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，成本越來越高。但是通過一批從事計算機應(yīng)用開發(fā)的專家對許多種大型應(yīng)用程

序的二進(jìn)制代碼作了深入的分析后,得出一個很有意義的結(jié)果：大型應(yīng)用程序的二進(jìn)制里80%二進(jìn)制代碼中只使

用指令集中20%的指令，而其余80%的指令，只有20%的使用機會。于是出現(xiàn)了RISC指令集的設(shè)計思想。RISC

體系結(jié)構(gòu)對計算機體系結(jié)構(gòu)的常規(guī)思路是一個很大的突破。RISC體系結(jié)構(gòu)的基本思路是：抓住CISC指令系統(tǒng)指

令種類太多(其中80%以上都是程序中很少使用的指令)、指令不規(guī)范、尋址方式太多的缺點，通過減少指令種類、

規(guī)范指令格式和簡化尋址方式，提高電路中器件，特別是大幅度地提高了處理器的性能。

1992年，日本發(fā)那科首先在15系統(tǒng)采用了32位的RISC,在1994年，又推出了64位的RISC,大大改善了系統(tǒng)的性

能。由于采用RISC芯片，可實現(xiàn)最多達(dá)500段的先行控制，減少段處理時間約50%,大大改善了系統(tǒng)精度,

數(shù)控加工與數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控加工有何好處?

數(shù)控是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控加工在現(xiàn)代化生產(chǎn)中顯示出很大的優(yōu)越性。

1-對于現(xiàn)代制造業(yè)，數(shù)控機床非常適合那些形狀復(fù)雜、精密和批量小的零件.而一般的普通機床根本無法滿足這個要

求。就連仿形機床和組合機床也解決不了高精度與小批量這個矛百。因此數(shù)控加工非常適合航空、航天、電力、交

通和電子等制造業(yè)的零件加工技術(shù)。

2.零件加工面臨的一個主要問題是產(chǎn)品的高精度、多樣性和批量小的矛盾。這就要求從機床到數(shù)控都需要柔性。CNC

數(shù)控系統(tǒng)由于采用軟件控制，具有了很大的柔性.

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3.現(xiàn)代的數(shù)控機床其突出的優(yōu)點是可以進(jìn)行高精度加工和多樣化加工，完全可以取代其他的加工方法。由于數(shù)控機床

是按照預(yù)定的程序自動加工，加工過程不需要人工干預(yù)，加工精度還可以通過軟件進(jìn)行校正及未M嘗，因此可以提高

零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。特別對于多品種、少批量的零件更是如此。

4.另外采用數(shù)控機床可以提高生產(chǎn)率，一般可以提高生產(chǎn)效率2~3倍，對于某些復(fù)雜零件的加工精度，生產(chǎn)率可提

高10幾倍，甚至更高。一些數(shù)控機床，具有多工序、自動換刀裝置，因此可以實現(xiàn)一機多用，不但提高了生產(chǎn)效

率，也能節(jié)省廠房面積。

現(xiàn)在在我國市場使用較多的FANUC0系列數(shù)控系統(tǒng)就是一種高精度、全功能的數(shù)控系統(tǒng)。它具有較好的柔性，非常適

合機械零件的加工。

衡量數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)、劣的主要指標(biāo)是什么？

1.可靠性這些指標(biāo)中最重要的是可靠性?？煽啃缘闹笜?biāo)一般采用平均無故障時間（MTBF單位為小時）。有的公司采用故

障率（Failurerate單位為次/月?臺）.數(shù)控機床的無故障時間一般為

500h,這就要求數(shù)控系統(tǒng)的無故障時間大于它。現(xiàn)在國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的無故障時間可以達(dá)到5,000-10,000h,京至更

高，國外為10,000h以上。FANUC公司的FS-0系統(tǒng)的故障率為0.008次/月?臺。相當(dāng)于無故障時間為90,000ho

2.功能首先要看數(shù)控系統(tǒng)的指令值范圍是否滿足機床的需要。這些指令值范圍包括：最小輸入增量、最小指令增量、最

大編程尺寸、最大快移速度、進(jìn)給率范圍等。數(shù)控機床的分辨率與快速運動的速度以及加工速度范圍的指標(biāo)表示機床

的基本要求，也是數(shù)控系統(tǒng)的基本指標(biāo)。這些指標(biāo)與數(shù)控系統(tǒng)的檔次有關(guān)。分辨率表示系統(tǒng)的插補能力，而考慮整個

指令范圍M,它還和伺服裝置的指標(biāo)有關(guān)。

功能主要是否能茜足機床的要求。一股數(shù)控系統(tǒng)具有兩種功能，基本功能和選擇功能。前者是數(shù)控系統(tǒng)具有的功能，后者是

用戶選擇時才提供的功能，每增加一個選項就要增加一定的價格。因此，為了提高數(shù)控機床的經(jīng)濟性，對數(shù)控系統(tǒng)的功能一

定要根據(jù)需要，仔細(xì)選擇。數(shù)控系統(tǒng)的功能與數(shù)控系統(tǒng)的類別有關(guān)，例如，數(shù)控車床與數(shù)控銃床的功能就不一樣，因此，對

于不同類別的機床要選擇不同的系統(tǒng)功能。選擇功能時一定要根據(jù)數(shù)控機床的用途而定，不同檔次的系統(tǒng)功能也不同。片面

地認(rèn)為功能越多越好的想法是不對的。在我國的加工車間，一般的數(shù)控機床用途比較專業(yè)化。因此，不必要選具有很多功能

的系統(tǒng)，那樣將會增加購買的價格.

3.經(jīng)濟性。

什么是數(shù)控系統(tǒng)的基本程序？

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一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有3種基本的插補功能，即定位(G00)、直線插補(G01)、圓弧插補(G02,G03)o把這3種插補的

程序稱為基本程序(請見”數(shù)控系統(tǒng)的功能")。

請對GOO.G01、G02、G03三種播補功能的程序舉出實例說明。

例⑴定位插補：其程序為GOOX25.0Y10.0;它的路徑如圖L

圖2G01示例

例(2)直線插補：其程序為(G91)G01X200.0Y100.0F200.0;它的路徑如圖2。

例(3)圓弧插補：其程序為(①的圓?。?80。)G02X60.0Y20.0R50.0F300.0;它的路徑如圖3。

例(4)圓弧插補：其程序為(②的圓?。?80°)G02X60.0Y20.0R-50.0F300.0;它的路徑如圖3。

什么是〃機床零點”？

由機床制造商規(guī)定的機械原點。

什么是〃參考點”？

所謂"參考點”是沿著坐標(biāo)軸的一個固定點，它可以以機床坐標(biāo)原點為參考基準(zhǔn)。

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什么是“返回參考點〃？

定位到參考點的過程稱為返回參考點。由手動操作返回參考點的過程稱為“手動退回參考點"。而根據(jù)規(guī)定的

G代碼自動返回零點的過程稱為"自動返回參考點”。

圖5自動退回參考點的過程

圖4為一般手動返回參考點的過程。在坐標(biāo)軸的參考點附近設(shè)定一個減速點。

自動返回參考點由G28指令，在G28的程序段中，存入了指令軸的中間點坐標(biāo)值。G28程序段的指令操作如

下：①把指令的軸移向中間點定位（A點向B點）。②從中間點向參考點定位（B點向R點）。③如果不是機床鎖住狀

態(tài)，返回參考點燈亮。在向參考點和中間點定位時，各軸用快速度移動。該指令一般用以自動換刀（ATC）.因此，

執(zhí)行該指令時需要取消刀具半徉雨嘗和71具長度補償.

返回參考點是制訂數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)接的參考基準(zhǔn)。因此是非常重要的。

G29指令的意義是什么？

G29是從參考點自動返回的指令.它表明指定的軸經(jīng)過中間點向指定的位置定位的過程。通常在G28或G30（返回第2

參考點）之后使用。G29操作如圖5中的（4）和（5）;（4）被指定的軸，向G23或G30定義的中間點定位（R點向B點）；⑸從

中間點向被指定的點定位（B點向C點）；以快速的速度向中間、指定的點移動。

坐標(biāo)系

進(jìn)行數(shù)控加工時，如何選擇坐標(biāo)系？

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數(shù)控機床進(jìn)行加工時，刀具到達(dá)的位音信息必須傳遞給CNC系統(tǒng),然后由CNC系統(tǒng)發(fā)出信號并使刀具移動到這個位普。

這就要采用某個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值結(jié)出其應(yīng)到達(dá)的位置。所采用的坐標(biāo)系有以下3種類型：①機械坐標(biāo)系。②工件坐標(biāo)系。

③局部坐標(biāo)系。

根據(jù)需要，決定用哪個坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，確定刀具應(yīng)到達(dá)的位置.坐標(biāo)值由程序軸的分量指定。比如，如果程序軸為X、Y、

Z軸，則坐標(biāo)值指定為X-Y-Z-。

如何建立機械坐標(biāo)系？

“機床零點"是由機床制造商規(guī)定的機械原點。把該機械原點作為坐標(biāo)系

原點的坐標(biāo)系稱為機械坐標(biāo)系。使機械原點與參考點一致。接通電源后，

操作返回參考點(見"數(shù)控加工與數(shù)控系統(tǒng)”一文)即可建立坐標(biāo)系。一次建

立坐標(biāo)系后，只要不切斷電源，那么，復(fù)位、設(shè)定工件坐標(biāo)系(G92)。設(shè)定

局部坐標(biāo)系(G52)等操作均無變化.機械坐標(biāo)系在機械中是固定的，它通過圖1機械坐標(biāo)系的設(shè)定

操作手動返回參考點,以參考點為原點設(shè)定機械坐標(biāo)系(如圖1)。

在銃床與加工中心系列中如何選擇機械坐標(biāo)系？

根據(jù)指令(G90)G53P-;刀具快速運動到機械坐標(biāo)系中的P坐標(biāo)的位置。由于G53是非模態(tài)G代碼，因此，僅在指令G53

的程序段內(nèi)有效。此外,在絕對方式(G90)中有效，而在增量方式(G91)中無效。要使刀具移動到換刀位置和其他機械的固

定的位置時，由G53用機械坐標(biāo)系編程。在執(zhí)行G53時，應(yīng)取消刀具半涇補償、刀具長度補償、刀具位置偏置。

什么是工件坐標(biāo)系？

用于加工工件而使用的坐標(biāo)系，稱為工件坐標(biāo)系.工件坐標(biāo)系可以由下列兩種方法設(shè)定。

Q)洗床及加工中心系列

①用G92的方法設(shè)定：由程序指令，用G92后面的數(shù)字設(shè)定工件坐標(biāo)系。比如，根據(jù)(G90)G92P一;可使刀具某一點(如刀

尖的位置)變?yōu)樽鴺?biāo)值(P),從而建立了工件坐標(biāo)系。如果一旦設(shè)定工件坐標(biāo)系，以后指令的絕對值指令則成為該工件坐標(biāo)系

的位置。如圖2。

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②用G54~G59的方法設(shè)定：可以設(shè)定6個工件坐標(biāo)系,設(shè)定工件坐標(biāo)系時用MDI控制板，指定從機械原點到各坐標(biāo)系原

點的各軸距離(工件原點補償量)。如圖3。其中Z0FS1、Z0FS2.Z0FS3、Z0FS4、Z0FS5,Z0FS6為工件坐標(biāo)系1、2、

3、4、5、6的工件原點偏移量。

工件坐標(biāo)系還可以用EXOFS進(jìn)行外部工件原點偏移，僅偏移6個工件坐標(biāo)共同的指令量.當(dāng)偏移量設(shè)定之后，用G92指

令設(shè)定坐標(biāo)系時，偏移量無效。

(2)車床系列

①車床的坐標(biāo)系用以下指令設(shè)定：

G50X(x)Z(z);

根據(jù)該指令，可設(shè)定一個坐標(biāo)系，使刀具的某一點(例如刀尖)，在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為(x,z),該坐標(biāo)系稱為工件坐標(biāo)系。

例如圖4為亙徑指定時的坐標(biāo)系設(shè)定：

G50X128.7Z375.1

圖4車床采用G50設(shè)定工件坐標(biāo)系

②從MDI設(shè)定的6個工件坐標(biāo)系中選擇。從G54~G59中指定一個G代碼，可以從工件坐標(biāo)系1到6中選擇一

個。

G54工件坐標(biāo)系1

G55工件坐標(biāo)系2

10

3亡

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G56工件坐標(biāo)系3

G57工件坐標(biāo)系4

G58工件坐標(biāo)系5

G59工件坐標(biāo)系6

工件坐標(biāo)系是在通電后執(zhí)行了返回參考點的操作時建立的。通電時，自動選擇G54坐標(biāo)系。

什么是局部坐標(biāo)系？

在工件坐標(biāo)系中編程時，在工件坐標(biāo)系內(nèi)設(shè)有子坐標(biāo)系，這樣比較便利于編程。把這個子坐標(biāo)系稱為局部坐標(biāo)系。

根據(jù)G52IP-;的指令，在所有的坐標(biāo)系內(nèi)(G54~G59),還可以設(shè)定子坐標(biāo)系，即局部坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系的原點

變?yōu)楦鞴ぜ鴺?biāo)系中的位置。一旦坐標(biāo)系被設(shè)定，以后指令的絕對值方式(G90)的移動指令，則變?yōu)榫植孔鴺?biāo)系中

的坐標(biāo)值。要變更局部坐標(biāo)時，同樣可用G52在工件坐標(biāo)系中指令新的局部坐標(biāo)系原點的位置實現(xiàn)。取消局部坐

標(biāo)系時，使坐標(biāo)系原點與工件坐標(biāo)系原點一致。即指令G52IPO;即可。圖5為局部坐標(biāo)系示例。

局部坐標(biāo)系的設(shè)定不改變工件和機械坐標(biāo)。當(dāng)用G50定義工件坐標(biāo)時，如果沒有對局部坐標(biāo)系中的所有軸指定坐

標(biāo)值，局部坐標(biāo)系保持不變。如果沒有為局部坐標(biāo)系中的任何軸指定坐標(biāo)值，則局部坐標(biāo)系被取消。

圖5局部坐標(biāo)系

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為什么坐標(biāo)系統(tǒng)要使用右手定則？

在普通機床的操作時，習(xí)慣使用上、下、左、右、向中心、離中心、右旋、左旋、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等，但數(shù)控機床要使用程

序、指令，這就要求采用國際或國內(nèi)的通用標(biāo)準(zhǔn)。在"數(shù)控技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)”一文中提到的IS041,就是專門說明"NC機床的

坐標(biāo)和運動方向"的標(biāo)準(zhǔn)、按照這個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，使用笛卡爾坐標(biāo)系，在操作中必須記牢。使用右手定則可以幫助記憶。

數(shù)控加工技術(shù)概述

1數(shù)控編程及其發(fā)展

數(shù)控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實現(xiàn)設(shè)計加工自動化、提高加工精度和加

工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。在諸如航空工業(yè)、5年車工業(yè)等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。由于生產(chǎn)實際的弼

烈需求，國內(nèi)外都對數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果。下面就對數(shù)控編程及其發(fā)展作一些介紹。

數(shù)控編程的基本概念

數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務(wù)是計算加工走刀中的刀位點（cutterlocationpoint

簡稱CL點）0刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展概況

為了解決數(shù)控加工中的程序編制問題，50年代，MIT設(shè)計了一種專門用于機械零件數(shù)控加工程序編制的語言,稱為APT

（AutomaticallyProgrammedTool）0其后，APT幾經(jīng)發(fā)展，形成了諸如APTILAPTIII（立體切削用）、APT（算法

改進(jìn)，增加多坐標(biāo)曲面加工編程功能）、APT-AC（Advancedcontouring）（增加切削數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）和APT-/SS

（SculpturedSurface）（增加雕塑曲面加工編程功能）等先進(jìn)版。

采用APT語言編制數(shù)控程序具有程序筒煉，走刀控制靈活等優(yōu)點，使數(shù)控加工編程從面向機床指令的"匯編語言"級，上

升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處：采用語言定義零件幾何形狀，難以描述復(fù)雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺

少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段；難以和CAD數(shù)據(jù)庫和CAPP系統(tǒng)有效連接；不容易

作到高度的自動化，集成化.

上12

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針對APT語言的缺點，1978年，法國達(dá)索飛機公司開始開發(fā)集三維設(shè)計、分析、NC加工一體化的系統(tǒng)，稱為為CATIAa

隨后很快出現(xiàn)了象EUCLID,UGII,INTERGRAPH,Pro/Engineering,MasterCAM及NPU/GNCP等系統(tǒng),這些系統(tǒng)都

有效的解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示,交互設(shè)計、修改及刀具軌跡生成，走刀過程的仿真顯示、驗證等問題，推動

了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。到了80年代，在CAD/CAMf化概念的基礎(chǔ)上，逐步形成了計算機集成制造系統(tǒng)

（CIMS）及并行工程（CE）的概念.目前，為了適應(yīng)CIMS及CE發(fā)展的需要，數(shù)控編程系統(tǒng)正向集成化和智能化方向發(fā)

展。

在集成化方面，以開發(fā)符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化特征造型系統(tǒng)

為主，目前已進(jìn)行了大量卓有成效的工作，是國內(nèi)外開發(fā)的熱點；在智能化方面，工作剛剛開始，還有待我們?nèi)ヅΑ?/p>

2NC刀具軌跡生成方法研究發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。下面就刀具軌跡產(chǎn)生方

法作一些介紹。

基于點、線、面和體的NC刀軌生成方法

CAD技術(shù)從二維繪圖起步，經(jīng)歷了三維線框、曲面和實體造型發(fā)展階段，一直到現(xiàn)在的參數(shù)化特征造型。在二維繪圖與

三維線框階段，數(shù)控加工主要以點、線為驅(qū)動對象，如孔加工，輪廓加工，平面區(qū)域加工等。這種加工要求操作人員的水平

較高，交互復(fù)雜。在曲面和實體造型發(fā)展階段，出現(xiàn)了基于實體的加工。實體加工的加工對象是一個實體（一般為CSG和

B-REP混合表示的），它由一些基本體素經(jīng)集合運算（并、交、差運算）而得。實體加工不僅可用于零件的殂加工和半精

加工，大面積切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究與開發(fā)，是特征加工的基礎(chǔ)。

實體加工一般有實體輪廓加工和實體區(qū)域加工兩種。實體加工的實現(xiàn)方法為層切法（SLICE）,即用一組水平面去切被加

工實體，然后對得到的交線產(chǎn)生等距線作為走刀軌跡。本文從系統(tǒng)需要角度出發(fā)，在ACIS幾何造型平臺上實現(xiàn)了這種基于

點、線、面和實體的數(shù)控加工。

基于特征的NC刀軌生成方法

參數(shù)化特征造型已有了一定的發(fā)展時期，但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開始。特征加工使數(shù)控編程人員

不在對那些低層次的幾何信息（如：點、線、面、實體）進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉Ψ瞎こ碳夹g(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控

編程，大大提高了編程效率。

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W.R.Mail和AJ.Mcleod在他們的誑究中給出了一個基于特征的NC代碼生成子系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的工作原理是：零件的

每個加工過程都可以看成對組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工的總和。那么對整個形狀特征或形狀特征組分別加工后即完成

了零件的加工。而每一形狀特征或形狀特征組的NC代碼可自動生成。目前開發(fā)的系統(tǒng)只適用于2.5D零件的加工。

LeeandChang開發(fā)了一種用虛擬邊界的方法自動產(chǎn)生凸自由曲面特征刀具軌跡的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的工作原理是：在凸

自由曲面內(nèi)嵌入一個最小的長方塊，這樣凸自由曲面特征就被轉(zhuǎn)換成一個凹特征。最小的長方塊與最終產(chǎn)品模型的合并就構(gòu)

成了被稱為虛擬模型的一種間接產(chǎn)品模型。刀具軌跡的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面體特征；（2）、切削自

由白面特征；（3）、切削相交特征.

Jong-YunJung研究了基于特征的^切削刀具軌跡生成問題。文章把基于特征的加工軌跡分成輪廓加工和內(nèi)區(qū)域加工兩

類，并定義了這兩類加工的切削方向通過減少切削刀具軌跡達(dá)到整體優(yōu)化刀具軌跡的目的。文章主要針對幾種基本特征（孔、

內(nèi)凹、臺階、槽），討論了這些基本特征的典型走刀路徑、刀具選擇和加工順序等，并通過IP（InterProgramming）技

術(shù)避免重復(fù)走刀，以優(yōu)化^切削刀具軌跡。另外，Jong-YunJong還在他1991年的博士論文中研究了制造特征提取和基

于特征的刀具及刀具路徑。

特征加工的基礎(chǔ)是實體加工，當(dāng)然也可認(rèn)為是更高級的實體加工。但特征加工不同于實體加工，實體加工有它自身的局

限性。特征加工與實體加工主要有以下幾點不同：

從概念上講，特征是組成零件的功能要素，符合工程技術(shù)人員的操作習(xí)慣，為工程技術(shù)人員所熟知；實體是低層的幾何

對象，是經(jīng)過一系列布爾運算而得到的一個幾何體，不帶有任］可功能語義信息；實體加工往往是對整個零件（實體）的一次

性加工。但實際上一個零件不太可能僅用一把刀一次加工完，往往要經(jīng)過殂加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不

同的部位一般要用不同的刀具進(jìn)行加工；有時一個零件既要用到車削，也要用到銃削。因此實體加工主要用于零件的粗加工

及半精加工。而特征加工則從本質(zhì)上解決了上述問題；特征加工具有更多的智能。對于特定的特征可規(guī)定某幾種固定的加工

方法，特別是那些已在STEP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特征更是如此如果我們對所有的標(biāo)準(zhǔn)特征都制定了特定的加工方法，那么對那些

由標(biāo)準(zhǔn)特征夠成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系統(tǒng)育翡供相應(yīng)的工藝特征，那么NCP系統(tǒng)就可以大大

減少交互輸入，具有更多的智能。而這些實體加工是無法實現(xiàn)的；特征加工有利于實現(xiàn)從CAD、CAPP、NCP及CNC系統(tǒng)

的全面集成，實現(xiàn)信息的雙向流動,為CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基礎(chǔ)；而實體加工對這些是無能為力的.

現(xiàn)役幾個主要CAD/CAM系統(tǒng)中的NC刀軌生成方法分析

現(xiàn)役CAM的構(gòu)成及主要功能

上14

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目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)集成：一體化的CAD/CAM系統(tǒng)（如：UGILEuclid.

Pro/ENGINEER等）和相對獨立的CAM系統(tǒng)（如：Mastercam.Surfcam等）。前者以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD

系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型,而后者主要通過中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。然而，無論是明的形式的CAM系

統(tǒng)，都由五個模塊組成，即交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態(tài)仿真模塊和后置

處理模塊。下面僅就一些著名的CAD/CAM系統(tǒng)的NC加工方法進(jìn)行討論。

UGH加工方法分析

一般認(rèn)為UGH是業(yè)界中最好，最具代表性的數(shù)控軟件。其最具特點的是其功能強大的刀具軌跡生成方法。包括車削、銃

削、線切割等完善的加工方法。其中銃削主要有以下功能：

?PointtoPoint:完成各種孔加工；

?PanarMill:平面銃削。包括單向行切，雙向行切，環(huán)切以及輪廓加工等；

?FixedContour:固定多軸投影加工。用投影方法控制刀具在單張曲面上或多張曲面上的移動，控制刀具移動的可

以是已生成的刀具軌跡，一系列點或一組曲線；

?VariableContour:可變軸投影加工；

?Parameterline:等參數(shù)線加工?？蓪螐埱婊蚨鄰埱孢B續(xù)加工；

?Zig-ZagSurface:裁剪面加工；

?RoughtoDepth:粗加工。將毛坯粗加工到指定深度；

?CavityMill:多級深度型腔加工.特別適用于凸模和凹模的粗加工；

?SequentialSurface:曲面交加工.按照零件面、導(dǎo)動面和檢查面的思路對刀具的移動提供最大程度的控制。

EDSUnigraphics還包括大量的其它方面的功能，這里就不一列舉了。

STRATA加工方法分析

STRATA是一個數(shù)控編程系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，它是建立在ACIS幾何建模平臺上的。

它為用戶提供兩種編程開發(fā)環(huán)境,即NC命令語言接口和NC操作C++類庫.它可支持三軸銃削，車削和線切割NC加

工，并可支持線框、曲面和實體幾何建模。其NC刀具軌跡生成方法是基于實體模型。STRATA基于實體的NC刀具軌跡生

成類庫提供的加工方法包括：

?

r15

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?ProfileToolpath:輪廓加工；

?AreaClearToolpath:平面區(qū)域加工；

?SolidProfileToolpath:實體輪廓加工；

?SolidAreaClearToolpath:實體平面區(qū)域加工;

?SolidFaceToolPath:實體表面加工；

?SolidSliceToolPath:實體截平面加工；

?Language-basedToolpath:基于語言的刀具軌跡生成。

其它的CAD/CAM軟件,如Euclid,Cimitron,CV.CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本內(nèi)容大同小異，沒有本質(zhì)區(qū)別。

現(xiàn)役CAM系統(tǒng)刀軌生成方法的主要問題

按照傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)f口CNC系統(tǒng)的工作方式，CAM系統(tǒng)以直接或間接（通過中性文件）的方式從CAD系統(tǒng)獲

取產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)模型。CAM系統(tǒng)以三維幾何模型中的點、線、面、或?qū)嶓w為驅(qū)動對象，生成加工刀具軌跡，并以刀具定

位文件的形式經(jīng)后置處理，以NC代碼的形式提供給CNC機床，在整個CAD/CAM及CNC系統(tǒng)的運行過程中存在以下幾

方面的問題：

?CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息，無法自動捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語

義信息。因此,整個CAM過程必須在經(jīng)驗豐富的制造工程師的參與下，通過圖形交互來完成。如：制造工程師必

須選擇加工對象（點、線、面或?qū)嶓w）、約束條件（裝夾、干涉和碰撞等）、刀具、加