课题二 数控系统的工作原理(一).ppt

数控原理与编程实训 教师课时授课计划教师姓名课程名称数控原理与编程实训授课时数0 5天累计1 5天 课题二数控系统的工作原理 一 一 旧课复习1 数控机床主要由哪几部分组成 2 数控车床和数控铣床的切削运动有何区别 3 与传统机械加工方法相比 数控加工有哪些特点 二 新课的教学内容 一 计算机数控系统的工作流程1 计算机数控系统的组成计算机数控系统 ComputerNumericalControl 由零件加程序 输入输出设备 计算机数字控制装置 可编程序控制器 主轴驱动装置和进给驱动装置等组成 2 计算机数控系统的工作过程 1 CNC装置的组成CNC装置由硬件和软件组成 软件包括管理软件和控制软件两大类 管理软件由输入输出程序 I O处理程序 显示程序和诊断程序等组成 控制软件由译码程序 刀具补偿计算程序 速度控制程序 插补运算程序和位置控制程序等组成 如图2 2所示 CNC装置的硬件结构 1 微处理器 CPU 负责运算及对整个系统进行控制和管理 2 可编程只读存储器 EPROM 和随机存储器 ROM 用于储存系统软件和零件加工程序以及运算的中间结果等 3 输入输出接口供系统与外部进行信息交换 4 MDI CRT接口完成手动数据输入并将信息显示在CRT上 5 位置控制部分是CNC装置的重要组成部分 它通过速度控制单元 驱使进给电机输出功率和扭矩 实现进给运动 如图2 3所示 2 CNC装置的工作过程 3 CNC装置可执行的功能 1 CNC装置中使用了计算机 用存放在存储器中的软件来实现部分或全部数控功能 2 CNC装置的功能一般包括基本功能和选择功能 基本功能是CNC系统必备的数控功能 选择功能是供用户根据机床特点和工作途径进行选择的功能 控制功能 主轴功能 准备功能 辅助功能 插补功能 字符显示功能 进给功能 自诊断功能 刀具功能 补偿功能及固定循环功能 二 插补原理 1 概述 1 插补的基本概念按规定的函数曲线或直线 对其起点和终点之间 按照一定的方法进行数据点的密化计算和填充 并给出相应的位移量 使其实际轨迹和理论轨迹之间的误差小于一个脉冲当量 这个过程称为插补 2 插补方法的分类 脉冲增量插补1 脉冲增量插补亦称行程增量插补 它适应于以步进电机为驱动装置的开环数控系统 2 这种插补的实现方法较简单 只需进行加法和移位就能完成插补 3 易用硬件实现 且运算速度很快 因此 脉冲增量插补算法只适合于一些中等精度 0 01mm 和中等速度 1 3m min 的机床控制 数字增量插补 第一步是粗插补 即在给定起点和终点的曲线之间插入若干点 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 每一微小直线段的长度 L与进给速度F和插补周期T有关 即 L FT 粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近 第二步为精插补 它是在粗插补时算出的每一微小直线段上再做 数据点的密化 工作 这一步相当于对直线的脉冲增量插补 这种插补算法可以实现高速 高精度控制 因此适于以直流伺服电机或交流电机为驱动装置的半闭环或闭环数控系统 2 逐点比较法 基本原理是 计算机在控制加工轨迹的过程中 每走一步都要和规定的轨迹相比较 由比较结果决定下一步的移动方向 逐点比较法既可以做直线插补又可以做圆弧插补 特点是 运算直观 插补误差小于一个脉冲当量 输出脉冲均匀 而且输出脉冲的速度变化小 调节方便 因此在两坐标数控机床中应用较为普遍 这种方法每控制机床坐标进给一步 都要完成四个工作节拍 逐点比较法的四个工作节拍 第一个节拍 偏差判别第二个节拍 坐标进给第三个节拍 偏差计算第四个节拍 终点判别 直线插补 1 如何进行偏差计算 第一象限内 编程时 给出要加工直线起点和终点 如果以直线的起点为坐标原点 终点坐标为 Xe Ye 插补点坐标为 X Y 如图2 5所示 则以下关系成立 若点 X Y 在直线上 则 XeY YeX 0若点 X Y 位于直线上方 则XeY YeX 0若点 X Y 位于直线下方 则XeY YeX0 下一步向 X方向运动 3 当点在直线下方时 F0的情况 继续向 X方向运动 这样从原点出发 走一步判别一次F 再走一步 所运动的轨迹总在直线附近 并不断趋向终点 图2 5逐点比较法直线插补 到达终点的判别 设点 Xi Yi 为当前所在位置 其F XeYi YeXi若沿 X方向走一步 则 Xi 1 Xi 1Yi 1 YiFi 1 XeYi 1 YeXi 1 XeYi Ye Xi 1 Fi Ye若沿 Y方向走一步 则 Xi 1 XiYi 1 Yi 1Fi 1 XeYi 1 YeXi 1 Xe Yi 1 YeYi Fi Xe由逐点比较法的特点 插补运动总步数n Xe Ye 利用n来判别是否到达终点 每走一步使n n 1 直至n 0为止 图2 6逐点比较法计算流程 其它象限的直线插补偏差递推公式 1 表2 2直线插补公式 坐标值带符号 其它象限的直线插补偏差递推公式 2 表2 3直线插补公式 坐标值为绝对值 三 实训内容 1 用逐点比较法插补直线OA 画出动点轨迹图 2 实训自测题课堂练习 各大题中的前五小题 四 课堂小结 通过本次课的教学 必须理解什么是插补 什么是逐点比较法 会用逐点比较法来插补任一象限的直线 能独立推导不同象限的插补函数 数控原理与编程实训 教师课时授课计划教师姓名课程名称数控原理与编程实训授课时数0 5天累计2天 课题二数控系统的工作原理 二 一 旧课复习1 什么叫插补 插补算法分为哪几类 2 试述逐点比较法的四个节拍 3 简述CNC装置的工作过程 二 新课的教学内容 1 圆弧插补逐点比较法中 通常以圆心为原点 根据圆弧起点与终点的坐标值来进行插补 如图2 8所示 图2 8逐点比较法逆圆插补 以第一象限逆圆为例 圆弧起点坐标为 Xo Yo 终点坐标为 Xe Ye 对于圆弧上任一点 Xi Yi 有Xi2 Yi2 R2令 F Xi2 Yi2 R2为偏差函数 当F 0时 该点在圆外 向 X方向运动一步 当F0的情况 插补运动始终沿着圆弧并向终点运动 与直线插补的判别类似 圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算 设当前点 Xi Yi 对应的偏差函数为 Fi Xi2 Yi2 R2当点沿 X方向走一步后 Fi 1 Xi 1 2 Yi2 R2 Fi 2Xi 1当点沿 Y方向走一步后 Fi 1 Xi2 Yi 1 2 R2 Fi 2Yi 1终点判别可由n Xe Xo Ye Yo 判别 每走一步使n n 1 直至n 0为止 其插补软件流程如图2 9所示 举例 插补起点 Xo 4 Yo 1 至终点 Xe 1 Ye 4 的一段圆弧 整个计算流程如教材表2 4所示 插补轨迹如图2 10所示 注重思路和方法的讲解 图2 10 表2 4圆弧插补计算表 2 象限处理 表2 5的进给脉冲分配表型 表2 5象限与进给脉冲分配对照 顺圆逆圆偏差计算公式表 表2 6顺圆逆圆偏差计算公式表 3 数字增量插补 在以直流伺服电机或交流伺服电机为驱动元件的闭环CNC系统中 一般都会采用不同类型的数据采样插补算法 数据采样插补一般分粗 精两步完成插补运算 第一步是粗插补 由软件实现 第二步是精插补 由硬件实现 用软件粗插补计算出一定时间内加工动点应该移动的距离 送到硬件插补器内 再经硬件精插补 控制电机驱动运动部件 达到预定的要求 插补周期T 相邻两次插补之间的时间间隔称为插补周期T 向硬件插补器送入插补位移的时间间隔称为采样周期 微小的进给直线段 进给步长 L L与编程速度代码F和插补周期T密切相关 即 L FT插补周期T的选择十分重要 正确选择插补周期 要考虑许多因素 主要有下面三个影响因素 插补运算时间 位置反馈采样周期 插补精度和速度 三 实训内容 1 用逐点比较法插补圆弧AB 画出动点轨迹图 2 实训自测题课堂练习 各大题中的后五小题 四 课堂小结 通过本次课的教学 必须学会用逐点比较法来插补任一象限的圆弧 能独立推导不同象限的插补函数 数控原理与编程实训 教师课时授课计划教师姓名课程名称数控原理与编程实训授课时数0 5天累计2 5天 课题二数控系统的工作原理 三 一 旧课复习1 什么叫圆弧插补 2 简述第三象限圆弧插补函数的建立 3 简述圆弧插补的象限处理过程 二 新课的教学内容 一 刀具半径补偿 二 刀具长度补偿的概念 一 刀具半径补偿 1 刀具半径补偿的概念1 用铣刀铣削工件的轮廓时 刀具中心的运动轨迹并不是加工工件的实际轮廓 如图2 5所示 由于数控系统控制的是刀心轨迹 编程时要根据零件轮廓尺寸计算出刀心轨迹 2 注意到零件轮廓可能需要粗铣 半精铣和精铣三个工步 由于每个工步加工余量不同 因此它们都有相应的刀心轨迹 3 另外刀具磨损后 也需要重新计算刀心轨迹 这样势必增加编程的复杂性 编程工作简化成只按零件尺寸编程 将加工余量和刀具半径值输入系统内存并在程序中调用 这样既简化了编程计算 又增加了程序的可读性 4 以按照零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置为依据 自动生成刀具中心轨迹的功能即称为刀具半径补偿功能 2 刀具半径补偿的计算 1 编程人员在程序中指明何处进行刀具半径补偿 指明是进行左刀补还是右刀补 并指定刀具半径 刀具半径补偿的具体工作由数控系统中的刀具半径补偿功能来完成 2 根据ISO规定 当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的右边时称为右刀补 用G42表示 反之称为左刀补 用G41表示 刀具半径补偿的执行过程 刀补建立即刀具以起刀点接近工件 由刀补方向G41 G42决定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长还是缩短一个刀具半径值 见图2 6所示 刀补进行一旦刀补建立则一直维持 直至被取消 在刀补进行期间 刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离 在转接处 采用伸长 缩短和插入三种直线过渡方式 刀补撤消 G40 即刀具撤离工件 回到起刀点 和建立刀具补偿一样 刀具中心轨迹也要比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离 刀具半径补偿仅指在指定的二维坐标平面内进行 平面的指定由G17 XY平面 G18 YZ平面 G19 XZ平面 表示 刀具半径值通过代码R来指定 图2 6刀补建立 3 B功能刀具半径补偿 1 B功能刀具半径补偿为基本的刀具半径补偿 它仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿 计算刀具中心的运动轨迹 2 对于直线而言 只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标 刀具中心轨迹即可确定 3 对于圆弧而言 圆弧的刀具半径补偿 需要计算出刀具中心轨迹圆弧的起点 终点和圆心坐标 如图2 7 正在加工的直线终点坐标为A X Y 假设上段程序加工完成后 刀具中心位于O 现需要计算刀具半径 R 补偿后直线O A 的终点A X Y 设终点刀具半径偏置矢量AA 的坐标投影为 X Y 则有因为故A 点的坐标为第二 三 四象限的刀具半径补偿计算可以类似推导 所差仅为 X与 Y的符号 直线的刀具补偿计算 图2 7直线刀具半径补偿图2 8圆弧刀具半径补偿 圆弧的刀具半径补偿计算 如图2 8 被加工圆弧的圆心在坐标原点 圆弧半径为R 圆弧起点A的坐标为 XO YO 圆弧终点B的坐标为 Xe Ye 刀具半径为r 假设上段程序加工完成后 刀具中心位于A 且坐标已知 那么圆弧的刀具半径补偿计算就是要计算出刀具中心圆弧A B 的终点坐标 Xe Ye 设BB 在两个坐标上的投影为 X Y 则有从而得到同样容易得到A 点的坐标为 4 C功能刀具半径补偿 1 B功能刀具半径补偿只根据本段程序进行刀补计算 不能解决程序段之间的过渡问题 编程人员将工件轮廓处理或圆角过渡 即人为地加上过渡圆弧 2 实际加工中 随着前后两段编程轨迹的连接方式不同 相应刀具中心的加工轨迹也会产生不同的连接方式 3 在普通的CNC装置中 所能控制的轮廓轨迹只有直线和圆弧 其连接方式有 直线与直线连接 直线与圆弧连接 圆弧与圆弧连接 各种转接方式 图2 9直线至直线左刀补情况 a b 缩短型转换 c 伸长型转换 d 插入型转换 二 刀具长度补偿的概念 1 刀具长度补偿是非常重要的概念 2 刀具长度补偿故名思义 它是用来补偿刀具长度差额的一种功能 3 当刀具磨损或更换后 加工程序不变 实际刀具长度与编程长度不一致时 只须更改程序中刀具补偿的数值 通过刀具长度补偿这一功能实现对刀具长度差额的补偿 4 在实际加工过程中 每一把刀的长度都不同 由于刀具长度补偿的存在 零点Z坐标会自动向Z 或Z 方向补偿刀具的长度 从而保证加工零点的正确性 三 实训内容 1 选择题 1 刀具