第三章_预备知识2-数控机床及编程基础

1、IE550发展历史发展历史 15th 世纪世纪 加工板料加工板料. 18th 世纪世纪 工业化工业化, 出现面向产品制造类型机床出现面向产品制造类型机床. 20th 世纪世纪- F.W. Taylor 刀具刀具 HSS（高速钢）（高速钢）自动生产设备自动生产设备 -螺纹加工机床螺纹加工机床传输线传输线装配线装配线.使用凸轮和棘轮使用凸轮和棘轮可编程自动机床可编程自动机床 -NCPLC机械手机械手 IE550新型新型 NC（CNC）高速主轴高速主轴 ( 20,000 rpm)高速进给装置高速进给装置 ( 600 ipm)高精度高精度 ( 0.0001英寸英寸)IE550NC 机床机床 计算机控制

2、计算机控制 伺服电机进行轴控制伺服电机进行轴控制 自动换刀具自动换刀具 自动切换托盘自动切换托盘 在机编程在机编程 数据通信数据通信 图形化界面图形化界面MCU机床机床CLUDPUMCU 加工控制单元加工控制单元CLU 控制循环单元控制循环单元DPU 数据处理单元数据处理单元IE550NC 运动控制运动控制N C P ro g ramE xe cu ti o nS y s te mIn te rp o l a to r &S e rv o -c o n tro lM e c h a n ismC o n tro l L o g i cL i n e ar M o ti o nP o w

3、 e rT ra n s la to rR e la yS o le n o idC o m m a n d sD im e n s io n sIE550NC NC 机床分类机床分类1 1、运动控制、运动控制: : 点位控制点位控制 (PTP)(PTP)和轮廓控制和轮廓控制2 2、控制循环、控制循环: : 开环和闭环开环和闭环3 3、动力驱动形式、动力驱动形式: : 液压液压, , 电气或启动电气或启动4 4、定位系统、定位系统: : 增量和绝对定位增量和绝对定位5 5、硬联、硬联 NC NC 和软联计算机数控和软联计算机数控 (CNC)(CNC)IE550点位控制点位控制l 以最大速度（以

4、最大速度（G00) point to pointG00) point to point移动。移动。l 要求目的点的精度，移动路径并不重要。要求目的点的精度，移动路径并不重要。l 例如：钻孔。例如：钻孔。IE550轮廓控制轮廓控制l 需要控制位移和速度。需要控制位移和速度。l 加工轮廓。加工轮廓。l 精度控制。精度控制。l 使用直线或圆弧插补。使用直线或圆弧插补。IE550NC机床的主要部件机床的主要部件Magnetics control cabinetControllerServo driveMachine tablePosition transducerLeadscrewG ear boxT

5、achometerMotorIE550NC 机床性能指标机床性能指标精度精度重复定位精度重复定位精度主轴和伺服电机功率主轴和伺服电机功率控制轴数量（控制轴数量（3 3轴、轴、4 4轴和轴和5 5轴等）轴等）工件最大尺寸工件最大尺寸机床和控制器的特点。机床和控制器的特点。 IE550NC 精度和重复定位精度精度和重复定位精度l NCNC机床精度机床精度- - 控制装置分辨率和硬件精度控制装置分辨率和硬件精度。l 分辨率分辨率-控制单元控制单元(BLU)(BLU)可识别的最小长度。可识别的最小长度。l 硬件误差硬件误差-由物理加工误差引起。由物理加工误差引起。 IE550硬件误差硬件误差l NC部

6、件不精确引起部件不精确引起: 包括机床零部件制造误差包括机床零部件制造误差, , 机床装配误差机床装配误差, ,主轴回主轴回转精度和丝杆间隙。转精度和丝杆间隙。l 加工操作引起加工操作引起: 刀具变形刀具变形 ( (切削力引起切削力引起) )和和 震动引起加工零件的尺震动引起加工零件的尺寸误差误差。寸误差误差。l 热误差热误差: 热源包括电机、切削过程，导轨与轴承的摩擦等。热源包括电机、切削过程，导轨与轴承的摩擦等。 解决方法：使用切削液解决方法：使用切削液, 驱动电机安装远离机床驱动电机安装远离机床, 减少导减少导轨及轴承的摩擦。轨及轴承的摩擦。IE550重复定位精度重复定位精度Avg. e

7、rrorProgrammed positionTest resultRepeatabilityIE550丝杆丝杆丝杆螺距螺母将回转运动转换成直线运动将回转运动转换成直线运动螺距螺距(p): 相邻牙之间的距离相邻牙之间的距离 每英寸牙数每英寸牙数 (n):n = 1 / pBLU: 基本长度单位基本长度单位 (机床分辨率机床分辨率)BLU = p / N例如：例如： 一台数控机床适用一台数控机床适用 0.1“ 丝杆丝杆 和和 100 pulse/rev 编码器编码器. BLU = p / N = 0.1 (in/rev) /100 (pulses/rev) = 0.001IE550控制方式控制方

8、式 开环控制开环控制 无位置反馈无位置反馈. 使用步进电机使用步进电机.如：如： 1 台机床的台机床的BLU = 0.001”，进给速度为，进给速度为6 ipm. 要将工作台沿要将工作台沿X轴移动轴移动 5“. 脉冲速率脉冲速率 = speed/BLU = 6 ipm/0.001 ipp = 6,000 pulse/min 需要发出脉冲数需要发出脉冲数 = distance/BLU = 5/0.001 = 5,000 pulsesmotortablepulsesIE550闭环控制闭环控制Reference pulses+DC MotorTacho- meterDifferential ampl

9、ifierEncoderUp-down counterAmpDAC_+Shaft闭环控制原理图闭环控制原理图IE550插补插补同时控制多轴沿直线、圆弧或曲线运动。同时控制多轴沿直线、圆弧或曲线运动。(3,2)(10,5)XYPoint-to-point 控制路径控制路径(3,2)(10,5)XY直线路径直线路径 Vy=6(5-2)(10-3)2+ (5-2)2= 6349+ 9= 2.3635 Vx=6(10-3)(10-3)2+ (5-2)2= 6749+ 9= 5.5149IE550插补器插补器l 通用插补器通用插补器: 直线和圆弧插补直线和圆弧插补 由于插补位于伺服电机之上，插补速度非常

10、重要；因此由于插补位于伺服电机之上，插补速度非常重要；因此插补过程应简单、不应涉及过多运算。插补过程应简单、不应涉及过多运算。l 传统传统NC插补器插补器: Digital Differential Analyzer (DDA)l 高级曲线高级曲线, 如如 Bezier曲线曲线, 使用离线近似算法将曲线分使用离线近似算法将曲线分成一系列直线或圆弧段。成一系列直线或圆弧段。IE550机床坐标系机床坐标系 右手法则右手法则 Z axis 沿着主轴方向：沿着主轴方向：+Z 沿远离工件或主轴的方向。沿远离工件或主轴的方向。 X axis 车床车床: 垂直于主轴垂直于主轴. 卧式车床卧式车床: 平行于工

11、作台平行于工作台. 立式车床立式车床: +X 指向朝右指向朝右.xyzxyzIE550机床坐标系机床坐标系XYZX - 主进给轴主进给轴Z - 主轴主轴Y - 第第2进给轴进给轴IE550NC程序存储程序存储l 纸带纸带 普通纸或尼龙涂层纸普通纸或尼龙涂层纸l 磁带磁带l 来自其他计算机来自其他计算机- RS 232C 或居于网或居于网 (LAN)IE550编码方式编码方式 ASCII 或或 ISO编码编码, 使用偶数位校验使用偶数位校验 EIA - Binary Coded Decimal (BCD), RS 244A 标准标准,使使 用奇数位校验用奇数位校验.IE550磁带输入格式磁带输入

12、格式l EIA RS-274 标准标准l 固定序列格式固定序列格式0010 01 07500 06250 00000 00000 612l 使用使用Tab键的序列格式键的序列格式T0010 T01 T07500 T06250 T T T612l 字字-地址地址 格式格式N0010 G01 X07500 Y06250 S612IE550NC代码字格式代码字格式一个一个 G代码程序代码程序 由以下符合（字）组成由以下符合（字）组成 :N, G, X, Y, Z, A, B, C, I, J, K, F, S, T, R, M EIA 标准标准, RS-273 定义了一系列标准编码定义了一系列标准编

13、码. IE550NCNC机床控制的基本规则机床控制的基本规则l准备函数（准备函数（G G指令）指令）: : 控制单元控制单元, , 插补插补, ,绝对绝对/ /相对编程相对编程, , 圆弧插补平面定义圆弧插补平面定义, , 刀具补偿等。刀具补偿等。l坐标系坐标系: : 三个平移和三个转动轴。三个平移和三个转动轴。l加工参数加工参数: : 进给和主轴速度。进给和主轴速度。l刀具控制刀具控制: : 刀具直径刀具直径, , 下一个刀号下一个刀号, , 换刀指令。换刀指令。l固定循环函数固定循环函数: : 钻削循环钻削循环, ,铰削循环铰削循环, ,镗削循环镗削循环, ,铣削循铣削循环环, ,待切削工

14、件安全平面高度定义。待切削工件安全平面高度定义。l冷却液控制冷却液控制: :冷却液冷却液on/off,on/off,洪水冷却洪水冷却, , 雾状冷却。雾状冷却。l辅助函数（辅助函数（PLCPLC实现实现): ): 主轴主轴 on/off, on/off, 倒磁带倒磁带, , 主轴转主轴转向向, , 变化托盘变化托盘, , 夹紧控制等。夹紧控制等。l插补器插补器: : 直线直线, , 圆弧插补。圆弧插补。IE550NC 字定义字定义N 指令指令. 序号序号 N0010 G 指令指令. 准备功能准备功能.IE550NC 字定义字定义X, Y, Z, A, B, C 指令指令. 刀具坐标位置刀具坐标

15、位置. 坐标可以给定浮点数坐标可以给定浮点数 (Decimal Programming), 或整型或整型 (in BLU Programming). BLU programming: leading zero, trailing zero. In the leading zero format: X00112 Y002275 Z001In the trailing zero format, the program looks like: X11200 Y22750 Z10000IE550NC 字定义字定义圆弧插值圆弧插值:(5.000,2.000)(7.000,2.000)N0100 G02

16、X7.000 Y2.000 I5.000 J2.000Cut from (5.000,4.000) to(7.000,2.000) CW(5.000,4.000)Full circle ONIE550NC 字定义字定义F 指令指令. 进给速度进给速度. 默认单位：默认单位：inch/min (ipm),或或 ipr. F指令应放在指令应放在 G01, G02, 或或 G03 被给定之后被给定之后. N0100 G02 X7.000 Y2.000 I5.000 J2.000 F6.00 S 指令指令. 切削速度切削速度. 默认单位：默认单位： rpm. S指令并不能启动机床主轴指令并不能启动机床

17、主轴, 主轴由主轴由M 指令控制指令控制. N0010 S1000IE550NC 字定义字定义T 指令指令. 刀具序列号刀具序列号. 注意：实际换刀在刀具的注意：实际换刀在刀具的M指令被给定之后指令被给定之后. R 指令指令. 循环参数定义循环参数定义. R plane Z pointInitial height12345(1,2,2)0.310.7 循环可以被给定在一条语句中，如：循环可以被给定在一条语句中，如： N0010 G81 X1.000 Y2.000 Z0.000 R 1.300IE550NC 字定义字定义M 指令，辅助功能定义指令，辅助功能定义. IE550手工编程手工编程例如：

18、例如： 加工一个外形尺寸加工一个外形尺寸 5“ x 4” x 2“ 的工件的工件. 材料：低碳钢材料：低碳钢. 工艺规划工艺规划:1. 设置零件左下角为机床零点设置零件左下角为机床零点 (floating zero programming).2. 用老虎钳夹持工件用老虎钳夹持工件. 用直径用直径3/4“的带四槽的端铣刀（碳钢）铣槽的带四槽的端铣刀（碳钢）铣槽. 从加工手册查知从加工手册查知, 推荐的进给速度是推荐的进给速度是 0.005 inch/tooth/rev,推荐推荐的切削速度是的切削速度是 620 fpm.4. 用直径用直径0.75“ 麻花钻钻两个孔麻花钻钻两个孔. 用用 0.18

19、ipr进给速度和进给速度和 100 fpm切切削速度削速度.1 .7 53 .0 0 05 .0 0 01 .0 0 03 .0 0 04 .0 0 0.7 5R 1 .0 0 02 h oles 0 .7 5 0 .0 0 1AB 0 .0 0 1 M A B2 .0 0 0CMIE550零件图零件图All dimension in inches. All tolerance 0.0011.753.0005.0001.0003.0004.000.75R1.0002 holes 0.75 0.0012.000.500AB 0.001 M A B2.000CMCIE550计算相关参数计算相关参数

20、 问题问题:切削参数需要转换成切削参数需要转换成 rpm 和和 ipm.铣削铣削: 钻削钻削: RPM = 12 VB D = 12 x 620 fpmB 0.75 inch = 3,157 rpmRPM = 12 VB D = 12 x 100 fpmB 0.75 inch = 509 rpmVf = f RPM = 0.018 ipr x 509 rpm = 9.16 ipmIE550安装工件和刀具路径安装工件和刀具路径Drill End millVise jawH1H2p1p8p7p6p5p4p3p2(0,0,0)(0,0,0)p9IE550计算刀具位置计算刀具位置 刀具每点的位置计算为

21、刀具每点的位置计算为:p1: ( 1.75+0.375, -0.1-0.375, 4.00) = (2.125, -0.475, 4.000)p1: (2.125,-0.475, 2.000-0.500) = (2.125,-0.475,1.500)p2: (2.125,4.000+0.100,1.500) = (2.125,4.100,1.500)p3: (3.000-0.375,4.100,1.500) = (2.625,4.100,1.500)p4: (2.625,1.375,1.500)p5: (3.000,2.000-1.000+0.375,1.500) = (3.000,1.375

22、,1.500)p6: (3.000,2.625,1.500)p7: (3.000,2.000,1.500)p8: (2.625,2.000,1.500)p9: (2.625,-0.100,1.500)p9: (2.625,-0.100,4.000)IE550零件程序零件程序 Part program ExplanationN0010 G70 G 90 T08 M06Set the machine to inch format and absolute dimension programming.N0020 G00 X2.125 Y-0.475 Z4.000 S3157 Rapid to p1.

23、N0030 G01 Z1.500 F63 M03Down feed to p1, spindle CW.N0040 G01 Y4.100Feed to p2.N0050 G01 X2.625To p3.N0060 G01 Y1.375To p4.N0070 G01 X3.000To p5.N0080 G03 Y2.625 I3.000 J2.000Circular interpolation to p6.N0090 G01 Y2.000To p7.N0100 G01 X2.625To p8.N0110 G01 Y-0.100To p9N0120 G00 Z4.000 T02 M05To p9,

24、 spindle off, tool #2.N0130 F9.16 S509 M06Tool change, set new feed and speed.N0140 G81 X0.750 Y1.000 Z-0.1 R2.100 M03Drill hole 1.N0150 G81 X0.750 Y3.000 Z-0.1 R2.100 Drill hole 2.N0160 G00 X-1.000 Y-1.000 M30Move to home position, stop the machine.IE550CNCS 仿真验证仿真验证IE550CNCS 3D 图图IE550刀具半径补偿刀具半径补偿

25、Start of Compensation. G41 (or G42) and G01 in the same block ramp takes place at block N0010.N0010 G01 G42 X0.500 Y1.700N0020 G01 X1.500G41 (or G42) and G01 in separate blocks the compensation is effective from the start.N0010 G41N0020 G01 X0.500 Y1.700N0030 G01 X1.500(a) G41 (b) G42G41G42G41G42(0.

26、5, 1.7)(1.5, 1.7)IE550刀具半径补偿刀具半径补偿Inside Corner. Cutter path is inside a corner, stops at the inside cutting pointN0010 G41N0020 G01 X1.500 Y2.000N0030 G01 X0.000 Y1.600Use of M96 and M97. Cutting tool that is larger than the height of the step, M97 must be usedN0010 G41N0020 G01 X1.000 Y1.000N0030

27、G01 Y0.800 M97N0040 G01 X2.000 G42G41M96G41M97(1.5, 2.0)(0, 1.6)IE550刀具半径补偿刀具半径补偿Cancel Tool Compensation. G40 in the same block ramp off block. N0060 G40 X2.000 Y1.700 M02G40 in a block following the last motion, the compensation is effective to the end point (2.000,1.700).N0060 X2.000 Y1.700N0070

28、G40 M02G41G42G40G41G42G40(2.000, 1.700)(2.000, 1.700)IE550刀具半径补偿实例刀具半径补偿实例A square 2.0 in. x 2.0 in. is to be milled using a 1/2 in. end milling cutter. Write an NC part program to make the square.SolutionLet us set up the lower left corner of the square at (6.0,6.0). Using tool-radius compensation, the square can be produced.2.0002.000(6,6)IE550PART PROGRAMPart ProgramN0010 G41