数控机床.PPT课件

1 第二章数控系统及工作原理 第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器 2 第一节概述 一 CNC系统组成和功用二 CNC装置的主要工作及过程初始化 输入 加工程序的执行 显示 故障自动检测和诊断 3 一 CNC系统组成和功用 CNC系统组成输入 输出设备 计算机数字控制装置 CNC装置或数控装置 可编程控制器 PLC 强电控制部分 主轴调速驱动单元及主轴电动机 进给伺服驱动单元及进给电动机 辅助装置电动执行器 位移与速度检测装置 4 1 输入 输出设备 I O 是操作者与数控系统进行人机交互 或其它外部信息处理设备与CNC系统进行信息交换的装置 常见的输入 输出设备有数控操作面板 机床操作面板 电子手轮 磁盘驱动器 通讯接口等 2 CNC装置和PLCCNC装置和PLC是CNC系统的核心 实现所有的控制功能 CNC装置实现系统的绝大多数控制功能 PLC协助其实现部分辅助控制功能 5 1 CNC装置CNC装置实质上是一台专用计算机 有封闭和开放两种结构 常用的是封闭结构 开放结构是发展方向 其任务是 接收输入信息 程序及工作参数存储 操作命令处理 程序指令的译码 逻辑分析 插补运算 运动轨迹控制信息输出 位控 辅助功能控制指令PLC处理 信息显示 信息交换 6 2 CNC系统中的PLCCNC系统中的PLC 有内置型和独立型两类 通过其本身的输入 输出端与机床操作面板 强电控制部分 主轴调速驱动单元 各种行程开关等相联接 其任务是 接收CNC装置控制指令 获得机床 操作面板信息等 逻辑运算及数值运算 处理结果信息分别输出 7 3 强电控制部分和辅助装置电动执行器强电控制部分由各种继电器及继电器驱动电路构成 是CNC系统的功率接口 其作用是对PLC输出的辅助功能控制信号进行隔离并功率放大 驱动辅助装置电动执行器 4 进给伺服驱动单元及进给电动机进给伺服系统包括进给伺服驱动单元 进给电动机 位置与速度检测装置等 是以位置 或位移 为控制目标的伺服控制系统 进给伺服单元接收来自CNC装置的运动轨迹控制信息 运动指令 经变换和放大后 驱动伺服电动机 再经机械传动机构传动机床工作台或刀具 实现程序规定坐标运动轨迹 8 5 主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速驱动单元 主轴电动机 转速检测装置构成以主运动速度为控制目标的自动控制系统 主轴调速系统 主轴调速驱动单元接收来自PLC的转速控制信息 转速指令 经变换和放大后 驱动主轴电动机运转 6 位移与速度检测装置在位置伺服系统中 位移与速度检测装置用于检测各坐标轴位置 或位移 和速度 并反馈给CNC装置和进给伺服驱动单元 或仅反馈给进给伺服驱动单元 在主轴调速系统中 速度检测装置用于检测主轴的转速 并反馈给主轴调速驱动单元 9 二 CNC装置的主要工作及过程 系统的初始化输入加工程序的执行显示故障自动检测和诊断 10 一 系统的初始化 当数控机床通电后 CNC数控装置和PLC将对各组成部分的状态进行检查和诊断 并进行初始状态设置 机床将自动返回参考点或提示操作者手动返回参考点 以便建立机床坐标系 显示机床刀架或工作台等的当前位置信息 同时处于准备接收各种数据和操作命令的状态 第一次使用的数控装置 必须进行机床参数设置 使CNC装置适应具体数控机床的硬件结构环境 11 二 输入 输入信息有零件加工程序 各种补偿值 各种参数及操作命令等 加工程序可通过MDI键盘输入 也可通过磁盘输入或采用通讯方式输入 输入的数据信息存放在CNC装置内存中 加工程序以文本格式 通常是ASC 码 存放在程序存储区 并可进行编辑和修改 12 三 加工程序的执行 对已输入CNC装置的零件加工程序 可选择手动 单段和连续三种运行方式来运行加工程序 在连续运行方式中 加工程序是按程序段逐段执行的 执行一段程序的主要工作过程包括 译码 数据处理 坐标变换 刀具补偿处理 进给速度处理 插补 位置控制和I O处理 13 1 译码译码就是根据规则对程序段的指令进行识别并转换成后续处理程序所要求的数据格式 并将其存放在指定的内存专用区 译码缓冲区 译码规则将程序段逐个字符读入 对每个字符逐个与该CNC装置规定使用的所有字符相比较 与哪个相等 就识别出该字符 作相应处理 如等于地址符 就将数据存储指针指向译码缓冲区中该地址符对应的存储单元 是数字 暂时存储 直到识别出下一个地址符 将前面识别出的数字组合 并转换要求的数值类型 按数据存储指针存储 14 译码缓冲区一个程序段的译码结果对应存放在一个译码缓冲区 设置若干个这样译码缓冲区 构成译码缓冲区组 每次译码都把译码缓冲区占满 这样每次可完成多个程序段译码 一个程序段的译码结果被后续程序完全取出后 其占用的译码缓冲区被释放 当释放的译码缓冲区达到一定个数 启动译码程序对加工程序剩余程序段译码 译码查错在译码过程中 要对程序段的语法错误和逻辑错误等进行检查 一旦发现错误 立即报警显示出来 15 2 数据处理数据处理主要针对有关轨迹运动的数据进行 又称为插补预处理 包括 坐标变换 刀具补偿处理 进给速度处理坐标变换在数控加工中允许采用多种坐标系 有机床坐标系 工件坐标系 绝对坐标值和增量坐标值等 这些坐标系相互之间是平行的 坐标原点之间相对位置是已知的 因此 它们的坐标关系是已知的平移变换 16 刀具补偿处理就是根据刀具补偿指令 刀补值和编程轨迹终点坐标计算刀位点轨迹终点坐标 经过刀具补偿处理后的数据存放在刀补缓冲区中 有 刀具位置补偿 刀具半径补偿 刀具长度补偿 三种刀具补偿的处理方法各不相同 译码 坐标变换 刀具补偿处理都是一次处理 没有严格的实时性要求 速度处理速度处理是根据编程指令速度F为后续插补运算及控制提供所需的数据 因采用的插补方法不同速度处理差别较大 速度处理后的数据存放在插补缓冲区中 速度处理除了加减速控制以外也是一次处理 没有严格的实时性要求 17 3 插补插补就是在一个程序段给出的运动轨迹起点和终点之间 根据进给速度 按运动先后顺序实时地计算出满足运动轨迹要求的若干中间点坐标 并以中间点坐标作为控制指令 由伺服系统驱动各坐标轴作进给运动 使刀具不断的经过已经计算出来的中间点 走出程序给出的轨迹 插补是实时性要求很强的计算工作 是以一个中间点计算为周期的循环工作 直到轨迹的终点 18 4 位置控制在开环系统中 位置控制的任务只是将CNC装置的插补运算结果以指令脉冲的形式输出 在闭环和半闭环系统中 位置控制的任务包括 将插补运算结果作为指令位置 与检测装置反馈的实际位置相比较 生成位置跟随误差 通过位置调节器将位置误差变换成速度指令 19 不同CNC装置所承担的伺服控制任务是有差别的 有些不承担进给伺服控制任务 到工作界面1为止 常见的承担部分位置控制任务 其功能范围到工作界面2 完成位置跟随误差计算 也有的功能范围到工作界面3 则除进行位置跟随误差计算外 还要实现位置调节5 开关量控制开关量控制的任务是将译码缓冲区中有关机床主运动和辅助功能控制的各开关量控制数据传送到PLC内存中 由PLC处理和执行 20 四 显示 CNC系统通过数控操作面板显示器将系统大量信息显示给操作者 供程序输入 编辑 修改和存储 参数输入 运行操作 监视系统运行状态等使用 显示的内容有 零件加工程序 轴坐标值 操作菜单和提示 诊断结果 补偿值 机床参数等以文本形式显示 软功能键 形象提示 运动轨迹等以图形显示 在机床操作面板上还设有许多状态指示灯 用于指示机床各种状态 作为对显示器的补充 这部分任务是由PLC完成的 21 五 故障自动检测和诊断 现代CNC系统都具有故障检测和诊断功能 有联机诊断和脱机诊断两种方式 联机诊断分开机诊断和运行诊断 是CNC系统正常运行时的自动诊断 联机诊断可通过显示器显示故障编号及其简要说明 对具有破坏性的故障 能够立即中止加工 进入急停状态 发出报警信号 脱机诊断是通过各种脱机诊断程序对CNC系统进行的专门诊断 脱机诊断可以采用远程通信方式进行 22 第二节数控插补原理 插补的基本概念基准脉冲插补数据采样插补 23 一 插补的基本概念 1 插补的定义CNC装置按程序给出的线形和参数 自动控制进给坐标轴 最终实现刀具按相应的轨迹运动 在这个从起点到终点自动控制过程中 数控系统必须按运动先后顺序实时地 由进给速度要求的实时性 计算出满足线形要求的若干中间点坐标 这些中间点坐标作为各坐标轴的位置控制指令 由伺服系统驱动 使坐标轴进给运动 最终使刀具不断的经过已经计算出来的中间点 走出程序给出的线形 所谓插补就是根据给定的运动轨迹线形和给定进给速度 采用一定的计算方法 在运动轨迹的起点和终点之间 计算出满足预定要求的中间点 采用的具体计算方法称为插补算法 或插补方法 24 2 有关插补的几个说明具体的CNC装置能够实现哪些线形插补 因系统不同而有差别 绝大多数的CNC装置都具有直线和圆弧插补功能 由于数字化 实际刀具运动轨迹是由多段小线段构成的折线形状 与插补算法和允许的逼近误差有关 使用数控机床加工零件时 若零件轮廓形状是由直线和圆弧基本线型 或是该数控机床具有的插补线形构成时 则可利用CNC系统提供的插补功能直接编程 若零件轮廓形状是非直非圆曲线 列表曲线 自由曲面 则需要用直线或圆弧对零件零件轮廓进行拟合或逼近 再用拟合轮廓进行编程 在CNC装置中 能实现插补计算工作的电路和程序统称为插补器 目前使用的CNC装置插补都是软件插补 在数控技术发展过程中 出现了很多插补运算方法 一般可把插补算法归纳为两大类 即基准脉冲插补和数据采样插补 25 二 基准脉冲插补 基准脉冲插补又称为脉冲增量插补或行程标量插补 这种方法的主要特征是 在按顺序循环计算运动轨迹中间点的过程中 每次计算输出是下一中间点与当前中间点的各坐标轴坐标增量 并以脉冲形式输出 驱动各坐标轴进给的 同时控制每次计算各坐标轴坐标增量不大于系统脉冲当量即每次计算输出给各坐标轴的进给脉冲 或者是一个 或者没有 这样在运动轨迹的起点和终点之间 中间点个数就是已知 循环计算次数也就已知 通过控制每次计算的时间 就可控制总插补时间 从而控制运动速度 在数控系统中 一个指令脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量 通常用 表示 是机床坐标轴最小位移单位 基准脉冲插补主要用于步进电机驱动的开环系统 也用于数据采样插补中的精插补 基准脉冲插补的方法很多 如 脉冲乘法器 逐点比较法 数字积分法 矢量判别法 比较积分法 最小偏差法 单步追踪法等等 26 1 逐点比较法插补的基本原理首先要判断刀具点与其要求的运动轨迹的偏离情况 具体方法是根据要求的运动轨迹设计一个偏差函数 该偏差函数是刀具坐标的函数 其函数值反映出偏离情况 根据上面判断的结果 控制刀具在一个坐标轴的一个方向产生一个脉冲当量的位移 即发出一个进给脉冲 用刀具点新坐标重新计算偏差函数的值 并判断刀具点是否到达轨迹的终点 归纳其插补工作步骤 得出每个插补循环由偏差判别 进给 偏差函数计算和终点判别四个工作节拍组成 27 2 逐点比较法直线插补讨论XOY平面上第一象限直线的插补 如图2 4所示 直线OA 起点O 0 0 终点A Xe Ye 坐标单位为脉冲当量 1 偏差函数加工时刀具点为P Xi Yi 由直线OA方程 设计偏差函数为点P在直线上 Fi 0 点P在直线上方 Fi 0 点P在直线下方 Fi 0 28 2 进给脉冲分配进给脉冲分配应使对应的轴位移的结果纠正刀具点P Xi Yi 已有的偏离 显然应该是 点P在直线上方 Fi 0 向X轴正方向走一步 简记为 X 点P在直线下方 Fi 0 向Y正方向走一步 Y 点P在直线上 Fi 0 按点P在直线上方情况处理 X 3 偏差函数的递推计算向X轴正方向走一步 有向Y轴正方向走一步 有 4 终点判别用插补循环的总步数来判断 总步数E 显然有 每进行一步插补循环 就使总步数E减1 当E等于0时 到达终点 插补结束 29 5 逐点比较法直线插补举例例插补计算图示第一象限直线OA 起点O 0 0 终点A 5 3 插补计算过程如下 刀具运动轨迹如图 30 3 逐点比较法圆弧插补数控装置仅能对平行于坐标平面上的圆弧进行插补 下面讨论刀具运动轨迹为XOY平面上第一象限逆时针圆弧的插补 见图 圆弧AB 起点A X0 Y0 终点B Xe Ye 坐标单位为脉冲当量 1 偏差函数加工时刀具点为P Xi Yi 由圆弧方程 取偏差函数为当点P在圆弧上 Fi 0 当点P在圆弧外 Fi 0 当点P在圆弧内 Fi 0 31 2 进给脉冲分配当点P在圆弧外 向X轴负方向走一步 X 当点P在圆弧内 向Y轴正方向走一步 Y 当点P在圆弧上 按点P在圆弧外情况处理 X 3 偏差函数的递推计算若Fi 0 向X轴负方向走一步 X 有 若Fi 0 向Y轴正方向走一步 Y 有 4 终点判别用插补循环总步数来判断是否到达终点 插补循环总步数E 显然有 每进行一步插补循环 就使总步数E减1 当E等于0时 到达终点 插补结束 32 5 逐点比较法圆弧插补举例例插补计算图2 7所示第一象限逆时针圆弧 起点A 5 0 终点B 0 5 插补计算过程如下 刀具运动轨迹如图 33 4 其它直线和圆弧的处理对于其它象限的直线插补和圆弧插补 取与上面相同的偏差函数 仿照上面的分析方法 分别推导其偏差函数递推计算公式 合理分配进给脉冲 将刀具的偏差和进给脉冲分配情况用图直观地表示出来 这样对于四个象限的直线插补 会有4种脉冲分配方案及4组偏差递推公式 对于4个象限的逆时针圆弧插补和4个象限的顺时针圆弧插补 会有8种脉冲 5 课内思考 1 画出第一第一象限的直线和逆时针圆弧插补原理流程框图2 讨论抛物线Y2 2PX的基准脉冲插补 34 注意 1 直线插补对应的指令为G01圆弧插补对应的指令为G02 G032 在编写沿某轨迹切削加工时 一定要用插补指令 这样才能保证按指定的轨迹切削 35 三 数据采样插补 1 基本原理为获得更高的进给速度 同时又要保证轨迹控制精度 现代CNC系统采用软件插补或软 硬件插补 将插补分为两步进行 第一步为粗插补 采用数据采样插补 先将加工轨迹分割为若干等长线段 软件 第二步为精插补 将轮廓步长的直线段采用的基准脉冲插补 再插入若干点 进一步进行数据密化 软件或硬件 36 数据采样插补 数字增量插补 时间分割插补或时间标量插补 基本思想 插补周期T 把指定按进给速度F加工一段直线或圆弧的整段时间细分为若干相等的时间间隔 轮廓步长 L FT 按插补周期T和进给速度F将加工轨迹L分割成若干直线段 注意 1 若加工轨迹L为直线 则直接计算每段 L的起点和终点坐标 2 若加工轨迹L为圆弧 则每段 L为圆弧的内接弦线或割线 计算起点和终点坐标 37 2 插补周期与轨迹运动精度 速度的关系 1 在直线插补时 是用小直线段逼近直线 它不会产生逼近误差 2 在圆弧插补时 当采用弦线对圆弧进行逼近时 最大径向误差为 有 当采用割线对圆弧进行逼近时 有 圆弧插补时的径向误差 与R成反比 而T和F的平方成正比 当F和R一定时 插补周期T越小 逼近误差 就越小 当 给定及插补周期T确定之后 可据加工圆弧半径R选择进给速度F 以保证逼近误差 不超过允许值 38 3 插补周期的选择 插补周期T应为位置控制周期的整数倍 原因 CPU除了完成采样插补运算外 还要执行显示 监控和位置控制等实时任务 所以插补周期T必须大于插补运算时间与完成其它实时任务时间之和 采样插补运算的输出是位置控制的输入 因此 插补周期应是位置控制周期整数倍或相等 倍数为1 这样才能使插补运算与位置控制协调工作 例如 美国A B公司7300系列 插补周期和位置控制周期相同日本FANUC7M系统的插补周期是位置控制周期的2倍 39 4 数据采样法直线插补建立与机床坐标系平行的插补计算坐标系 坐标系原点选在直线起点上 如图示 刀具运动轨迹为XOY平面上的直线OA 起点O 0 0 终点A Xe Ye 指令进给速度F 插补周期T 合成进给量 L FT 刀具运动轨迹直线OA分割为若干个插补周期轮廓步长 L 每个插补周期轮廓步长 L小直线段都与直线OA重合 与坐标轴夹角等于直线的倾角 在两坐标轴投影 X Y是固定的 有 1 当终点A的X轴坐标值很小 即Xe很小 由于字长是一定的 相对舍入误差很大 极端情况是Xe很小 但不为0 而cos 计算结果为0 2 当 Ye Xe 时 若 X存在计算误差 对误差有放大作用 尤其是 Ye Xe 时 误差被极大放大 计算结果误差很容易超差 解决上述问题很简单 只要限制 Xe Ye 而对 Xe Ye 的情