1、数控技术及应用数控技术及应用(初定稿）初定稿）初定稿）初定稿）主讲主讲 李同乐李同乐（教授）（教授）文文理理学学院院前言前言南昌大学数控技术及应用课程数控加工技术基础 数控机床各组成部分数控车削加工技术数控铣削加工技术加工中心加工技术数控特种加工技术数控自动编程技术数控加工应用技术前前 言言我国制造业企业已开始广泛使用先进的数控技我国制造业企业已开始广泛使用先进的数控技术，但掌握数控技术的机电复合型人才奇缺，其中术，但掌握数控技术的机电复合型人才奇缺，其中仅数控机床的高级操作工就短缺仅数控机床的高级操作工就短缺60多万人。懂数控多万人。懂数控技术的模具技工的月薪由原来的技术的模具技工的月薪由原
2、来的500600元升至元升至50006000元，有的高级模具技工的年薪甚至高达元，有的高级模具技工的年薪甚至高达30万，超过了部分研究生的身价。万，超过了部分研究生的身价。但但近年来由于数控人才的需求拉动，我国各高近年来由于数控人才的需求拉动，我国各高校、高职和中职都开设了数控类专业，我们只有扎校、高职和中职都开设了数控类专业，我们只有扎实机械工艺、刀具量具等基础，突出实机械工艺、刀具量具等基础，突出加工工艺基础加工工艺基础够用与够用与CNC操作操作、程编程编与与维护维护复合的专业特色，才复合的专业特色，才能使我们轻校毕业生真正成为社会急需的数控能使我们轻校毕业生真正成为社会急需的数控“蓝领蓝
3、领”高级技工。高级技工。第一章数控加工技术基础数控设备按伺服系统的分类FANUC 系列 150i B型数控装置数控铣床及其坐标系统数控车床及其坐标系统1 开环控制数控机床开环数控系统的结构图按伺服系统的类型按伺服系统的类型分类分类2、闭环控制数控机床闭环数控系统的结构图3 半闭环控制数控机床半闭环数控系统结构图第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原理计算机数控系统数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统数控机床的主轴驱动及其机械结构数控机床的主轴驱动及其机械结构可编程控制器（可编程控制器（PLC)PLC)数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户
4、程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。计算机数控系统计算机数控系统程序输入设备计算机数字控制装置（CNC装置）可编程控制器（PLC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床1.用户程序 它是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。2.输入输出设备 CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加
5、工程序、控制参数、补偿参数等。3.CNC装置 CNC装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。4.可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与
6、CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。5.伺服系统 伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分。伺服系统主要指数控设备的主轴驱动和进给驱动，是CNC系统的执行部分。伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令（脉冲信号），转换成数控设备移动部件的运动。在数控机床的伺服驱动机构中，常用的驱动元件有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，后二者都带有感应同步器、编码器等位置检测元件。1.正常工作前的准备工作 在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，
7、并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入 CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理 加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。CNCCNC系统的主要工作过程系统的主要工作过程4.插补计算 一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间
8、点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制 各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。第一节第一节插补原理插补原理一、概述一、概述在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。插补实质上是根据有限的信息完
9、成“数据点的密化”工作。加工各种形状的零件轮廓时，必须控制刀具相对工件以给定的速度沿指定的路径运动，即控制各坐标轴依某一规律协调运动，这一功能为插补功能。平面曲线的运动轨迹需要两个运动来协调；空间曲线或立体曲面则要求三个以上的坐标产生协调运动。插补工作可由硬件逻辑电路或执行软件程序来完成，在CNC系统中，插补工作一般由软件完成，软件插补结构简单、灵活易变、可靠性好。目前普遍应用的两类插补方法为基准脉冲插补和数据采样插补。（一）基准脉冲插补 基准脉冲插补又称脉冲增量插补，这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作
10、台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，也叫脉冲当量，脉冲当量是脉冲分配的基本单位。（二）数据采样插补 数据采样插补又称时间增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作，为了提高计算速度，缩短计算时间，按以下三种结构方式进行改进。1.采用软/硬件结合的两级插补方案。2.采用多CPU的分布式处理方案。3.采用单台高性能微型计算机方案。二、基准脉冲插补二、基准脉冲插补 (一)逐点比
11、较法 加工图3-1所示圆弧AB，如果刀具在起始点A，假设让刀具先从A点沿Y方向走一步，刀具处在圆内1点。为使刀具逼近圆弧，同时又向终点移动，需沿X方向走一步，刀具到达2点，仍位于圆弧内，需再沿X方向走一步，到达圆弧外3点，然后再沿Y方向走一步，如此继续移动，走到终点。YYA31223BOXO1X图3-1圆弧插补轨迹图3-2直线插补轨迹加工图3-2所示直线OE也一样，先从O点沿X向进给一步，刀具到达直线下方的1点，为逼近直线，第二步应沿Y方向移动，到达直线上方的2点，再沿X向进给，直到终点。所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的
12、方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。1.插补原理一般来说，逐点比较法插补过程可按以下四个步骤进行：偏差判别：根据刀具当前位置，确定进给方向。坐标进给：使加工点向给定轨迹趋进，即向减少误 差方向移动。偏差计算：计算新加工点与给定轨迹之间的偏差，作为下一步判别依据。终点判别：判断是否到达终点，若到达，结束插补；否则，继续以上四个步骤（如图3-3所示）。圆弧插补在圆弧加工过程中，可用动点到圆心的距离来描述刀具位置与被加工圆弧之间关系。设圆弧圆心在坐标原点，已知圆弧起点A（Xa，Ya），终点B（Xb，Yb），圆弧半径为R。加工点可能在三种情况出现，即圆弧上、圆弧外、圆弧内。当
13、动点P（X，Y）位于圆弧上时有 X2Y2R2=0 P点在圆弧外侧时，则OP大于圆弧半径R，即 X2Y2R20P点在圆弧内侧时，则OP小于圆弧半径R，即 X2Y2R20一并考虑。YYAF0DSR1NR1F0F0F0BOXCOXa)顺圆弧b)逆圆弧图3-9第一象限顺、逆圆弧图3-9a中AB为第一象限顺圆弧SR1，若F0时，动点在圆弧上或圆弧外，向Y向进给，计算出新点的偏差；若F0，表明动点在圆内，向X向进给，计算出新一点的偏差，如此走一步，算一步，直至终点。由于偏差计算公式中有平方值计算，下面采用递推公式给予简化，对第一象限顺圆，Fi0，动点Pi(Xi，Yi)应向Y向进给，新的动点坐标为(Xi1,
14、Yi1)，且Xi1Xi，Yi1Yi1，则新点的偏差值为即(3-6)若Fi0时，沿X向前进一步，到达（Xi1，Yi）点，新点的偏差值为(3-7)即进给后新点的偏差计算公式除与前一点偏差值有关外，还与动点坐标有关，动点坐标值随着插补的进行是变化的，所以在圆弧插补的同时，还必须修正新的动点坐标。圆弧插补终点判别：将X、Y轴走的步数总和存入一个计数器，XbXaYbYa，每走一步减一，当0发出停止信号。例3-2现欲加工第一象限顺圆弧AB，如图3-11所示，起点A（0，4），终点B（4，0），试用逐点比较法进行插补。图3-11圆弧插补实例四个象限中圆弧插补参照图3-9b，第一象限逆圆弧CD的运动趋势是X轴
15、绝对值减少，Y轴绝对值增大，当动点在圆弧上或圆弧外，即Fi0时，X轴沿负向进给，新动点的偏差函数为(3-8)Fi0时，Y轴沿正向进给，新动点的偏差函数为(3-9)圆弧过象限，即圆弧的起点和终点不在同一象限内。若坐标采用绝对值进行插补运算，应先进行过象限判断，当X0或Y0时过象限。如图3-13所示，需将圆弧AC分成两段圆弧AB和BC，到X0时，进行处理，对应调用顺圆2和顺圆1的插补程序。若用带符号的坐标值进行插补计算，在插补的同时，比较动点坐标和终点坐标的代数值，若两者相等，插补结束，其计算过程见表3-3。表3-3圆弧插补计算过程 对位置检测装置的要求常用的位置检测装置数控机床的位置检测装置数控
16、机床的位置检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4）成本低。成本低。2.5.12.5.1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求2.5.22.5.2常用的检测装置常用的检测装置位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：（一）直接测量和间接测量1.直接测量直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是
