09-10第一学期数控技术基础48VIP

1、教 案2009 2010 学年 第一学期系 教 研 室 机械工程系数控教研室课 程 名 称 数控原理与系统专业、年级、班级 07机电一体化1.2 教 师 姓 名 周延昌 教 师 职 称 讲师 黑龙江工商职业技术学院课程类型必修课院级公共课（ ）；基础或专业基础课（ ）；专业课（）选修课限选课（ ）；任选课（ ） 授课方式课堂讲授（）；实践课（ ）考核方式考试（ ）；考查（）课程教学总学时数48学时学时分配课堂讲授46学时； 实践课4学时教材名称数控原理与数控系统出版社及作 者机械工业出版社 王爱玲主编指定参考书作 者出版社出版时间1数控原理2机床数控技术3数控机床故障诊断与维修4数控原理与系统

2、郭文成邵俊鹏夏庆观郑晓峰机械工业出版社哈尔滨工业大学出版社高等教育出版社机械工业出版社2003.41999.92005.122005.3第1 2周 第1 2 3 次课 年 月 日章节名称第一章 第一节 机床数字控制的基本原理第一章 第二节 机床数控系统的分类第一章 第三节 机床数控技术的发展授 课方 式理论课（）；实践课（）；实习（）教学时数6教学目的及要求1、掌握数控的概念2、初步掌握数控机床几种分类方法3、了解数控机床发展史教学重点与难点数控系统的组成及各部分作用教学手段课堂讲授教学 主 要内容时间分配复习思考题数控系统各部分与那些课程相关小结第一节 机床数控的基本原理一. 数控技术数控技

3、术：用数字化信息进行控制的自动控制技术数控机床：采用数控技术控制的机床（装备了数控系统的机床）数字控制（NC）模拟控制模拟量数字量特点：1.不同的字长代表不同的精度，表达准确 2.可以进行逻辑、算术运算和信息处理 3.具有逻辑处理功能，用软件来改变信息处理的过程和方式，不用改变电脑和机械部分，实现了柔性化数控逻辑处理主要用于机械系统开关量的控制，硬件基础：数字逻辑电路计算机数控系统（CNC） 微机数控系统（MNC）二. 加工过程和特点加工信息信息输入信息处理伺服执行机床切削信息反馈加工过程总共可分为5步：1. 将工件的几何信息和工艺信息数字化2. 按规定的代码和格式编制数控加工程序3. 用适当

4、的方法将加工程序信息输入数控系统4. 数控系统根据输入的加工程序信息惊醒信息处理，计算出轨迹和速度5. 将处理结果输入到机床的执行部件，控制机床运动部件按预定轨迹和速度运动其中信息处理、信息输入、伺服执行为数控系统工作的三个基本过程。加工一个零件所需的数据和操作指令够成了加工程序（加工程序=符号+数字）。加工程序可以通过键盘、通讯接口（RS232）输入数控系统中，也可以通过输入介质（穿孔纸带、磁带、磁盘）。输入介质上的信息以程序段的形式排列。尺寸按每一个运动轴给出，切削、进给速度及切削液的通断、主轴回转方向等按表面粗糙度和公差要求编程。每执行完一个程序段刀具就完成一部分切削。1. 信息处理是数

5、控系统的核心部分。主要是识别每个输入介质中每个程序段的加工数据和操作指令，进行换算和插补。插补：根据程序信息计算相互运动轨迹的许多中间点的坐标。 计算轨迹的过程（数据的密化）2. 伺服执行部分作用是将插补输出的位移信息转换成机床的进给运动。伺服驱动元件：功率步进电机、交流步进电机等与传统机床的比较：手工操作，只能加工外形简单，精度低的零件，精度因人而异，不能加工多维的零件。优点：1.柔性2.一致性好3.生产周期短4.可以制造复杂零件5.调整时间少6.有空闲时间。缺点：1.造价高2.需要专业的维护和编程人员第二节 数控系统的分类 一. 点位、直线、轮廓切削控制1. 点位：工件相对刀具运动，直到加

6、工程序规定位置为止，运动过程中不进行切削。只控制最终位置，对运动轨迹无要求，为精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，再减速使之趋近定位点。2. 直线：可控制若干轴，但每个轴单独不联动。不仅控制定位精度还控制运动速度。只能沿平行于坐标轴的直线进行切削。3. 轮廓切削：数控系统的几个坐标轴连动，使工具相对于刀具按程序规定的轨迹、速度运行按控制的轴数分：2轴联动，3轴2联动，3轴联动，4轴，5轴联动。二. 伺服系统控制回路1. 开环系统：没有检测反馈装置，精度不高。 伺服元件：功率步进点电机机床工作台人机接口步进电机驱动电路步进电机微机插补器特点：工作稳定，调试方便，维修简单，价格低廉。在经济型数

7、控机床中广泛使用，控制精度取决于步进电机和丝杠精度2. 闭环系统检测元件在机床的最终运动部件上。插补器位置控制速度控制单元电动机机床工作台检测反馈插补指令位置值与反馈实际位置值相比较，调节电机转速，进行误差修正。机械传动环节的摩擦特性，刚性，间隙都是非线性的，包含在位置环中，造成系统的不稳定性。精度很高，加工精度取决于检测环节的精度。3. 半闭环系统为了消除非线性对系统稳定性的影响，将检测环节安装在电动机或丝杠的端部，可获得稳定的控制特性，满意的精度。三功能水平分类高中低三挡水平高低有主要技术参数，功能指标，关键部件的功能水平来决定。第三节 机床数控技术的发展一. 发展过程1952年 美国麻省

8、理工 三坐标联动实验型数控铣床1970年 第一台CNC1965年 我国开始研制晶体管数控系统 81年批量生产数控伺服二. 发展趋势1. 微机的发展 专用到通用2. 伺服系统的发展 前馈控制技术：原来的指令与实际位置的误差乘以增益作为速度指令控制电机转速。缺点：位置跟踪滞后前馈控制技术=控制系统+速度指令控制 动静摩擦的非线性控制 软件控制速度环和位置环 高分辨力的位置检测装置 补偿技术的应用3. 编程的发展 由脱机到在线 特殊工艺方法和组合工艺方法的程序编制 可以同时处理几何信息和工艺信息4. 检测和监督5. 自适应控制的应用自动校正自身的工作参数以达到或接近最佳的工作状态。第2 3 4周 第

9、4 5 6 7次课 年 月 日章节名称第二章 第一节 数控编程概述第二章 第二节 坐标系统第二章 第三节 数控编程的工艺处理和数字处理第二章 第四节 数控编程典型实例 授 课方 式理论课（）；实践课（）；实习（）教学时数8教学目的及要求1、掌握数控编程的基础知识2、掌握数控编程的基本过程3、了解典型零件的编程教学重点与难点典型零件的编程教学手段课堂讲授教学 主 要内容时间分配复习思考题对于不同数控机床如何建立坐标系小结第一节 数控编程概述一数控编程的概念数控编程：是指在数控机床上加工零件时，要把待加工零件的全部工艺过程，工艺参数和位移数据，以代码的形式记录在控制介质上，用控制介质上的信息来控制

10、机床，实现零件的全部加工过程，我们将从零件图纸到获得数控机床所需的控制介质的全部过程，称为程序编制。二数控编程的种类1手工编程利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。2自动编程利用通用的微机及专用的自动编程软件，以人机对话方式确定加工对象和加工条件，自动进行运算和生成指令。对形状简单（轮廓由直线和圆弧组成）的零件，手工编程是可以满足要求的，但对于曲线轮廓，三维曲面等复杂型面，一般采用计算机自动编程。目前中小企业普遍采用这种方法，编制较复杂的零

11、件加工程序效率高，可靠性好。3CAD/CAM利用CAD/CAM系统进行零件的设计、分析及加工编程。该种方法适用于制造业中的CAD/CAM集成系统，目前正被广泛应用。该方式适应面广、效率高、程序质量好，适用于各类柔性制造系统和集成制造系统，但投资大，掌握起来需要一定时间。三手工编程的内容和步骤 分析零件图纸。 确定工艺过程。 设计工夹具。 数值计算。 编写程序单。 制备控制介质。 校对检查控制介质。 首件加工。校验结束后，必须在机床上试加工。如果加工出来的零件不合格，需修改，直到加工出满足图纸要求的零件为止。四数控加工程序的组成结构与格式(一)加工程序的组成结构加工程序主要由程序号、程序段和程序

12、结束等组成。1程序号程序号就是给零件加工程序一个编号，并说明该零件加工程序开始。常用字符“%”或“O”或“P”及其后4位十进制数表示，例如“%××××”、或“O××××”或“P××××”，究竟用“%、O、P”，要根据具体的机床来确定。程序号可以从00019999，但存入数控系统中的各零件加工程序号不能相同。2程序段程序段是由一个或若干个程序字组成，程序字通常是由英文字母表示的地址符和地址符后面的数字和符号组成。程序字是控制数控机床完成一定功能的具体指令。例如 ：O1234N1

13、00 G92 X25 Y45 Z15G00 Z2M30上面每一行称为一个程序段，N100、G92、X25等都是一个程序字。3程序结束程序结束可作辅助功能代码M02、M30，用来结束零件加工。(二)程序段格式程序段格式是指程序段的书写规则。它分为可变程序段格式和。固定程序段格式1可变程序段格式可变程序段格式分使用地址符的可变程序段格式和使用分隔符的可变程序段格式1）使用地址符的可变程序段格式这种格式又称地址格式。它以地址符为首，其且由一串数组成序号字与各种数据字，若干个字构成程序段并以结束符结束。在这种格式中，如上一段程序已写明，本程序段里又不必变化的那些字仍然有效，可以不再重写。在尺寸字中可只

14、写有效数字，不必每个字都写满固定位数。用这种格式写出的各个程序段长度与数据全数都是可变的，故称为可变程序段格式。例如：N10 G00 G54 X25 Y45 Z15N20 Z20 M05一般格式：N_ G_ X_ Y_ Z_ F_ S_ T_ M_ U_ V_ W_2）使用分隔符的可变程序段格式这种格式预先规定了输入时所有可能出现的字的顺序，这个顺序中每个数据字前有一个分隔符B，这样就可以不再使用地址符，而只要按预定顺序，把相应的一串数字跟在分隔符后面就可以了。例如 ： B X B Y B J G Z 使用分隔符的可变程序段格式的长度，数据字的个数也是可变的。尺寸数字中只填写有效数字，重复的字

15、可以略去。但应注意，原来排在那些略去字前的分隔符不能略去，程序中若出现连在一起的两个分隔符，则表明其间略去一个数据字。2固定程序段格式这种格式不使用地址符，也不使用计数有的分隔符，它规定了在输入中所有可能出现的字的顺序，也规定了各个字的位数。对重复的字不能省略，一个字的有效位数少时，要在前面用“0”补足规定的位数，因为程序段中的字数及每个字的位数都是固定的，所以按这种格式书刊号写的各程序段长度都一样，这种格式也允许用分隔符将字隔开，但这时分隔符只起将字隔开，使程序段清晰的作用，对程序本身不起作用。例如： 10 00 54 25 45 15(三)程序段的组成程序段是由程序段号、地址符、数据字符号

16、组成，如前面的例子： N10 G00 G54 X25 Y45 Z15，其中N、G、X、Y、Z均为地址符。N：程序段号，G：准备功能，X、Y、Z：坐标地址符，10、00、54、25、45、15均为数据字。在程序段中表示地址的字母可以分为尺寸字地址和非尺寸字地址。尺寸字的地址可用以下字母表示：X. Y. Z. U. V. W. P. Q. I . J. K. A. B. C. D. E. R. H，非尺寸字的地址用以下字母表示：N G F S T M L O第二节 坐标系统1准备功能准备功能又称G功能、G指令或G代码。它是用来指定机床进行加工运动和插补方式的功能。由地址符G和后面的两位数字来表示，

17、从G00至G99共有100种。1） ISO标准中一部分代码未规定其意义，未指定的G指令可留待将来修改标准时再予指定。2） 另一部分为永不指定其含义，即使将来修改标准时也不予指定。不指定的G代码可用作特殊用途。G代码有两种状态：模态和非模态G代码。非模态G代码：只在本程序段中有效，在下一程序段中无效。模态G代码：具有续效性，不但在本程序段中有效，在后续程序中，只要同组其他G代码未出现之前一直有效。G代码按其功能不同分为若干组，不同组的G代码在同一程序段中可以指令多个。例如G90 G17 G01 X10 Y10在上面的程序段中出现了三组G代码。但是不能在同一程序段中指定两个或两个以上属于同一组的G

18、代码。2辅助功能辅助功能又称M功能：它是指定机床做一些辅助动作的代码。例如，主轴的旋转、冷却液的开关等等。它由地址M及两位数字组成，从M00M99共100种。常用的辅助功能的简要说明：1) M00程序暂停：机床所有动作均被切断，重新按动程序启动按钮后，再继续执行后面的程序。2) M02程序结束：表示程序内所有指令均已完成，切断机床所有动作，机床复位。但程序结束后，不返回到程序开头的位置。3) M30程序结束：除完成M02的内容外，还自动返回到程序开头的位置，为加工下一个工件作好准备。4) M03主轴顺时针方向旋转5) M04主轴逆时针方向旋转6) M05主轴停转7) M06自动换刀8) M08

19、冷却液打开9) M09冷却液关闭10) M13主轴顺时针方向旋转的同时冷却液打开11) M14主轴逆时针方向旋转的同时冷却液打开虽然在ISO标准和国标中规定了G、M代码的功能，但由于制造数控机床的厂家众多，有的为本厂的方便，还可以自行规定G、M代码功能。因此，对于具体的机床来说，G、M代码也不完全一样。3进给功能进给功能也称F功能，由地址符F和数字组成。进给功能：指定刀具每分钟的进给距离。进给功能的单位是mm/min。例如F130，刀具以每分钟130mm的速度进给。4主轴转速功能主轴转速功能：也称S功能，指定主轴每分钟的旋转速度r/min.5刀具功能也称T功能。表示选择刀具和刀补号。用字母T，

20、后跟两位或四位数字。二标准坐标（机床坐标）系的规定在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定机床上成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和运动的距离，这就需要一个坐标系才能实现，这个坐标系就称为机床坐标系。(一)机床坐标系。标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系。这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行，它与安装在机床上，并且按机床的主要直线寻轨找正的工件相关。根据右手螺旋方法，我们可以很方便地确定出A、B、C三个旋转坐标的方向。(二)运动方向的确定机床的某一运动部件的运动正方向规定为增大工件与刀具之间距离的方向。1Z坐标的运动.Z坐标的运动由传递切削力的主轴决定，

21、与主轴轴线平行的标准坐标轴为Z坐标.若机床没有主轴（如刨床等）则Z坐标垂直于工件装卡面。.若机床有几个主轴可选择一个垂直于装卡面的主要轴作为主轴以它确定Z坐标Z坐标的正方向是增加刀具和工件之间的距离的方向。如在钻镗加工中，钻入或镗入工件的方向是Z的负方向。2X坐标的运动X坐标的运动是水平的，它平行于工件装卡面，它是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。(1) 在没有回转刀具和没有回转工件的机床上（如牛头刨床），X坐标平行于主要切削方向，以该方向为正方向。(2) 在有回转工件的机床，如车床、磨床等，X运动方向是径向的，而且平行于横向滑座，X的正方向是安装在横向滑座的主要刀架上的刀具离开工件回转中心

22、的方向。(3) 在有刀具回转的机床上（如铣床）如Z坐标是水平的（也就是说主轴是卧式的），当由主要刀具主轴向工件看时，X运动的正方向指向右方。(4) 若Z坐标是垂直的（主轴是立式的），当由主要刀具主轴向立柱看时，X运动正方向指向右方。对于桥式龙门机床，当由主要主轴向左侧立柱看时，X运动的正方向指向右方。3Y坐标的运动Y的正向根据X和Z的运动按照右手笛卡尔坐标系来确定。姆指代表X轴，中指代表Z轴，那么食指所指的方向即为Y轴。4旋转运动，按照右旋螺纹前进的方向。拇指代表轴的正方向，其余四指的回转方向即为旋转运动的正方向。5工件的运动。对于移动部分是工件而不是刀具的机床，必须将前面所介绍的移动部分是刀

23、具的各项规定，在理论上作相反的安排。第三节 数控编程的工艺处理和数学处理一工序的划分在数控机床上加工零件，工序可以较集中。在一次装卡中，应尽可能完成全部工序工序划分的方法有：1）按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，多采用按刀具集中工序的方法加工零件。就是用同一把刀加工完成零件上加工要求相同的部位后，再换另一把刀来加工其他部位。2）按粗、精加工划分工序。根据零件形状尺寸精度以及零件刚度和变形等因素，可按粗、精加工分开的原则划分工序，先粗加工，后精加工。3）按先面后妃的原则划分工序。在零件上既有面加工，又有孔加工时，可先加工面，后加工孔，按这种方法划分工序，可

24、以提高孔的加工精度。二零件的装夹方法在数控机床上加工零件，由于工序集中，往往是在一次装夹中就要完成全部工序。数控机床上应尽量采用组合夹具，必要时可以设计专用夹具。无论是采用组合夹具还是设计专用夹具，一定要考虑数控机床的运动特点，注意零件和机床座标系的关系。设计专用夹具，应注意以下几点：1）选择合适的定位方式。2）确定合适的夹紧方法。3）夹具结构要有足够的刚度和强度三对刀点和换刀点的确定（一）对刀点：是指在数控机床上加工零件时，刀具相对零件运动的起始点。对刀点应选择在对刀方便、编程简单的地方。1对于采用增量编程坐标系统的数控机床，对也点可选在零件孔的中心上、夹具上的专用对也孔上或两垂直平面（定位

25、基面）的交线（即工件零点）上，但所选的对也点必须与零件定位基准有一定的坐标尺寸关系，这样才能确定机床坐标系与工件坐标系的关系。2对于采用绝对编程坐标系统的数控机床，对刀点可选在机床坐标系的机床零点上或距机床零点有确定坐标尺寸关系的点上。因为数控装置可用指令控制自动返回参考点（即机床零点），不需人工对刀。但在安装零件时，工件坐标系与机床体系必须要有确定的尺寸关系。3对刀时，应使刀具刀位点与对刀点重合。所谓刀位点，对于立铣刀是指刀具轴线与刀具底面的交点；对于球头铣刀是指球头铣刀的球心；对于车刀或镗刀是指刀尖。（二）换刀点换刀点应设在工件的外部，避免换刀时碰伤工件。一般换刀点选择在第一个程序的起始点

26、或机械零点上。1.对具有机床零点的数控机床，当采用绝对编程体系编程时，第一个程序就是设定对刀点坐标值，以规定对也点在机床体系中的位置。2.当采用增量编程体系编程时，第一个程序段则是设定对也点到工件体系坐标原点（工件零点）的距离，以确定对刀点与工件坐标系间的相对位置关系。四确定走刀路线加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。1确定的加工路线应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。.当铣削平面零件外轮廓时，一般是采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，而应沿外廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的刻痕，保证零件曲线平滑过渡。.在切离工件时，

27、应避免在工件的轮廓处直接退刀，要沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。.铣削封闭的内轮廓表面时，因内轮廓曲线不允许外延，刀具只能沿轮廓曲线的法向切入和切出，此时刀具的切入和切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。.在轮廓铣削过程中要避免进给停顿，否则会因铣削力突然变化而在停顿处的轮廓表面上留下刀痕。1.为提高零件尺寸精度和表面粗糙度，当加工余量较大时，可采用多次进给切削的方法，最后精加工留较少余量，一般留0.20.5mm作精加工余量。2为提高生产效率，在确定加工路线时应昼缩短加工路线，减少刀具空行程时间3为减少编程工作量，还应使数值计算简单，程序段数量少，程序短。五加工余量的选择数控机床加

28、工余量的大小等于每个中间工序加工余量的总和。工序间的加工余时的选择应根据下列条件进行：1尽量采用最小的加工余量总和，以求缩短加工时间，降低零件的加工费用。2应有足够的加工余量，特别是最后的工序，加工余量应能保证达到图纸上所规定折表面粗糙度和精度要求。3决定加工余量时，应考虑到零件热处理引起的变形，否则可能产生废品。4决定加工余量时，应考虑被加工零件的大小。零件越大，由于切削力、内应力引起的变形变会越大，因此要求加工余量也相应地要大一些。5决定加工余量时应考虑加工方法和设备的刚性，以及零件可能发生的变形。过大的加工任意一也会由于切削搞力的增加而引起零件的变形。六数控机床用的刀具数控机床具有高速、

29、高效的特点。一般数控机床，其主轴转速要比普通机床主轴转速高12倍。1在数控机床上铣削平面时，应采用镶装不重磨可转位硬质合金刀片的铣刀。 一般采用两次走刀，一次粗铣，一次精铣。当连续切削时，粗铣刀具直径要小一些，精铣时刀具直径要大些，最好能包容待加工面的整个宽度。加工余量大且加工面又不均匀时，刀具直径要选得小些，否则当粗加工时会因接刀刀痕过深而影响精加工质量。2加工余量较小，并且要求表面粗糙度较低时应采用镶立方氮化硼刀片的端铣刀或镶陶瓷刀片的端铣刀为宜。3高速钢立铣刀最好不要用于加工毛坯面，因为毛坯表面有硬化层和夹砂现象，刀具很快会被磨损。高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽。4镶硬质合金的立铣刀可

30、用于加工凹槽和窗口面，凸台面和毛坯表面。5镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。6精度要求较高的凹槽加工时，可以采用直径比槽宽小一些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边，直到达到精度要求为止。7在数控铣床上钻，一般有采用钻模，因此，一般钻孔深度为直径的5倍左右。由于深孔加工易折断钻头，因而应注意冷却和排屑。在钻孔前最好先用中心钻钻一个中心孔或用一个刚性好的短头锪窝引正。锪窝除了可以解决毛坯表面钻孔引正问题外，还可以代替孔口倒角。七切削用量的确定1在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件或保证刀具的耐用度不低于一个工作班，最少也不低

31、于半个班的工作时间。2切削深度主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使切深等于零件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。3对于表面粗糙度和精度要求高的零件，要留有足够的精加工余量。数控机床的精加工余量可比普通机床加工余量小一些。4主轴的转速S（rpm）要根据切削速度V(m/min)来选择： V=sd/1000式中D：工件或刀具直径(mm)；V：切削速度，由刀具耐用度决定。5进给速度F(mm/min)，是数控机床切削用量中的重要参数，可根据零件的加工和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料的性质选取。最大进给速度应受机床刚度和进给系统性能的限制。第4 5周 第8 9 10 次

32、课 年 月 日章节名称第三章 第一节 加工程序的预处理第三章 第二节 逐点比较插补法第三章 第三节 数字积分法插补授 课方 式理论课（）；实践课（）；实习（）教学时数6教学目的及要求1、掌握逐点比较插补法2、掌握数字积分插补法3、掌握数据采样插补法4、了解数据处理的一般过程教学重点与难点重点：掌握逐点比较插补法对直线和圆弧的插补算法难点：几种插补算法的理解教学手段课堂讲授教学 主 要内容时间分配复习思考题如何判断插补的误差小结插补的几种方法第一节 加工程序预处理一. 刀具补偿经过译码之后得到的数据，还需要经过刀具补偿才能进行插补。刀补分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。刀补不是由编程人员完成的，编

33、程人员只指定何处刀补，左刀补还是右刀补，刀具半径。G41 刀具中心轨迹在程序规定的前进的右边，右刀补。G42 刀具中心轨迹在程序规定的前进的左边，左刀补。刀补执行分三步 刀补的建立：刀具起刀点接近工件时，刀具中心轨迹终点不在轮廓上，而是偏离一个刀具半径 刀补的进行： 刀补的撤销：刀具撤离工件，回到起点。G40B功能刀补：基本的刀具补偿 读一段，算一段，走一段，处理尖角处工艺不好。C功能刀补：计算完一段后，提前读入下一程序段，自动处理两个程序段刀具中心轨迹转接。二. 辅助信息处理译码结果除了与轨迹有关的几何信息外，还包含辅助信息，虽然与加工路径无关，但是加工控制不可缺少的信息。1. 数控系统在插

34、补时必须对进给速度进行处理，速度计算，加减速控制。2. S 主轴一般不由数控系统直接控制，数控系统只是将译码后的S信息传送到主轴控制系统，由其对主轴控制。3. M，T 不由计算机直接控制，简单的由继电器逻辑控制，复杂的由可编程控制器进行处理。第二节 逐点比较法逐点比较法：每走一步都要和给定的轨迹坐标值比较一下，看实际加工点在给顶轨迹的什么位置，上方还是下方，或在给定轨迹的外面或里面，从而决定下一步的进给方向。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧，与规定的加工直线和圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量。一. 逐点比较法直线插补1.插补原理X-Y平面第一象限有直线段OA，以原点为起点，以A为终点，对

35、第一象限内的任一点P，有如下三种情况：当P在直线上时，则下式成立：可定义直线插补偏差判别式：Fm=ymXe-xmYe若Fm=0 动点在直线O上若Fm>0 动点在直线OP上方若Fm<0 动点在直线OP下方称Fm=ymXe-xmYe为直线加工偏差判别式或偏差判别函数，Fm的数值称为“偏差”根据偏差判别公式：当刀具相对于工件位置P处于直线上方（包括直线）即满足Fm0时，向X轴的方向发出一个正向运动进给脉冲（+X），使刀具沿X轴坐标移动一步，逼近直线。同理，当刀具位于工件的下方时，刀具沿着Y争购坐标移动一步，逼近直线。上述法则进行运算判别，需要每次进行判别Fm运算，这在具体电路和程序中实现

36、起来最不方便，简便方法是运用“递推法”（recursion）若Fm0，刀具从这点向X轴方向迈进一步，新加工点P的偏差值为：Fm+1=Xeym-(xm+1)Ye= Xeym-xmYe-Ye=Fm-Ye若Fm<0，刀具从这一点想Y轴方向迈进一步，新加工点的偏差值为：Fm+1=Xe（ym+1）-xmYe= Xeym-xmYe+ Xe= Fm+ Xe2.节拍控制，运算流程图.节拍控制第一节拍：偏差判别判别刀具在直线上位置第二节拍：进给根据判别结果决定刀具的进给第三节拍：新偏差计算对新加工点进行偏差计算第四节拍：终点判别终点判别的方法：1. 设置一个终点减法计数器 =X+Y2. 设置X和Y两个减法

37、计数器3 .选终点坐标最大的坐标做为计数坐标.流程图（第一象限直线插补运算框图）例题3：现要加工第一象限直线OA，终点坐标Xe=5,Ye=3。用直线插补，画出轨迹图。四象限直线插补：二. 逐点比较法圆弧插补1. 插补原理. 加工圆弧：把加工点圆心的距离和该圆的名义半径做比较加工圆弧AB，圆心坐标为坐标原点A，起点为，终点为B，与圆弧半径为R，瞬时加工点M（Xm,Ym）,离圆心的距离为Rm。定义圆弧偏差判别公式：进给规定：. 终点判别. 计算过程偏差判别，坐标进给，偏差计算，坐标计算，终点判别。（比直线插补多了坐标计算一步）圆弧插补时，动点坐标绝对值一个增大一个减小。2. 流程图。（第一象限逆图

38、）例题4：加工第一象限逆时针走向圆弧AE，起点A的坐标为（4，3），终点E的坐标为（0，5），写出计算过程并画出插补轨迹。3. 其他象限圆弧插补第三节 数字积分法数字积分器（DDA）（digital differential analyzer）简称积分器（digital integrator）,可以实现一次，二次，高次曲线插补，可以实现多坐标连动控制。特点是运算速度快，脉冲分配均匀，易实现多坐标联动。一. 积分器的原理。设函数Y=f（t），求Y的积分运算实质就是求此函数曲线所包围的面积，将此面积看成是许多长方形小面积之和，该公式称为矩形积分式。如果取t=1（即一个脉冲周期时间）则上式可以化简为

39、函数的积分运算变成了变量求和，只要脉冲当量足够小，则用求和运算来代替积分运算所引起的误差不会超过允许值。数字积分器由函数值积存器，与门，累加器和面积积存器组成。每来一个t脉冲，与门打开依次，将函数值寄存器中的函数值送往类假期相加一次，当累加器和超过累加器容量时，便向面积寄存器发出一个溢出脉冲，面积寄存器累加脉冲就是面积的近似值。与门累加器计数器函数值寄存器ts二.数字积分法直线插补1.数学模型 在t时间内，XY的位移增量为则若取t=1，则选择K时，保证坐标轴每次分配进给脉冲不超过1，即2.进给脉冲产生的方法Xe，Ye的最大允许值受系统中寄存器的限制，假设寄存器有n位，则Xe，Ye的最大允许寄存

40、器容量为2n-1位，满足KXe<1。则右面为平面直线的插补运算框图。被积函数寄存器存放终点坐标值，每隔一个时间间隔，将被积函数的值向各自的累加器中累加，溢出的脉冲驱动走步，余数存累加器中。例题5：设有一直线OA，起点为原点，终点A的坐标为（8，10），累加器和寄存器的位数为四位，最大容量为2n=16，用DDA实现。三、数字积分法圆弧插补1. 原理以第一象限逆圆为例，圆弧的圆心在原点，起点A（X0,Y0）,终点B（Xe,Ye）,半径为r0的圆弧加工时沿弧的切线方向的进给速度V恒定。 第一象限逆圆弧数字积分近似表达式：2. 圆弧插补与直线插补的区别. 直线插补为常数累加，圆弧插补为变数累加。

41、. 圆弧插补时x方向的位移是对y坐标的累加，y方向的位移是对x坐标的累加. 圆弧插补时，被积函数x,y随时由溢出脉冲x, y进行修改。. 因为x,y方向插补的速度不同，两个方向到达终点的时间不同，故m=2n并不代表已到达终点，需要分别设X,Y两个方向终点计数器。例题6：加工第一象限逆圆弧，其圆心在原点，起点A，坐标（6，0），终点为B，坐标为（0，6），累加器为3位，试用DDA插补计算，并画出走步轨迹图。第四节 数据采样插补基准脉冲插补的结果是输出进给脉冲，伺服系统根据进给脉冲进给，进给速度受插补速度控制。数据采样插补系统中，计算机在伺服控制环中，数据采样插补用小段直线来逼近给定的轨迹，输出的

42、是下一个插补周期内的各轴运动的距离，不需要一个脉冲插补一次。数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定的轮廓分割成每一个插补周期的进给段，即轮廓步长。执行一次插补运算，计算出下一个插补点的坐标，计算各坐标的进给量。数据采样得到的是进给段在各坐标轴上的分矢量，计算机定时对坐标的实际位置进行采样，采样数据与指令数据比较得到位置误差，根据位置误差对系统进行控制，达到消除误差。插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的数倍。L=TF,T为插补周期，F为刀具的移动速度。逼近误差与速度周期平方成正比，与圆弧半径成反比，允许的插补误差应小于分辨率。插补周期应大于插补运算时间与完成其他实时任务所需要的时间

43、和。一、时间分割法直线插补根据进给速度F计算轮廓步长l ，轮廓步长与轮廓速度相等，插补的主要任务是计算下一点的坐标，从而算出轮廓速度在各个坐标轴的分速度，即下一个周期各个坐标轴的进给量x, y。采样周期可以等于插补周期，也可以小于插补周期。设进给速度F，其单位为mm/min,插补周期8ms ,f的单位m/8ms,l的单位为m。直线插补时，需要加工的直线与x轴的夹角为。计算出的轮廓步长为。步骤：1. 根据加工指令的速度值F，计算出轮廓步长。2. 根据终点坐标值,计算3. 根据计算4. 计算x5. 计算y例题7：某CNC系统每8 ms中断一次，若编程进给速度为F=375mm/min,加工直线的终点

44、坐标（6，8），求各坐标的位移量。第6 7周 第11 12 13 次课 年 月 日章节名称第四章 第一节 概述第四章 第二节 CNC装置的硬件结构第四章 第三节 CNC装置的软件结构第四章 第四节 开放式数控系统授 课方 式理论课（）；实践课（）；实习（）教学时数6教学目的及要求1、掌握数控系统的工作过程2、数控系统的软硬件组成及各部分的作用教学重点与难点数控系统各部分的工作过程教学手段课堂讲授教学 主 要内容时间分配复习思考题数控硬件与电脑硬件有什么相同与不同？小结与电脑工作过程相对应记忆CNC中的主要功能是由软件来实现的，具有很高的柔性。现代的数控装置主要采用CNC系统，近年来以处理器为基

45、础微型计算机数控（MNC）几乎完全取代了小型计算机数控系统。现在所说的CNC系统实际上就是MNC系统。经济型数控系统往往功能比较简单，一般只适合某些功能要求较低的数控机床，系统精度和速度都较低，一般指的是开环数控系统。标准型数控系统功能较齐全，适合多种数控机床，精度和速度都较高，基本上全是闭环数控系统。一、CNC装置所能实现的功能1. 多坐标控制功能。2. 多种函数插补功能（直线，圆弧，抛物线等）。3. 代码转换功能（EIA/ISO代码转换，英制/公制转换，二/十进制转换，绝对值/增量值转换等）。4. 人机对话功能。5. 固定循环加工功能。6. 各种补偿功能（刀具半径，长度，传动间隙，螺距误差

46、等）。7. 故障诊断功能。8. CRT显示功能。（Cathode Ray Tube阴极射线管）9. 联网及通信功能。二、CNC的特点数控装置作为机床数控系统的核心，始终朝着增强功能，提高可靠性，降低成本的方向努力。70年代，微处理器出现，以微处理器构成的CNC代替了NC，CNC具有NC无法比拟的优点。1. 具有较大的灵活性。NC装置用硬件逻辑线路实现对机床的控制功能。这种固定接线一旦制成就难以改变。而CNC通过编制软件来实现对机床的控制，只要重新编制软件就可以改变或扩展机床功能。2. 具有较强的通用性。不同功能的数控机床的NC装置不同，不能通用。而CNC装置可以用软件的变化来实现各种机床的不同

47、要求，可以用一种CNC装置满足多种机床的要求，体现较强的通用性。3. 具有较高的可靠性。NC零件程序在加工过程中分段读入分段加工，频繁的启动光电阅读机会产生故障，引起零件程序误差，可靠性不高。CNC零件程序则在加工之前一次输入到内存，并经过检验后加工时才调用，同时CNC功能多由软件实现，硬件所需元件减少，使系统的可靠性大大改善，特别是采用了大规模或超大规模集成电路，可靠性大大提高。4.实现丰富的数控功能。CNC装置利用计算机的高度计算功能，实现二次曲线插补运算、固定循环加工、坐标偏移、循环显示、刀具补偿等，而NC只能完成直线圆弧插补。5.使用维修方便。CNC系统软件中包含诊断程序，当系统出故障

48、时能查出故障部位，便于操作维修人员解决故障，同时CNC装置还有对话编程、自动在线编程使编程工作简单方便，利用模拟显示功能检查程序的正确性。而NC不具备上述功能。6.易于实现机电一体化。（Mechatronics）CNC采用大规模集成电路，其硬件结构尺寸减小，与机床结合在一起，减少占地面积、操作方便。三、CNC的组成软件在硬件支持下运行，硬件离开软件无法工作。存储器：存储系统软和零件加工程序，并将运算中间结果及处理后结果存储起来。输入输出接口：计算机与机床之间联系的桥梁和通道。四、CNC的工作过程CNC工作过程可以说是在硬件的支持下执行软件。1. 输入。6种方式：阅读机纸带输入、键盘手动输入、磁

49、盘输入、光盘输入、通讯接口输入、连接上级计算机的DNC接口输入输入的信息：零件程序、控制参数、补偿数据在输入的过程中完成代码的转换并将信息存储到RAM中2. 译码。输入的信息是零件加工程序时，包含FMST等CNC为以一个程序段为单位，根据一定的语言规则解释成计算机能够识别的数据形式，按一定的数据格式存放在指定的内存专用区。译码过程中还要对程序段进行语法检查，若发现语法错误立即报警。3. 数据处理。包括刀补和速度处理零件加工程序以零件轮廓轨迹来编程。刀补作用将零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。进给速度处理：按合成进给速度计算出各坐标的进给分速度，另外对机床的最低速度和最高速度的限制进行判断处理。4

50、. 插补。数据的密化。插补程序的实时性很差，在每个插补周期内进行一次，尽量减少插补运行时间，可实现最大进给速度。5. 位置控制位置控制由软件和硬件两种方式实现。任务：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与反馈的实际位置相比较，用偏差去控制进给电机，同时完成位置回路的增益，调整各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，来提高机床定位精度。6. I/O处理7. 显示为操作者提供方便。内容：零件程序显示、参数显示；刀具位置显示；机床状态显示；报警显示。8. 诊断联机：管理软件中的自我诊断程序融合在各个部分，随时检查不正常的事件。脱机：远程通讯方式进行，即用户CNC装置与远程通讯诊断中心的计算机相连

51、。由其对CNC进行诊断、定位、修复。五、CNC硬件1. 单微处理机CNC装置一般只有一个CPU，有的虽然有多个CPU，但以一个CPU为核心，由它控制总线和访问主存储器，其他COU只是附属的专用的智能部件。特点：.只有一个微处理器或以一个微处理器为核心，存储、插补、输入输出及显示等均由它集中控制分时处理。.为处理器通过总线与存储器、输入输出等各种接口相连构成CNC。.结构简单，易于实现。.微处理机、总线 .存储器. 只读存储器（EPROM）：用来存放系统程序，由厂家固化，程序只能被CPU读出，不能被写入，断电不程序丢失，必要时经紫外线擦除可重写。. 随机存储器（RAM）：存放计算的中间结果，需要

52、显示的数据，运行过程中的状态和标志信息，随机读写，断电消失。. 对加工的零件程序的机床参数，刀具数据，要求断电后保留且写入修改方便，可存放在有后备电源的CMOSRAM中或磁泡存储器中。.I/O接口CNC与机床间的来往信号不能直接连接须要经过I/O电路，才能完成两者之间的信号传递。任务：.进行电平转换和功率放大。 CNC输出和接受的信号与控制电路的电平不同，需要电平转换，在重负载的情况下需要功率放大。.防止噪音引起的误动作用光电隔离器或继电器使CNC和机床之间的信号在电器上加以隔离以达到防止噪音，避免误操作。.位置控制单元功能：实现对进给系统坐标轴的控制。硬件结构：大规模专用集成电路的位置控制芯

53、片和位置控制模块。.可编程控制器（PC）分为：独立型和内装型2. 多微处理机CNC装置单微处理机CNC因为只有一个CPU或以一个CPU为核心，其功能将受微处理机字长，数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制，又因为插补功能均由软件来实现，这就使处理速度大大的下降了。多微处理机CNC装置中，有两个或两个以上的CPU构成处理部件和各种功能模块，处理和功能模块之间既可以采用紧耦合，共享资源具有集中的操作系统；又可以将各CPU组成独立部件，采用松耦合具有多层操作系统来实现并行处理。1. 特点：.性能价格比高 多微处理机CNC装置中CPU都可以独立执行程序，完成系统中指定的一部分功能，具有较高的计算处理速度。在多轴控制中，高进给进度，高精度，高效率的数控机床中应用广泛。.良好的适应性和扩展性多微处理机CNC多采用模块结构，硬件模块，软件模块