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西門子

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2023-12-19 22:17:01

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產品描述

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控有五軸功能的數控機床可以以多種姿態實現工件與刀具間的相對運動，一方面可以保持刀具更好的加工姿態，避免刀具中心極低的切削速度，也可以避免刀具和工件、卡具間的干涉，實現有限行程內更大加工范圍。五軸功能也是衡量數控系統能力的重要指標。

上海卓曙自動化設備有限公司

：張萬來

工件坐標旋轉

對于具有轉臺結構的五軸機床，工件與回轉工作臺固結，即工件坐標系（WCS）與回轉工作臺固結。當工作臺旋轉后，工件坐標系（WCS）必須相應的旋轉。此后工件坐標系的X,Y,Z與原機床坐標系(MCS)XYZ方向不再一致，五軸插補算法需要隨時自動完成工件坐標系的旋轉，保證正確的刀具運行軌跡，如下圖所示。

RTCP

五軸加工中，不論是刀具旋轉還是轉臺轉動，都使刀尖點產生了XYZ的附加運動。五軸數控系統可以自動對這些轉動和擺動產生的工件與刀尖點間產生的位移進行補償，稱之為RTCP（圍繞刀尖點旋轉）控制功能。例如，大連光洋的GNC61采用G203起動該功能；在西門子840D中，使用TRAORI開啟RTCP；海德漢TNC530中，使用M128開啟RTCP。這樣用戶可以在五軸機床上，如同3坐標一樣的編程，可以適時加入調整刀具與工件間姿態調整的旋轉指令，而不需要考慮這些旋轉指令帶來的附加運動。

刀具矢量編程

五軸編程中，采用刀具相對于工件坐標系（WCS）的姿態矢量來表達工件與刀具的姿態關系。這樣處理的結果是用戶不必考慮五軸機床的具體類型和結構，相同的工件程序可以在不同類型的五軸機床上加工，所有與機床結構相關的坐標處理完全由五軸數控系統自動完成。

例如，840D采用（A3，B3，C3）來表達刀具矢量；大連光洋的GNC61采用（VX，VY，VZ）表示刀具在WCS下刀尖點指向控制點的姿態，對（VX，VY，VZ）向量長度無特殊要求。

五軸斜面加工

據統計，世界范圍內，五軸機床真正用于五軸聯動加工僅占5%，

如葉輪、葉片、航空結構件等特殊零件；73% 用于五軸定向加工，如V型發動機缸體、模具制造等；五面體加工占22%[1]，例如機床上的箱體結構零件。

840D中采用s的概念，描述空間斜面和坐標系。

TNC530中采用PLANE功能定義加工作業斜面。例如：采用空間角定義斜面：

N50 plane spatial spa+27 spb+0 spc+45 ... 空間角A：旋轉角SPA是圍繞機床固定X軸旋轉；空間角B：旋轉角SPB是圍繞機床固定Y軸旋轉；空間角C：旋轉角SPC是圍繞機床固定Z軸旋轉。除了空間角定義外，TNC530還支持投影角、歐拉角、三點等多種空間斜面定義。

即將ABC增量等同直線增量進行插補。不論是否開啟RTCP五軸直線插補在都沒有直接約束刀具的側刃，可能造成側刃形成的零件尺寸和形貌不符合要求。為此，數控廠商往往還支持其他約束側刃的特殊的五軸插補。

5.1平面刀矢插補

在沖裁模具中，存在大量側壁保持平面的要求；航空薄壁結構件也存在大量側壁傾斜要求的型腔銑削加工；焊接零件焊接坡口也有銑傾斜面的要求。840D提供ORIVECT，以及GNC61的G213都是上述功能。通常該功能自動啟動RTCP。

5.2雙樣條約束插補

即刀尖點的樣條曲線，再另一條約束刀具的樣條曲線，數控系統將完成兩樣條曲線約束的直紋面的插補。840D提供ORICURVE，以及GNC61提供的G6.3X都實現上述功能。

5.3圓錐插補

刀具矢量沿特定圓錐表面運行。

該插補功能適合加工圓錐及空間斜面間圓錐過渡曲面。840D提供的ORICONCWORICONCCWORICONIOORICONTO即完成上述功能。

空間刀具半徑補償

對于五軸加工，RTCP起到了刀具長度補償的作用。而五軸的刀具半徑的補償可以在不修改五軸加工程序中工件表面坐標點的情況下，調整各種類型的刀具，均能保證工件表面形狀的正確。在FANUC級的30i系列數控系統和西門子高端的840D系統都支持上述功能。

五軸速度平滑

在五軸加工中，由于開啟RTCP，以及各種特殊的五軸算法，例如平面矢量插補、雙樣條約束插補等，都可能造成各直線進給軸速度的波動，這些波動有時會造成機床振動，影響零件表面加工質量，過機床允許范圍。為此五軸數控系統需要對各軸速度進行平滑調整。目前FANUC級的30i系列數控系統和西門子高端的840D系統都支持上述功能。

7工作流程

1、輸入：零件程序及控制參數、補償量等數據的輸入，可采用光電閱讀機、鍵盤、磁盤、連接上級計算機的DNC 接口、網絡等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗和代碼轉換等工作。

2、譯碼：不論系統工作在MDI方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息（如起點、終點、直線或圓弧等）、加工速度信息（F 代碼）和其他輔助信息（M、S、T代碼等）按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在的內存單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。

3、刀具補償：刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。在比較好的CNC裝置中，刀具補償的工件還包括程序段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。

4、進給速度處理：編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動坐標的分速度。在有些CNC裝置中，對于機床允許的***低速度和速度的限制、軟件的自動加減速等也在這里處理。

5、插補：插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 數據點的密化 ”。插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。通常，經過若干次插補周期后，插補加工完一個程序段軌跡，即完成從程序段起點到終點的“數據點密化”工作。

6、位置控制：位置控制處在伺服回路的位置環上，這部分工作可以由軟件實現，也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內，將理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。

7、I/0 處理：I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關信號，機床電氣信號的輸入、輸出和控制（如換刀、換擋、冷卻等）。

8、顯示：CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用于零件程序的顯示、參數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。

9、診斷：對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和脫機診斷。

8發展

數控系統及相關的自動化產品主要是為數控機床配套。數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械制造產業的滲透而形成的機電一體化產品：數控系統裝備的機床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數控的工作母機是*工業現代化的重要物質基礎。

數值控制（簡稱“數控”或“NC”）的概念是把被加工的機械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉換成數值數據指令信號傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅動機床刀具的運動而加工出零件。而在傳統的手動機械加工中，這些過程都需要經過人工操縱機械而實現，很難滿足復雜零件對加工的要求，特別對于多品種、小批量的零件，加工效率低、精度差。

軟件的應用

在1970年的芝加哥展覽會上，首次展出了由小型機組成的CNC數控系統。大約在同時，英特爾公司發明了微處理器。1974年，美、日等國相繼研制出以微處理器為核心的CNC，有時也稱為MNC。它運用計算機存貯器里的程序完成數控要求的功能。其全部或部分控制功能由軟件實現，包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制等。采用半導體存貯器存貯零件加工程序，可以代替打孔的零件紙帶程序進行加工，這種程序便于顯示、檢查、修改和編輯，因而可以減少系統的硬件配置，提高系統的可靠性。采用軟件控制大大增加了系統的柔性，降低了系統的制造成本。

數控標準的引入

隨著NC成為機械自動化加工的重要設備，在管理和操作之間，都需要有統一的術語、技術要求、符號和圖形，即有統一的標準，以便進行世界性的技術交流和貿易。NC技術的發展，形成了多個國際通用的標準：即ISO國際標準化組織標準、IEC國際電工委員會標準和EIA美國電子工業協會標準等。***早制訂的標準有NC機床的坐標軸和運動方向、NC機床的編碼字符、NC機床的程序段格式、準備功能和輔助功能、數控紙帶的尺寸、數控的名詞術語等。這些標準的建立，對 NC技術的發展起到了規范和推動作用。ISO基于用戶的需要和對下一個5年間信息技術的預測，又在醞釀推出新標準“CNC控制器的數據結構”。它把 AMT（*制造技術）的內容集中在兩個主要的級別和它們之間的連接上：級CAM，為車間和它的生產機械：第二級是上一級，為數據生成系統，由 CAD、CAP、 CAE和NC編程系統及相關的數據庫組成。

伺服技術的發展

伺服裝置是數控系統的重要組成部分。20世紀50年代初，世界臺NC機床的進給驅動采用液壓驅動。由于液壓系統單位面積產生的力大于電氣系統所產生的力（約為20:1），慣性小、反應快，因此當時很多NC系統的進給伺服為液壓系統。70年代初期，由于石油危機，加上液壓對環境的污染以及系統笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發出直流大慣量伺服電動機，靜力矩和起動力矩大，性能良好，FANUC公司很快于1974年引進并在NC機床上得到了應用。從此，開環的系統逐漸被閉環的系統取代，液壓伺服系統逐漸被電氣伺服系統取代。

電伺服技術的初期階段為模擬控制，這種控制方法噪聲大、漂移大。隨著微處理器的采用，引入了數字控制。它有以下優點：①無溫漂，穩定性好。②基于數值計算，精度高。③通過參數對系統設定，調整減少。④容易做成ASIC電路。對現代數控系統，伺服技術取得的突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制、或者稱為軟件控制取代硬件控制。20世紀90年代，許多公司又研制了直線電動機，由全數字伺服驅動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。

9常見故障

位置環

這是數控系統發出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環節。它具有很高的工作頻度，并與外設相聯接，所以容易發生故障。

常見的故障有：①位控環報警：可能是測量回路開路；測量系統損壞，位控單元內部損壞。②不發指令就運動，可能是漂移過高，正反饋，位控單元故障；測量元件損壞。③測量元件故障，一般表現為無反饋值；機床回不了基準點；高速時漏脈沖產生報警可能的原因是光柵或讀頭臟了；光柵壞了。

伺服驅動系統

伺服驅動系統與電源電網，機械系統等相關聯，而且在工作中一直處于頻繁的啟動和運行狀態，因而這也是故障較多的部分。

電源部分

電源是維持系統正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統的停機或毀壞整個系統。一般在歐美*，這類問題比較少，在設計上這方面的因素考慮的不多，但在由于電源波動較大，質量差，還隱藏有如高頻脈沖這一類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監控或損壞。另外，數控系統部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內，系統斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存貯器都可能造成數據丟失，誰知是他.他們家里還只管亂著要救活那里中用了！"寶釵道：“這也奇了。”襲人聽說點頭贊嘆想素日同氣之情不覺流下淚來.寶釵聽見這話忙向王夫人處來道安慰.這里襲人回去不提. 卻說寶釵來至王夫人處只見鴉雀無聞獨有王夫人在里間房內坐著垂淚.寶釵便不好提這事只得一旁坐了.王夫人便問：“你從那里來？"寶釵道：“從園里來。”王夫人道：“你從園里來可見你寶兄弟？"寶釵道：“才倒看見了.他穿了衣服出去了不知那里去。”王夫人點頭哭道：“你可知道一樁奇事？金釧兒忽然投井死了！"寶釵見說道：“怎么好好的投井？這也奇了。”王夫人道：“原是前兒他把我一件東西弄壞了我一時生氣打了他幾下攆了他下去.我只說氣他兩天還叫他上來誰知他這么氣性大就投井死了.豈不是我的罪過。”寶釵嘆道：“姨娘是慈善人固然這么想.據我看來他并不是賭氣投井.多半他下去住著或是在井跟前憨頑失了腳掉下去的.他在上頭拘束慣了這一出去自然要到各處去頑頑逛逛豈有這樣大氣的理！縱然有這樣大氣也不過是個糊涂人也不為可惜。”王夫人點頭嘆道：“這話雖然如此說到底我心不安。”寶釵嘆道：“姨娘也不必念念于茲十分過不去不過多賞他幾兩銀子送他也就盡主仆之情了. 廣元市西門子變頻器代理商代直銷