數(shù)控加工中心基礎(chǔ)知識
一. CNC機(jī)床與CNC系統(tǒng)
CNC的含義是計算機(jī)數(shù)字控制。
1. CNC機(jī)床
⑴.金屬切削用
孔加工、攻絲、鏜削、銑削、車削、切螺紋、切平面、輪廓加工、平面磨削、外圓磨
削、內(nèi)圓磨削等。
⑵.線電極切割機(jī)。
⑶.沖床、步?jīng)_、沖壓、金屬成型、彎管等機(jī)床。
?、?產(chǎn)業(yè)機(jī)器人。
?、?注塑機(jī)。
⑹.檢測、測量機(jī)。
?、?木工機(jī)械。
?、?特殊材料加工機(jī)械：如加工石材、玻璃、發(fā)射性礦料等。
?、?特種加工機(jī)械激光加工機(jī)、氣體切割機(jī)、焊接機(jī)、制圖機(jī)、印刷機(jī)等。
隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)以及IT技術(shù)的發(fā)展，目前，這些機(jī)床與加工設(shè)備都可用數(shù)值計算機(jī)用數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，稱為CNC控制。
2. CNC系統(tǒng)
CNC系統(tǒng)的含義是計算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)。
CNC系統(tǒng)的基本配置
機(jī)床的CNC控制是集成多學(xué)科的綜合控制技術(shù)。
一臺CNC系統(tǒng)包括：⑴.CNC控制單元(數(shù)值控制器部分)。⑵.伺服驅(qū)動單元和進(jìn)給伺服電動機(jī)。⑶.主軸驅(qū)動單元和主軸電動機(jī)。⑷.PMC(PLC)控制器。⑸.機(jī)床強(qiáng)電柜(包括刀庫)控制信號的輸入/輸出(I/O)單元。⑹.機(jī)床的位置測量與反饋單元(通常包括在伺服驅(qū)動單元中)。⑺.外部軸(機(jī)械)控制單元。如：刀庫、交換工作臺、上下料機(jī)械手等的驅(qū)動軸。⑻.信息的輸入/輸出設(shè)備。如電腦、磁盤機(jī)、存儲卡、鍵盤、專用信息設(shè)備等。⑼.網(wǎng)絡(luò)。如以太網(wǎng)、HSSB(高速數(shù)據(jù)傳輸口)、RS-232C口等和加工現(xiàn)場的局域網(wǎng)。
CNC單元(控制器部分)的硬件實際上就是一臺專用的微型計算機(jī)。是CNC設(shè)備制造廠自己設(shè)計生產(chǎn)的專門用于機(jī)床的控制的核心。下面的幾張圖表示出其基本硬件模塊;基本的控制功能模塊和一臺實際的控制器硬件。
二.機(jī)床的運動坐標(biāo)及進(jìn)給軸
一臺機(jī)床有幾個運動軸執(zhí)行加工時的切削進(jìn)給，因此稱其為進(jìn)給軸。機(jī)床開機(jī)后以機(jī)床零點為基準(zhǔn)建立了機(jī)床的機(jī)械坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系)。每個軸對應(yīng)于其中的一個相應(yīng)的坐標(biāo)。軸有直線運動的，有回轉(zhuǎn)運動的。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO對坐標(biāo)軸的方向與名稱是有規(guī)定的。如下圖。
根據(jù)規(guī)定，按直角坐標(biāo)系右手法則定義各坐標(biāo)軸，Z軸正方向一般為機(jī)床主軸的方向。X、Y、Z定義為直線運動軸;U、V、W為分別平行于X、Y、Z的直線運動軸;A、B、C為回轉(zhuǎn)運動軸，分別圍繞X、Y、Z運動，其正方向符合右手螺旋規(guī)則。
CNC控制時用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C等指令被控的坐標(biāo)軸，用數(shù)值指令其運動的距離，正負(fù)號指令移動方向，F(xiàn)指令運動速度。例如：
G01 X120 Y-300 F1000;
意義是G01：X軸與Y軸協(xié)調(diào)運動，加工一條直線;X120，Y-300：X軸走120mm;Y軸走-300mm;F：進(jìn)給速度為1000mm/分。
三.CNC插補(bǔ)與位置控制指令的輸出
1.軌跡運動的插補(bǔ)計算--插補(bǔ)器
CNC對機(jī)床的坐標(biāo)運動進(jìn)行控制。在控制原理上這是位置量控制系統(tǒng)。需要控制的是：幾個軸的聯(lián)動，運動軌跡(加工輪廓)的計算：最重要的是保證運動精度和定位精度(動態(tài)的輪廓幾何精度和靜態(tài)的位置幾何精度);各軸的移動量(mm);移動速度(mm/分);移動方向;起/制動過程(加速/降速);移動的分辨率。
現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)是純電氣的控制系統(tǒng)。進(jìn)給軸的移動是由伺服電動機(jī)執(zhí)行的。通常，一個進(jìn)給軸由一個伺服電動機(jī)驅(qū)動。電動機(jī)由伺服放大器供給動力。伺服放大器的工作由CNC的插補(bǔ)器的分配輸出信號控制。
CNC對機(jī)床進(jìn)給軸的控制，是執(zhí)行事先編制好的加工程序指令。程序指令是按零件的輪廓編制的加工刀具運動軌跡(如上圖)。程序是根據(jù)零件輪廓分段編制的。一個程序段加工一段形狀的輪廓。輪廓形狀不同，使用不同的程序指令(零件輪廓形狀元素)。例如：G01---直線運動指令;
G02---順時針圓弧運動指令;G03---逆時針運動圓弧指令;G32(G33)---螺紋加工……
但是，在一段加工指令中，只是編寫此段的走刀終點。如：下面一個程序段要加工X-Y平面上一段圓弧，程序中只指令了終點的坐標(biāo)值X100;Y-200：
G90 G17 G02 X100. Y-200. R50. F500;
此段的起點已在前一段編寫，就是前段的終點。因此，加工此段時，如上圖所示，NC控制器即計算機(jī)處理器只知道該段的起點和終點坐標(biāo)值。段中的刀具運行軌跡上其它各個點的坐標(biāo)值必須由處理器計算出來。處理器是依據(jù)該段輪廓指令(G02)和起點和終點的坐標(biāo)值計算的，即必須算出希望加工的工件輪廓，算出在執(zhí)行該段指令過程中刀具沿X軸和Y軸同時移動的中間各點的位置。
X軸和Y軸的合成運動即形成了刀具加工的工件輪廓軌跡。
除此之外，在程序中必須指令運動速度(加工速度)，如：F500(mm/min)。在位置計算時，要根據(jù)輪廓位置算出對應(yīng)點的刀具運動方向速度。此例中是分別算出沿X軸各點的對應(yīng)速度和沿Y軸各點的對應(yīng)速度。
實現(xiàn)上述運算的機(jī)構(gòu)稱之為插補(bǔ)器。
插補(bǔ)器每運算一次稱為一個插補(bǔ)周期，一般為8ms;計算復(fù)雜型面的插補(bǔ)器使用高速CPU，插補(bǔ)周期可縮短，目前可達(dá)2ms。一個程序段分多個插補(bǔ)周期，取決于輪廓形狀和輪廓尺寸。
執(zhí)行上例程序段的指令是進(jìn)行順時針圓弧的插補(bǔ)。是執(zhí)行以圓弧計算公式為基礎(chǔ)的插補(bǔ)子程序。計算時的判斷條件是：不斷地執(zhí)行刀具沿X軸向和Y軸向的進(jìn)給，每進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量即判斷是否到達(dá)終點，是否超差，計算方向是順時針，進(jìn)給當(dāng)量是1μm/脈沖，速度是500mm/min。
CNC的系統(tǒng)控制軟件中包括了多個插補(bǔ)子程序，工件形狀的每一種幾何元素均對應(yīng)著刀具的一種幾何運動，因此就要求CNC有相應(yīng)的插補(bǔ)子程序。這就是CNC系統(tǒng)控制軟件中控制坐標(biāo)軸運動的G代碼。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08……。還有一些子程序是考慮加工工藝的要求控制刀具運動的。G代碼越多，CNC的功能也就越強(qiáng)。用這些G代碼編制零件的加工程序。
CNC的系統(tǒng)控制軟件是用匯編語言編制的。不同類型的機(jī)床使用不同的CNC系統(tǒng)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)的控制軟件是完全不同的。
插補(bǔ)器的硬件是CNC的主CPU。當(dāng)然，還有用純硬件的插補(bǔ)器。
2.插補(bǔ)脈沖的分配輸出
經(jīng)過插補(bǔ)運算，算出了加工所要求的工件形狀在同一時間周期(插補(bǔ)周期)內(nèi)各個坐標(biāo)軸移動的距離(移動量)，它是以脈沖數(shù)表示的，如：在本插補(bǔ)周期內(nèi)X軸進(jìn)給25個脈沖;Y軸進(jìn)給50個脈沖，分別送給對應(yīng)的坐標(biāo)軸，作為相應(yīng)軸的位置移動指令。脈沖序列有正負(fù)號，指令對應(yīng)軸的運動方向;脈沖序列按一定的頻率輸出，指令該軸的運動速度。這一裝置叫做脈沖分配器為了防止產(chǎn)生加工運動的沖擊、提高加工精度和光潔度，在脈沖分配給各進(jìn)給軸之前，對進(jìn)給速度都進(jìn)行加/減速。如下圖所示，CNC可實現(xiàn)兩種加/減速控制：插補(bǔ)前加/減速和插補(bǔ)后加/減速。
插補(bǔ)后通常用直線型或指數(shù)型加減速方法：指數(shù)型加/減速的速度變化比較平滑，因而沖擊小，但是速度指令的滯后較大。相反，直線型加減速的速度變化迅速，時間常數(shù)設(shè)得較小時會造成沖擊，引起機(jī)床的震動。但是，加工出的零件輪廓可能與裎編的輪廓接近。
插補(bǔ)前用直線型加減速方法，這樣可以減小加工的形狀誤差。除此之外，為了提高加工精度和加工速度，還開發(fā)了預(yù)讀/預(yù)處理多個程序段、精細(xì)加減速等CNC軟件。
3.加工刀具的偏置及補(bǔ)償
上述插補(bǔ)的位置脈沖，是按工件輪廓編制的程序計算出來的，即刀具中心點的運行軌跡是工件的輪廓?？紤]到刀具有半徑和不同的長度，實際加工時刀具中心不能按此軌跡行進(jìn)，必須根據(jù)實際使用的刀具，計入其實際半徑和長度，由CNC計算出實際刀具的中心軌跡，按此軌跡控制刀具的移動。此功能叫做“刀具的偏置及補(bǔ)償”。
?、?刀具半徑偏置，補(bǔ)償如下圖所示，實際的刀具中心軌跡與按照零件輪廓尺寸編制的CNC加工程序軌跡偏移了一個刀具半徑的尺寸。在編程時，用G指令(G41，G42)告訴CNC的插補(bǔ)器執(zhí)行刀具半徑的偏置計算，插補(bǔ)器即按照實際的刀具半徑計算出刀具的中心軌跡，以此控制刀具的行進(jìn)。就是說，上述脈沖分配器輸出的給各個進(jìn)給軸的脈沖數(shù)，是插補(bǔ)的零件輪廓偏移了一個刀具半徑后的刀心軌跡的進(jìn)給脈沖數(shù)。每個軸的補(bǔ)償脈沖分別送給相應(yīng)的進(jìn)給軸。
實際刀具的半徑值在加工前必須輸入至刀具補(bǔ)償存儲器。刀具補(bǔ)償存儲器可同時存儲多把刀具的幾何尺寸(半徑值)。加工中用哪一把刀具，由程序用刀具號指定，如：T102。根據(jù)程序中指令的刀號，CNC插補(bǔ)器找到實際的刀具半徑值執(zhí)行計算。
G41為左刀補(bǔ)：沿著刀具行進(jìn)的方向看，在工件的左側(cè)加補(bǔ)償;G42：沿著刀具行進(jìn)的方向，在工件的右側(cè)加補(bǔ)償。
加工前，用一把刀具的長度作為基準(zhǔn)，將實際加工中使用的各把刀具先測量好其與基準(zhǔn)刀具刀長的正、負(fù)差值，將這一差值與上述的刀具半徑值一樣按刀號輸入刀具補(bǔ)償存儲器。編制加工程序時，編入刀具號。加工的開始，用基準(zhǔn)刀具的刀尖對刀。CNC執(zhí)行加工程序時，根據(jù)程序中指令的刀號找出刀長的差值，按刀長差值的符號伸長或縮短，進(jìn)行補(bǔ)償。上圖是銑床刀具長度的補(bǔ)償，只有Z向補(bǔ)償。對于車床，有X和Z兩個方向。如下圖所示。
在銑床類的CNC系統(tǒng)中，用G43和G44指令刀具的長度補(bǔ)償，G43為正刀補(bǔ)，即將刀具補(bǔ)償值加到程序指令的終點坐標(biāo)值上。G44為負(fù)刀補(bǔ)，即由程序指令的終點坐標(biāo)值減去刀具的補(bǔ)償值。
加工復(fù)雜形狀的零件(如模具)需要用多個坐標(biāo)軸同時移動的多坐標(biāo)插補(bǔ)器。當(dāng)然也必須用多坐標(biāo)(多維)的刀具補(bǔ)償。
四.運動誤差的補(bǔ)償
1.運動軸反向時的間隙補(bǔ)償(失動量補(bǔ)償)
在機(jī)床工作臺的運動中從某一方向變?yōu)橄喾捶较虻姆聪驎r刻，會由于滾珠絲杠和螺母的間隙或絲杠的變形而丟失脈沖，就是所說的失動量。
在機(jī)床上打表實測各軸的反向移動間隙量，根據(jù)實測的間隙值用參數(shù)設(shè)定其補(bǔ)償量------補(bǔ)償脈沖數(shù)(1μm/脈沖)。這樣，在工作臺反向時、執(zhí)行CNC的程序指令的移動前，CNC將補(bǔ)償脈沖經(jīng)脈沖分配器、按CNC事先設(shè)定的速率輸出至相應(yīng)軸的伺服放大器，對失動量補(bǔ)償。
反向間隙值與工作臺的移動速度有關(guān)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)可以對G00(快速移動)和進(jìn)給速度(F)下的間隙分別進(jìn)行補(bǔ)償。
2.螺距誤差補(bǔ)償
機(jī)床使用的滾珠絲杠，其螺距是有誤差的。CNC可對實測的各進(jìn)給軸滾珠絲杠的螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通常是用激光干涉儀測量滾珠絲杠的螺距誤差。測量的基準(zhǔn)點為機(jī)床的零點。每隔一定的距離設(shè)置一個補(bǔ)償點，該距離是用參數(shù)設(shè)定的。當(dāng)然，各軸可以任意設(shè)定，比如：X軸的行程長，設(shè)為50mm補(bǔ)一個點，Z軸行程短或是要求移動精度高，設(shè)為20mm補(bǔ)一個點……。
補(bǔ)償值根據(jù)實際測量的滾珠絲杠誤差確定，其值(補(bǔ)償脈沖個數(shù))按照補(bǔ)償點號(從基準(zhǔn)點即機(jī)床零點算起)設(shè)入CNC的螺距誤差補(bǔ)償存儲器，如下圖所示。通常，一個補(bǔ)償脈沖的當(dāng)量是一個μm。補(bǔ)償值可正、可負(fù)。在進(jìn)給軸運動時，CNC實時檢測移動距離，按照這些事先設(shè)定的參數(shù)值在各軸的相應(yīng)補(bǔ)償點給各軸分別輸出補(bǔ)償值，使相應(yīng)軸在CNC插補(bǔ)輸出脈沖的基礎(chǔ)上多走或少走相應(yīng)的螺補(bǔ)脈沖數(shù)。
近來，CNC系統(tǒng)開發(fā)了按工作臺移動方向的雙向螺距誤差的補(bǔ)償功能。進(jìn)一步提高了進(jìn)給軸的移動精度。
五.信息、數(shù)據(jù)的輸入、輸出控制
CNC的輸入信息與數(shù)據(jù)包括加工程序，功能參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)，機(jī)床參數(shù)，伺服控制參數(shù)，主軸控制參數(shù)，PMC參數(shù)，刀具數(shù)據(jù)，Macro(宏)變量，坐標(biāo)系，專用軟件數(shù)據(jù)……這些信息與數(shù)據(jù)由信息輸入/輸出操作設(shè)備經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)口輸入或輸出。
1.數(shù)據(jù)的輸入、輸出設(shè)備CNC系統(tǒng)目前常用的I/O設(shè)備有：⑴.鍵盤：為了減小安裝尺寸，通常是專門設(shè)計的，稱為MDI 鍵盤，向CNC輸入信息與數(shù)據(jù)，用于操作CNC單元。⑵.機(jī)床操作面板：操作工操作機(jī)床的各種動作。⑶. PC機(jī)。⑷.軟磁盤驅(qū)動器(Handy file)：FANUC系統(tǒng)的專用設(shè)備。⑸. Panel- i：FANUC系統(tǒng)的專用設(shè)備。 ⑹. Flash 存儲卡等等。
每一種設(shè)備都有相應(yīng)的驅(qū)動與控制程序。
2.數(shù)據(jù)的輸入、輸出口
CNC控制器上配有幾種數(shù)據(jù)傳送口，用于與外界數(shù)據(jù)設(shè)備的連接。⑴. RS-232C口：連接PC機(jī)、軟磁盤驅(qū)動器等有串行通訊口的設(shè)備。⑵. HSSB：高速串行數(shù)據(jù)總線，用于與PC機(jī)或Panel- i連接，高速傳送數(shù)據(jù)。⑶. I/O Link：是基于RS-485的數(shù)據(jù)口，日本的工業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于傳送機(jī)床強(qiáng)點控制的I/O信號信息。⑷.以太網(wǎng)。⑸.現(xiàn)場局部網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于⑷和⑸，下面專門敘述。
3. 顯示器
用來顯示系統(tǒng)的操作與運行的現(xiàn)狀與結(jié)果，顯示加工仿真圖形。目前的FANUC系統(tǒng)已經(jīng)全部使用LCD顯示器。這種顯示器體積小，彩色顯示器的色彩豐富，加工件的仿真非常逼真。
六.網(wǎng)絡(luò)及CNC加工的集中控制
機(jī)械加工廠的網(wǎng)絡(luò)一般可分3級：廠級網(wǎng);加工單元級網(wǎng)和下級的現(xiàn)場網(wǎng)廠級和加工單元級網(wǎng)目前多用以太網(wǎng)。加工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)可配：Profibus-DP;Device
net;FL-Net。選用不同的網(wǎng)路需配不同的網(wǎng)路板
1.以太網(wǎng)
FANUC CNC-16i/18i/21i，0i-C可配3個不同用途的以太網(wǎng)口：內(nèi)裝于CNC 主板的以太網(wǎng)口，網(wǎng)板和網(wǎng)卡，其中，網(wǎng)卡為即用即插，為臨時用途，如調(diào)試梯形圖;調(diào)試機(jī)床的進(jìn)給伺服特性和主軸特性……。
網(wǎng)板是在系統(tǒng)上增加的插板，上有大容量半導(dǎo)體存儲器(最大1GB)，代替硬磁盤。主要用于與大容量數(shù)據(jù)設(shè)備(如PC機(jī))連接，批量傳送數(shù)據(jù)與信息，如用于模具加工。內(nèi)裝于主板的以太網(wǎng)口可用于單元控制，與單元控制主機(jī)連接。
2.現(xiàn)場網(wǎng)
現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)用于與其他設(shè)備批量傳送I/O控制信號信息。如，在自動生產(chǎn)線上與其它專用加工機(jī)械、裝料/卸料機(jī)械、物料搬運機(jī)械、清洗機(jī)械等的信息(信號)聯(lián)系。根據(jù)要求或地域可選Profibus-DP，Device-net或FL-net。FANUC生產(chǎn)了這些網(wǎng)路板，并開發(fā)了相應(yīng)的配套軟件。
3. CNC加工的集中控制
現(xiàn)代的機(jī)械加工工廠(如汽車發(fā)動機(jī)制造廠)使用CNC機(jī)床不只是使其單機(jī)運行，是將多臺CNC機(jī)床和有關(guān)的專用設(shè)備如上/下料裝置，物料傳送機(jī)械，清洗機(jī)，翻轉(zhuǎn)機(jī)，測量機(jī)，專用加工機(jī)等連成流水生產(chǎn)線。對這些機(jī)械用網(wǎng)路連接起來，用計算機(jī)實施生產(chǎn)的集中管理。整個工廠的生產(chǎn)集中管理的基礎(chǔ)是加工單元的集中控制。
加工單元控制器：由一臺主計算機(jī)集中控制多臺CNC機(jī)床的運行。主機(jī)與CNC系統(tǒng)用以太網(wǎng)連接。
為實現(xiàn)對多臺CNC機(jī)床的集中控制，控制加工單元的主計算機(jī)必須能獲取各CNC機(jī)床的各種信息與數(shù)據(jù)，包括：①.機(jī)床的運行狀態(tài)：是處于加工運行還是待機(jī);是否有報警;加工哪一個程序?哪一個程序段?是否結(jié)束了此次的加工任務(wù)?…….②. CNC與機(jī)床的信息與數(shù)據(jù)，如：CNC存儲的加工程序;機(jī)床正在運行的加工程序;CNC存儲的刀具信息;主軸上的刀具號;已加工的工件數(shù);加工時間;程序的運行時間;CNC參數(shù);伺服參數(shù);主軸參數(shù);機(jī)床參數(shù);PMC參數(shù);PMC的梯形圖;宏變量;報警號與信息等等。就是說，主計算機(jī)能夠?qū)崟r監(jiān)視各CNC機(jī)床的運行
狀況，了解對機(jī)床進(jìn)行維護(hù)的信息。
另外，主計算機(jī)還必須：①.對各機(jī)床進(jìn)行必要、有時是實時的控制。如，機(jī)床的暫停，急停;②.信息與數(shù)據(jù)的下傳，如：加工運行指令;要求的加工工件數(shù);加工程序;刀具信息;CNC參數(shù);伺服參數(shù);主軸參數(shù);機(jī)床參數(shù);PMC參數(shù);PMC的梯形圖;宏變量等等。③. CNC機(jī)床的維護(hù)與維修指導(dǎo)信息。
最終用戶可在單元控制的主計算機(jī)上自行開發(fā)集中控制軟件(包括生產(chǎn)管理，計劃調(diào)度，加工現(xiàn)場監(jiān)控，故障診斷等軟件)。這些應(yīng)用軟件的開發(fā)基礎(chǔ)，必須使用CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家提供的CNC信息庫與通訊軟件包。FANUC為用戶開發(fā)了用于此目的的工具軟件FOCAS(FANUC Open CNC Application Software)。利用該軟件包提供的指令，用戶可以實現(xiàn)主計算機(jī)與CNC的通訊，上/下傳送上面所述的信息與數(shù)據(jù)。
為了方便用戶，F(xiàn)ANUC還開發(fā)了單元控制器----i-CELL作為商品。下面的圖是i-CELL的功能框圖。如果CNC使用的PMC是SB7，還可以傳送與顯示(在主機(jī)上)被控機(jī)床的梯形圖。
七.PMC和機(jī)床的強(qiáng)電控制
機(jī)床的開機(jī)、停機(jī);主軸的起動、停止;加工的開始、結(jié)束、中停;潤滑、冷卻的開、關(guān);工件的裝、卸控制;找刀、換刀;工作臺交換;輔機(jī)的起、停等這些機(jī)床動作，都是由接觸器、繼電器、閥執(zhí)行的。指令這些動作的控制信號相互間都有一定的順序或時序，相互之間是互鎖的。
普通機(jī)床因動作簡單，由電氣元、部件(按鈕，按鍵，觸點，線圈等)按繼電邏輯的原理圖硬接線實現(xiàn)的，運行起來不可靠。CNC機(jī)床采用PMC邏輯控制。PMC其實就是PLC(可編程邏輯控制器。)但是因為FANUC的機(jī)床控制PLC是專門用于控制機(jī)床的，其中有多條專用指令，故而叫做PMC-----可編程機(jī)床控制器。而且，PMC的程序格式FANUC采用的是梯形圖。梯形圖的顯示格式非常類似于機(jī)床的繼電邏輯圖，直觀易懂，易編，易操作。
CNC一啟動，PMC程序即運行。在CNC執(zhí)行加工程序時，PMC與加工程序并行運行。PMC時刻掃描機(jī)床或機(jī)床操作者的輸入信號和強(qiáng)電柜控制信號的執(zhí)行結(jié)果。
執(zhí)行上述機(jī)床上的各種動作，在加工程序中需要編制控制指令：M(輔助功能)，T(換刀)，
B(第二輔助功能)。
1.信號及其地址
PMC把信號根據(jù)其作用部位及作用方向分為4種，
X：由機(jī)床輸入至PMC。如：操作員由機(jī)床操作面板上輸入的按鈕、按鍵、開關(guān)信號。
Y：由PMC輸出至機(jī)床的使機(jī)床強(qiáng)電動作的信號。如：主軸的正、反向;潤滑、冷卻的
開/關(guān)信號。PMC處理梯形圖程序輸出這些信號使機(jī)床動作。
G：PMC輸出至CNC的信號(CNC輸入)。
這些信號中有些是啟動CNC的一個子程序。這些子程序是CNC控制軟件的一部分：
根據(jù)機(jī)床的實際動作設(shè)計好的機(jī)床的強(qiáng)電控制功能。如：急停(G8.4);自動加工程序啟動(G7.2);工作方式選擇(G43.0~2)另外一些信號是PMC通知CNC，使CNC改變或執(zhí)行某一種運行。如：FIN(G4.3)
----是PMC通知CNC輔助功能M或換刀功能T已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行。CNC接受到該信號后
即可啟動下個加工程序段的執(zhí)行;*SSTP(G29.6)：CNC停止主軸電機(jī)的控制信號。
F：CNC輸出至PMC的信號。
其中的一些信號是反映CNC運行狀態(tài)的標(biāo)志，表明CNC正處于某一狀態(tài)。如：
AL(F1.0)：報警狀態(tài)。MV(F102)：進(jìn)給軸移動中。
另一些信號是CNC響應(yīng)X(經(jīng)過G)后，執(zhí)行某一運行的結(jié)果，用以通知PMC。
PMC收到該信號，視其具體情況，再做適當(dāng)處理。
還有一些信號是加工程序指令的譯碼輸出。如：M代碼(F10~F13);T代碼
(F26~F29)。CNC將這些信號輸出給PMC進(jìn)行處理。
上述這些信號在梯圖程序中都必須賦予地址。G和F信號的地址是由CNC的系統(tǒng)軟件規(guī)定好的，是固定的。有一些X信號地址也由CNC規(guī)定好。CNC提供地址表。Y信號可由PMC設(shè)計人員自行指定。
X和Y信號由輸入/輸出模塊經(jīng)CNC的I/O Link口與CNC單元連接。X和Y信號的另一端經(jīng)電纜線與電器元件連接。
2.內(nèi)部寄存器
在編制PMC程序時，為了保存數(shù)據(jù)或信號，PMC要用到內(nèi)部的一些寄存器：R，K，D，T，
C，和A。
R：中間寄存器?？扇我馐褂谩?/span>
K：保持型寄存器。存儲的內(nèi)容由后備電池維持。有幾個存儲單元已被PMC系統(tǒng)使用。
D：數(shù)據(jù)存儲器。如存儲刀具表;主軸變速的各擋速度表。
T：定時器。存儲定時器時間。
C：計數(shù)器。存儲計數(shù)器的預(yù)置值，計數(shù)值。
A：顯示信息：存儲信息字符。
3.功能指令
編制機(jī)床的PMC(PLC)控制邏輯，首先必須要弄清所控制的(要實現(xiàn)的)機(jī)床動作，對該動作的各個細(xì)節(jié)排出時序，即，將實現(xiàn)該動作的一步步的子步驟(細(xì)微動作)按先后次序列出順序表，必要步驟還要估計出其執(zhí)行時間，還要考慮各動作之間的相互關(guān)系，動作之間的互鎖和解鎖條件，另外要了解實現(xiàn)各細(xì)微動作，執(zhí)行PMC指令的電器元件。PMC邏輯就是用PMC指令(語言)將這些細(xì)微動作的執(zhí)行按順序表示出來。對于順序邏輯程序，不同的系統(tǒng)制造廠提供了不同的格式，常用的有：語句表和梯形圖。FANUC的PMC邏輯程序用梯形圖格式，特點是直觀，類似于機(jī)床的繼電器邏輯圖，所以非常易于理解。
而且，PMC語言用了許多專用指令，稱為功能指令。這樣，邏輯圖編得相當(dāng)簡潔。
FANUC PMC的功能指令約有50余條，但實際常用的也就是20條左右，如：定時器，計數(shù)器，回轉(zhuǎn)指令，譯碼器等。下面的兩張圖為功能指令格式和功能指令集(部分)。
4.梯形圖
5. PMC的執(zhí)行
CNC開機(jī)后，CNC與PMC同時運行。若是PMC接收到機(jī)床操作者的X信號要求CNC實現(xiàn)某一操作，例如啟動自動加工程序，在梯形圖中就把該X信號送到G7.2，CNC收到該指令后，知道是執(zhí)行自動循環(huán)啟動子程序，即立即執(zhí)行。執(zhí)行過程中輸出F0.5，通知PMC，CNC正處于運行加工程序狀態(tài)。
如果CNC在執(zhí)行加工程序時，發(fā)現(xiàn)程序段中有M，T等指令，即將該指令譯碼后以F信號地址送往PMC，例如：M代碼，送到F10~F13。PMC處理(譯碼，順序和互鎖)后，在經(jīng)某一Y地址送到強(qiáng)電柜，由執(zhí)行元件(繼電器等)執(zhí)行所須的控制動作。若M指令所在的零件加工程序的程序段中有進(jìn)給軸運動指令，被控軸走完要求的移動量后，還要判斷PMC是否已經(jīng)執(zhí)行完CNC賦予(指令)的動作，因此就要求PMC在執(zhí)行M，T等指令時必須返回一個完成信號FIN。CNC收到該信號時，即可讀下一段，執(zhí)行下一個程序段。
八.進(jìn)給伺服軸控制
機(jī)床工作臺(包括轉(zhuǎn)臺)的進(jìn)給是用伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動的，目前都是電氣化的，是用伺服電動機(jī)驅(qū)動的，而且多數(shù)都是用同步電動機(jī)。電動機(jī)與滾珠絲杠直接連接(如下圖)，這樣由于傳動鏈短，運動損失(lost motion)小，且反應(yīng)迅速，因此可獲得高精度。
機(jī)床的進(jìn)給伺服屬于位置控制伺服系統(tǒng)。如下圖所示，輸入端接收的是來自CNC插補(bǔ)器、在每個插補(bǔ)周期內(nèi)串行輸出的位置脈沖。脈沖數(shù)表示位置的移動量(通常是一個脈沖為1μm------即系統(tǒng)的分辨率為1μm);脈沖的頻率(即在單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)的多少)表示進(jìn)給的速度;脈沖的符號表示軸的進(jìn)給方向,通常是將脈沖直接送往不同伺服軸的指令輸入口。
下圖只畫出了一個進(jìn)給軸，實際的機(jī)床有幾個軸，但是控制原理都是一樣的。幾個軸在同一插補(bǔ)周期內(nèi)接收到插補(bǔ)指令時，由于在同一時間內(nèi)的進(jìn)給量不同，進(jìn)給速度不同，運動方向不同，其合成的運動就是曲線，刀具依此曲線軌跡運動即可加工出程序所要求的工件輪廓。
對進(jìn)給伺服的要求不只是靜態(tài)特性，如：停止時的定位精度、穩(wěn)定度。更重要的是進(jìn)給的伺服剛性好，響應(yīng)性快，運動的穩(wěn)定性好，分辨率高。這樣才能高速、高精度地加工出表面光滑的高質(zhì)量工件。
1.伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型
伺服系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。
開環(huán)：
所謂開環(huán)，就是沒有位置反饋的伺服系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的電氣系統(tǒng)都用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。由于沒有速度和位置的反饋，所以跟隨精度差，響應(yīng)性差，因此加工精度差，效率低。
閉環(huán)：
閉環(huán)是有被控元件的位置反饋的伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)成包括：執(zhí)行元件------伺服電動機(jī)(一般與滾珠絲杠直接連接);速度控制器和位置控制器，位置控制器接收CNC插補(bǔ)器的輸出指令
2.同步電動機(jī)
閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)的電氣系統(tǒng)目前都用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，多數(shù)使用永磁式同步電動機(jī)。
永磁式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。其轉(zhuǎn)子是用高導(dǎo)磁率的永久磁鋼作成的磁極，中間穿有電機(jī)軸，軸兩端用軸承支撐并將其固定于機(jī)殼上。定子是用矽鋼片疊成的導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體的內(nèi)表面有齒槽，嵌入用導(dǎo)線繞成的三相繞組線圈。另外在軸的后端部裝有編碼器。
當(dāng)定子的三相繞組通有三相交流電流時，產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場就會吸住轉(zhuǎn)子上的磁極同步旋轉(zhuǎn)。同步電動機(jī)的速度控制與電功率的提供是用逆變器，逆變器中從直流變到三相交流的功率驅(qū)動電路元件需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場的位置實時地?fù)Q向，這一點非常類似于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組電流隨定子磁場位置的換向。因此，為了實時地檢測同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的位置，在電動機(jī)軸上(后端)安裝了一個編碼器(光碼盤------圖中的11)。由于有了光碼盤，無論電機(jī)的轉(zhuǎn)速是快、還是慢，均可以隨著電機(jī)軸地回轉(zhuǎn)實際地測出轉(zhuǎn)子上磁極磁場的位置，將該位置值送到控制電路后，使控制器可以實時地控制逆變器功率元件的換向，實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器的自控?fù)Q向。因此，有人將這種同步電動機(jī)的驅(qū)動控制器和電動機(jī)一起稱為自換向同步電動機(jī);另外，因為其控制特性類似于直流電動機(jī)，所以也稱為無整流子式直流電動機(jī)。
直線電動機(jī)：為了提高工作臺的運動速度，提高加速度，簡化傳動鏈，從而提高傳動精度，近來又出現(xiàn)了直線電動機(jī)。這種電機(jī)屬于直連電動機(jī)，即直接裝在直線運動的工作臺上。
3.位置傳感器和速度傳感器
光電編碼器：編碼器是回轉(zhuǎn)運動的測量元件，通常是裝在電動機(jī)軸上或是滾珠絲杠上，它直接測量的物理量是電動機(jī)或絲杠轉(zhuǎn)過的角度。編碼器分為增量式測量或絕對量式測量兩個品種。
直線光柵尺：目前，測量直線運動部件的位置或位移使用直線光柵尺。光柵尺有使用玻璃的透射尺和使用金屬基板的反射尺。工作原理與光電編碼器類似。透射式光柵尺易于安裝，直接貼裝在工作臺的側(cè)面，故使用較多。
4.伺服驅(qū)動器
控制同步伺服電動機(jī)運行的放大器(驅(qū)動器)是交流逆變器。
FANUC將放大器分為兩個模塊：整流供電模塊(PSM)和伺服逆變模塊(SVM)
九.主軸的驅(qū)動控制
1。控制框圖
主軸控制主要是速度及電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。在程序中用指令：S及五位數(shù)值指令主軸的轉(zhuǎn)數(shù)。
例如：S1200;表示要求主軸以1200轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。正反轉(zhuǎn)的指令為M03(正轉(zhuǎn));M04(反轉(zhuǎn))。為了檢測主軸的轉(zhuǎn)速，在主軸或主軸電動機(jī)上安裝了速度傳感器。
2.主軸速度傳感器與位置傳感器
只是速度控制時無位置反饋回路。主軸電動機(jī)的速度測量與反饋用裝在主軸電動機(jī)軸上的磁性傳感器。如下圖所示。隨著主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，傳感器轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)發(fā)出128，256，384或512個脈沖(取決于電動機(jī)的型號)，計算出主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。若電動機(jī)與主軸間不是1：1耦合，則必須在主軸上安裝位置編碼器，用編碼器發(fā)出的一轉(zhuǎn)信號測量主軸的轉(zhuǎn)數(shù)。通常這種編碼器是光電式的，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)發(fā)出1024個脈沖，此外還發(fā)出一個一轉(zhuǎn)信號。用這種編碼器可實現(xiàn)螺紋加工和剛性攻絲及加工中心機(jī)床換刀時的主軸定向
3.主軸電動機(jī)
用于主軸驅(qū)動的電動機(jī)有兩種形。式：異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。異步機(jī)容易制造，可靠性也高，高速運轉(zhuǎn)性能好，所以FANUC用的是異步機(jī)。同步機(jī)低速性能好，控制性好，低速有大力矩，容易實現(xiàn)較寬的恒功率調(diào)速范圍。通常，加工鋁件和輕金屬件主軸轉(zhuǎn)數(shù)高，一般使用異步電動機(jī)。加工鑄鐵或鋼件主軸轉(zhuǎn)速較低，另外有些加工方式(如Cs軸方式)還要求低速時有較大的力矩，故傾向使用同步電動機(jī)。特別是近來，為了提高加工精度，機(jī)械設(shè)計使驅(qū)動電動機(jī)直接與機(jī)床主軸連接，因此發(fā)展用同步機(jī)作主軸的驅(qū)動，特別是內(nèi)裝主軸電動機(jī)，多使用同步機(jī)。
4.主軸電動機(jī)驅(qū)動放大器
主軸電動機(jī)的控制類似于上述的伺服電動機(jī)。但是通常只有速度控制，故無需位置環(huán)。下圖是FANUC 主軸電動機(jī)驅(qū)動器的框圖。分兩個模塊：PSM及SPM。PSM是電源模塊，它與進(jìn)給伺服驅(qū)動一樣，是將輸入的交流功率電源變?yōu)橹绷鞴β孰娫唇o逆變器供電。SPM是逆變器部分，是將直流電源變?yōu)槿嘟涣鹘o電動機(jī)的定子供電。
十.外部軸的控制
用伺服電動機(jī)控制機(jī)床上或機(jī)床以外的輔助機(jī)械設(shè)備的動作，如：換刀機(jī)械手，交換工作臺，上/下料，工件或毛坯的搬運。
Power Mate i是一種位置運動控制器，控制各個軸獨立運動或是時間上協(xié)調(diào)運動，使某一軸以一定速度移動到某一位置或是移動某一距離。但是相互間沒有位置上的依賴關(guān)系，即系統(tǒng)中不必具備位置插補(bǔ)器的功能。當(dāng)然，F(xiàn)ANUC的Power Mate i D是有兩軸連動的插補(bǔ)器的，可根據(jù)實際需要使用。
