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1、机床数控技术,考前复习 2015年10月,课程重点A数控机床的工作原理与使用,数控机床是在什么形式的数字化信息下工作的？如何使用、编程？ 数控机床的组成和工作原理 1）数控机床的坐标系统 2）程序格式 数控机床的编程方法常用代码,课程重点B机床数字化自动控制原理,数字化信息如何实现对机床的自动控制？机床的自动控制任务？ 硬件配置： 1、计算机：数字信息处理输出装置CNC 2、伺服系统：基于数字化信息控制的驱动执行及运动参数反馈装置 软件设计：多任务实时处理 1、管理软件：I/O、程序输入、显示、诊断 2、控制算法：1）插补 2）刀补 3）速度控制,数控技术考前复习大纲,内容： 1、数控机床与数
2、控编程 2、CNC装置的硬件组成和软件结构 3、刀补、插补、进给速度控制 4、位置检测与伺服驱动系统 重点： 1、基本概念与名词术语 2、数控编程 3、插补算法,NC、CNC、MC、FMC、FMS、CIMS,NC：数字控制 CNC：计算机数字控制 MC：加工中心 FMC：柔性制造单元 FMS：柔性制造系统 CIMS：计算机集成制造系统,数控机床的组成,输 入 装 置,输 出 装 置,计 算 机 数 控 装 置,PLC,主轴控制单元,主轴,机床辅助,伺服电机,速度控制单元,工 作 台,位置检测反馈装置,CNC系统,机械主体,伺服驱动系统,CNC系统（CNC装置+输入输出设备）,CNC装置： 计算
3、机：执行管理软件（图形、数据显示、参数输入、I/O处理、故障诊断、状态显示）、控制软件（译码、刀具补偿、插补运算、速度处理、位置控制等）、以及与外部设备的通讯。 PLC：实现对数控系统中开关量的逻辑运算、联锁控制。 输入输出设备： 程序编程、存储、打印、显示设备。,伺服驱动系统：精确、高速、稳定,检测装置 对执行机构的位置进行实时检测，为伺服控制提供反馈信息。 伺服执行装置 按照数控装置输出的数字指令（和反馈信息）对执行机构的运动进行实时控制，使工作台或刀具的运行轨迹与数控指令一致。,机械系统,结构件：如机座、机身、机架等 刚度高 抗振 热变形小 运动副：导轨、传动结构、轴承等 间隙小 摩擦系
4、数小,数控机床的分类,按运动方式： 点位控制或位置控制与轮廓控制 按控制方式： 开环控制与闭环控制、半闭环控制与开环补偿型控制 按加工方式： 切削、板金、电火花、激光、测量 按功能水平：高档/中档/低档 联动轴数、分辨力、加工速度、通讯能力,开环控制系统,通常使用功率步进电机或电液脉冲马达作为驱动机构；开环系统结构简单，成本低，但由于没有反馈，其精度受步进电机的步距误差、机械传动链误差等影响。,半闭环控制系统,不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，半闭环控制系统结构简单、调试方便、精度也较高；若对这类误差进行补偿，可获得满意的精度。在现代数控机床中得到了广泛应用。,闭环控制
5、系统,可消除由于传动部件在制造、装配过程中存在的精度误差等给工件加工带来的影响，精度高。在反馈环路内，由于各种机械传动环节的组成元件间的摩擦特性、刚性、装配间隙及传动链间隙等都是可变的（或是非线性的），这些直接影响伺服系统的的稳定性，调试困难。,数控机床的特点,可编程、灵活 生产效率高 加工精度高，质量稳定 能完成复杂形面的加工 工序集中，一机多用 现代制造系统的基础,机床零点、参考点与机床坐标系,机床坐标系：建立在机床原点M或机床零点的坐标系；是机床固有的坐标系。 数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴移动范围内设置限位开关确定一个机床参考点R
6、 （测量起点），以建立机床坐标系。,工件原点与工件坐标系,工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点（也称程序原点、工件零点），建立一个新的基于工件零点W的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。,数控机床坐标系坐标方向的确定,确定机床坐标轴时，一般先定Z轴，再定X轴和Y轴。 Z轴及其方向：与机床主轴（或垂直于工件的装夹面）平行的轴，增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。 X轴：水平，与工件装夹面平行； 如刀具旋转：在Z轴后端或面对立柱看，右手为正向；如工件旋转：离开旋转中心的方向为正向； 否则：以主要切削为正。 Y轴：根
7、据Z、X轴，按右手直角坐标系确定。 旋转轴A、B、C在正X、Y、Z方向按右螺旋前进方向确定,对刀点、起刀点、换刀点,对刀点：在数控机床上加工零件时，刀具相对零件运动的起始点。也称起刀点。 换刀点：换刀的位置，可以是加工零件之外的任意一点。,刀位点、切削点,对刀点的位置是以刀具的“刀位点”来表示的，刀位点是刀具上的一点，是刀具定位的基准点。 不同的刀具形状，其刀位点的规定不同，如立铣刀和端铣刀，刀位点为其底面中心；球头铣刀为球头球心；车刀、镗刀和钻头则为刀尖或钻尖。 编程时，控制的刀具轨迹即刀位点的轨迹。刀位点不一定是切削点。加工过程中，如果刀具上的切削点与刀位点重合则可以不考虑刀具补偿。 如：
8、车圆柱外圆时，切削点与刀位点一致，固定不变；车锥形或球形外圆时，切削点的位置则是变化的，如不进行刀尖半径补偿，则会引起加工误差。,基点、曲线逼近与节点,基点： 零件各几何元素的交点或切点 曲线逼近： 以直线或圆弧逼近非圆曲线 节点： 人为逼近线段的交点或切点,模态指令与非模态指令,功能（指令）有非模态功能和模态功能二种形式。 非模态功能(当段有效代码) ：只在书写了该代码的程序段中有效；如G04 模态功能(续效代码)：一组可相互注销的M 功能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。 如：G90/G91 G00/G01/G02/G03,程序段、尺寸字、非尺寸字,加工程序的主体由若干程序段
9、组成； 程序段是可作为一个单位来处理的连续的字组； （程序）字=地址符+十进制数字信息单元 程序字分为尺寸字和非尺寸字 尺寸字：X、Y、Z、U、V、W、A、B、C、I、J、K； 尺寸字用来指定机床刀具运动到达的坐标位置。（或暂停时间）；其数字单位制由准备功能字设定。,数控机床的指令代码,G字（准备功能字）： 坐标系、单位、定位、插补、刀补、循环等 M字（辅助功能字）： 开关量相关：程序控制，主轴、冷却、夹具等起停 F字（进给速度功能字）：mm/min、mm/r S字（主轴转速功能字）：r/min、m/min（恒速） T字（刀具选择功能字）：T01、T0101 D/H字（刀具偏置字）：H16,常
10、用的G指令,绝对/增量编程： G90、G91 快速定位： G00 X_Y_Z_ 直线插补： G01 X_Y_Z_ 正/逆圆插补（圆心I、J、K；半径R）： G02/G03 X_Y_I_J_ (XY平面）,常用M指令,M03、04、05：主轴正转、反转、停止 M06：手动或自动换刀（可停主轴、冷却液） M07、M08、M09：雾状、液状冷却液控制 M02、M30：程序结束 M30：与读带机有关,CNC装置的功能,控制功能：可控动力单元、联动轴数 准备功能：坐标设定、平面选择、刀具补偿、程序暂停等 插补与固定循环：直线、圆、其他曲线的插补运算 进给控制功能：切削进给速度、同步进给速度等 主轴控制功
11、能：转速、恒线速度、C轴控制 辅助功能：即M指令功能。包括主轴正转、反转、停止，冷却泵的开关，工件夹紧、松开，换刀等功能。 刀具管理 显示、诊断、通讯 在线自动编程,CNC装置的硬件结构,CNC装置的硬件有单微处理器结构与多微处理器结构两种形式。 单微处理器结构：以唯一一个能够控制系统总线，占有总线资源的微处理器CPU为核心，采用集中控制、分时处理的方式来完成数控的各项任务。 多微处理器结构：由多个能够控制系统总线的功能不同的微处理器以模块化结构组成的CNC装置。该结构分为共享总线型和共享存储器型。,CNC的控制任务,CNC装置的控制流程： 1、程序与参数的输入；2、译码（语法检查） 3、预处
12、理：刀具补偿、进给速度等处理 4、插补；5、位置控制；6、IO处理；7、显示 8、诊断；9、通讯功能 CNC装置的运行特点：实时、多任务并行处理 1、管理软件：I/O处理、显示、诊断、通讯 2、控制软件：译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制,CNC的前后台式软件结构,单微处理器CNC装置常的一种软件结构； 原理：利用定时中断实现资源分时共享 软件由后台程序（背景程序：调度管理、预处理程序）+前台程序（实时中断程序，完成位置控制、插补、辅助功能处理、面板扫描、输出等任务）组成。 下一程序段的译码、预处理时间必须小于本程序段的插补运行时间，否则会出现停刀现象。,CNC的中断式软件结构,多微
13、处理器CNC装置常的一种软件结构； 原理：多重中断系统 控制程序由多个中断优先级不同的中断服务程序组成 各中断程序间的通讯方式： 1、设置软件中断（定时顺序触发） 2、自身链接（设置状态口、顺序查询） 3、设置标志（开放或关闭中断）,开放式CNC装置,CNC装置开放化的表现： 1、系统内部硬件、软件的公开化 2、各组成部件间接口的边准化标准化 开放式CNC装置的组成形式： 1、PC连接型CNC；建立在串口通讯上的开放 2、PC内藏型CNC；非通用PC、程序开发受限 3、CNC内藏型PC；专用CNC、编程灵活 4、全软件型NC：实时性差,插补,点位控制：使工作台（或刀具）精确地移动到某一个位置点
14、。控制装置只控制终点位置精度，而忽略对路径的控制。控制方法简单，只需控制驱动装置的起停、无需插补运算。 轮廓控制：使工作台（或刀具）精确地沿要求的轨迹移动。控制装置需控制起点至终点间每一个点的速度和位置精度。实现的方法：将轮廓控制看成是由足够多点的点位控制，这样就需要计算这些中间点的位置值，即插补计算。 插补：在轮廓的起点和终点之间，按照轮廓的数学特征计算所有的中间点的坐标值。为与伺服系统匹配，坐标值以增量形式表示。,插补与脉冲指令,1、插补程序是CNC装置控制软件的核心 2、插补运算，输出脉冲指令 CNC装置根据零件的加工轨迹，计算刀具轨迹上的每一个中间点的坐标值，该坐标值经伺服驱动装置的脉
15、冲当量量化，所以其个数是有限的；该坐标值以增量形式表示，以脉冲形式输出的。中间点的计算精度将影响零件的加工精度。 3、数字化进给脉冲指令伺服系统进给轴 一个脉冲所产生的坐标轴位移量称为脉冲当量，脉冲当量值取决于伺服电机与位置检测装置的分辨力。（0.110m),脉冲增量插补法,每次插补结束只产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。方法简单，易用硬件实现，运算速度很快。适用于步进电机驱动的开环CNC系统。 采用脉冲增量插补算法的CNC系统，坐标轴进给速度主要受插补程序运算时间的限制，一般为 13m/min。 脉冲增量插补算法主要有：逐点比较法和数字积分法。,数字增量插补法,适用于交直流
16、伺服电机驱动的闭环（半闭环）位置采样控制系统。进给速度取决于弦线误差要求和伺服系统。插补运算分两步完成： 粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度l相等，且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次。因此l FT（T约10ms)。 精插补，它是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。,脉冲增量插补之逐点比较法,算法原理： 计算机在控制加工轨迹过程中，逐点计算和判别加工偏差以控制坐标进给方向，从而按规定的图形加工出合格工件。 算法流程： 偏差判别 进给 偏差计算 终点判别 （确定方向）,逐点比较法直线插补算法（第1象限）,过零直线终点：Xe、Ye ，当前动点： Xi、Yi， 偏差计算公式：Fi=XeYi-XiYe；初始偏差：F0=XeY0-X0Ye 1、偏差判别、 2、坐标进给
