模块2CNC工作原理

1、数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四模块二、模块二、 CNC装置工作原理装置工作原理 数控加工程序的输入数控加工程序的输入 数控加工程序的预处理数控加工程序的预处理 轮廓插补原理轮廓插补原理 位置控制原理位置控制原理 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四2.1 数控加工程序的输入数控加工程序的输入 数控加工程序的输入，就是把已经编数控加工程序的输入，就是把已经编制好的数控加工程序，通过输入装置输入制好的数控加工程序，通过输入装置输入到数控系统中，供其存储和执行。到数控系统中，供其存储和执行。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 一、一、 输

2、入装置输入装置 数控程序，可以存储在磁盘、穿孔数控程序，可以存储在磁盘、穿孔纸带等数控加工程序的外部存储介质。纸带等数控加工程序的外部存储介质。根据数控加工程序的外部存储介质不同，根据数控加工程序的外部存储介质不同，可以选用不同的输入装置输入程序。常可以选用不同的输入装置输入程序。常用的输入装置有用的输入装置有MDI键盘、纸带阅读机、键盘、纸带阅读机、串行通信接口、以太网接口等。串行通信接口、以太网接口等。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 1.MDI键盘键盘 MDI键盘是手动数据输入（键盘是手动数据输入（Manual Dada InputMDI）键盘的简称。键盘）键盘的简

3、称。键盘有两种类型：编码键盘和非编码键盘。有两种类型：编码键盘和非编码键盘。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 编码键盘使用方便，常用作微机键盘编码键盘使用方便，常用作微机键盘等。等。 非编码键盘，其硬件上仅提供键盘的非编码键盘，其硬件上仅提供键盘的行和列的矩阵，其按键识别、译码等工作行和列的矩阵，其按键识别、译码等工作由软件来完成。因此键盘结构简单，使用由软件来完成。因此键盘结构简单，使用灵活，广泛应用于数控系统中。灵活，广泛应用于数控系统中。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图示为图示为4行行4列非编码式键盘，其工作原理列非编码式键盘，其工作原理是

4、采用逐行加低电平的办法，判断有无键钮按下。是采用逐行加低电平的办法，判断有无键钮按下。键8765 V行0列0列2列1543210行1行20111101111010 1 1 11 1 0 11 0 1 1 “0”行0,行1,行2,行3 列0,列1,列2，列3表2.1 按键一览表11101 1 1 0“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”“9”“A”“B”“C”“D”“E”“F”数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图中，键盘信号与图中，键盘信号与AT89C51单片机单片机的的P1口相连接，行口相连接，行03的信号由的信号由P1.0P1.3输出，而列输出，而列03的信号

5、由键盘反馈给的信号由键盘反馈给单片机的单片机的P1.4P1.7输入，供单片机判断。输入，供单片机判断。在软件上，单片机是分二步进行查询的，在软件上，单片机是分二步进行查询的，即：即： （1）检测有无键钮按下。）检测有无键钮按下。 （2）分析哪一个键钮按下。）分析哪一个键钮按下。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图图2.2 读键盘程序流程图读键盘程序流程图 否否是去键分析是开始是否该行有键按下吗？各行都查完？输入列数据逐行加低电平有键按下吗？输入列数据使各行L1L6为低电平软件程序流程图如图软件程序流程图如图2.2所示。所示。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星

6、期四 2.纸带阅读机图纸带阅读机图 纸带阅读机是用来读入以穿孔纸带纸带阅读机是用来读入以穿孔纸带为介质的零件程序。为介质的零件程序。 特点：体积大，存储量小，在使用过程特点：体积大，存储量小，在使用过程中纸带有磨损，可靠性低，已逐渐被淘中纸带有磨损，可靠性低，已逐渐被淘汰。汰。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 3.串行通信接口串行通信接口 现代数控系统都带有标准串行通信现代数控系统都带有标准串行通信接口，能够方便地与微型计算机相连，接口，能够方便地与微型计算机相连，进行点对点通信，实现零件程序、参数进行点对点通信，实现零件程序、参数的传送。的传送。数控原理与应用数控原理

7、与应用2022年3月17日星期四 在串行通信中，广泛应用的标准是在串行通信中，广泛应用的标准是RS232C标准。它是美国电子工业协会标准。它是美国电子工业协会(EIA)颁布的数据通信推荐标淮。颁布的数据通信推荐标淮。RS是推荐是推荐标准标准(Recommended Standard)的英文缩写，的英文缩写，232C是标准号，该标推定义了数据终端设备是标准号，该标推定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备和数据通信设备(DCE)之间的连接信之间的连接信号的含义及其电压信号规范等参数。号的含义及其电压信号规范等参数。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四微型计算机or数控系统Mo

8、dem公共电话网电话线微型计算机Modem电话线DTEDCEDTEDCERS-232C接口RS-232C接口图2.3 远程数据通信系统微型计算机or数控系统微型计算机DTEDTERS-232C接口图2.4 零Modem数据通信系统数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 RS一一232C标准规定使用标准规定使用25根插针根插针的的DB型连接器，并定义了其中的型连接器，并定义了其中的21个插个插针的功能。在微机和数控系统中，针的功能。在微机和数控系统中，RS-232C接口有接口有25针和针和9针两种，实际只使用针两种，实际只使用其中其中8针引脚，各引脚功能及对应关系也针引脚，各引脚

9、功能及对应关系也列于表列于表2.2中。中。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表表2.2 常用的常用的RS-232C引脚及其功能引脚及其功能 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 数控系统和微型计算机串行通信时，数控系统和微型计算机串行通信时，根据其根据其RS-232C接口所用连接器不同，接口所用连接器不同，有有3种连接形式，如图种连接形式，如图2.5所示。图中实所示。图中实线必须连接，虚线的连接与否，可根据线必须连接，虚线的连接与否，可根据通信双方的传输控制（握手）方式而定。通信双方的传输控制（握手）方式而定。当采用当采用RTS/CTS握手时，虚线必须连接

10、；握手时，虚线必须连接；当采用同步字符当采用同步字符XON/XOFF（11H/13H）握手时，虚线可以不连。握手时，虚线可以不连。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.5 RS-232C接口连接形式 1232 07645TxD132672 05425-pinShieldRxDDTRGNDDSRRTSCTS25-pin12345678RxD132672 0549-pinShieldTxDDTRGNDDSRRTSCTS25-pin1325678RxD132654879-pinTxDDTRGNDDSRRTSCTS9-pin4数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期

11、四图2.6 异步串行传输的格式 异步串行传输的格式如图异步串行传输的格式如图2.6所示。所示。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 在进行计算机与在进行计算机与CNC控制器连线时，控制器连线时，连接电缆一般要求是带屏蔽的双绞线电连接电缆一般要求是带屏蔽的双绞线电缆，计算机与数控系统之间的通信距离缆，计算机与数控系统之间的通信距离一般能达到一般能达到30m，如果通信距离较长，如果通信距离较长，可在计算机与数控机床的可在计算机与数控机床的RS232C接头接头上分别加装远程驱动模块，此时通信距上分别加装远程驱动模块，此时通信距离可增加到离可增加到110km。数控原理与应用数控原理与

12、应用2022年3月17日星期四 在计算机与数控机床之间进行串行通在计算机与数控机床之间进行串行通信时，需要在微机上运行专门的软件，如信时，需要在微机上运行专门的软件，如PCIN、Multi-DNC等，大多数等，大多数CADCAM集成软件系统也都直接提供传输模块。集成软件系统也都直接提供传输模块。 在进行通信时，需要对这些软件和数在进行通信时，需要对这些软件和数控系统进行串行通信参数设置。这些参数控系统进行串行通信参数设置。这些参数包括：设备（包括：设备（RTS/CTS、XON/XOFF）、）、波特率波特率(Baud Rate)、奇偶校验、奇偶校验(Parity)、数、数据位据位(Data bi

13、ts)和停止位和停止位(Stop bits)等。如西等。如西门子门子802S系列数控系统与计算机串行连接系列数控系统与计算机串行连接时，参考表时，参考表2.3参数设置。参数设置。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表2.3 RS-232C接口通信参数表 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 二、数控加工程序输入过程二、数控加工程序输入过程 通过输入装置输入到数控系统中通过输入装置输入到数控系统中的程序段，一般先存放在的程序段，一般先存放在MDI键盘缓冲键盘缓冲器或零件程序缓冲器中，器或零件程序缓冲器中， 然后再根据控然后再根据控制要求将其传送到零件程序存储器

14、中，制要求将其传送到零件程序存储器中，或者直接送译码执行。或者直接送译码执行。 零件程序输入过零件程序输入过程如图程如图2.7所示。所示。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.7 零件程序输入过程 译码处理零件程序缓冲器MDI缓冲器阅读机串行通信口上位计算机 穿孔纸带零件程序存储器MDI键盘零件程序数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 1. 输入工作方式输入工作方式 在自动译码执行零件程序时，在自动译码执行零件程序时， 根据译码根据译码程序段的来源不同，程序段的来源不同， 有如图所示的四种工作有如图所示的四种工作方式。方式。 DNC计算机零件程序缓冲器

15、译码处理(d)(c)MDI键盘MDI缓冲器译码处理(b)零件程序存储器零件程序缓冲器译码处理(a)译码处理零件程序存储器零件程序缓冲器纸带 图图2.8 输入工作方式输入工作方式 (a) 纸带工作方式；纸带工作方式； (b) 存储器工作方式；存储器工作方式； (c) 键盘工作方式；键盘工作方式； (d) DNC工作方式工作方式 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四1） 纸带工作方式纸带工作方式 在此工作方式下，在此工作方式下， 按下按下“启动启动”按按钮后纸带机开始工作，钮后纸带机开始工作， 一边将纸带上的一边将纸带上的零件程序逐段读到零件程序缓冲器中，零件程序逐段读到零件程序

16、缓冲器中， 一边从缓冲器中读出，一边从缓冲器中读出， 连续自动译码执连续自动译码执行，行， 直到程序结束。直到程序结束。 2） 存储器工作方式存储器工作方式 工作时用键盘命令调出零件存储器中工作时用键盘命令调出零件存储器中指定的零件程序，指定的零件程序， 逐段装入零件程序缓逐段装入零件程序缓冲器中供译码执行，冲器中供译码执行， 直到程序结束。直到程序结束。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 3） DNC工作方式工作方式 D N C 是 直 接 数 字 控 制是 直 接 数 字 控 制 ( D i r e c t Numerical Control)的简称，的简称， 即通过

17、即通过RS-232C串行接口与上位微型计算机相连，串行接口与上位微型计算机相连， 用用微机中的零件程序直接控制机床的加工过微机中的零件程序直接控制机床的加工过程，程， 一般用于有较长程序的复杂零件和模一般用于有较长程序的复杂零件和模具的加工。具的加工。 4） 键盘工作方式键盘工作方式 键盘工作方式又叫键盘工作方式又叫MDA方式或方式或MDI方式，方式， MDA是手动数据输入自动执行是手动数据输入自动执行（Manual Data input Automatic）的英文缩）的英文缩写写,可以直接用键盘输入程序段，并立即执可以直接用键盘输入程序段，并立即执行。通常用于机床的调整。行。通常用于机床的调

18、整。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 2. 零件程序的存储编码零件程序的存储编码 在穿孔纸带或数控装置的内部存储在穿孔纸带或数控装置的内部存储器中，零件程序的字母、数字和各种符器中，零件程序的字母、数字和各种符号是以二进制代码来表示的，这种二进号是以二进制代码来表示的，这种二进制代码称为零件程序的编码。零件程序制代码称为零件程序的编码。零件程序编码又可分为外码和内码。编码又可分为外码和内码。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 （1）外码）外码 外码是零件程序的外部存储外码是零件程序的外部存储编码，纪录在纸带等介质上。国际上制编码，纪录在纸带等介质上。国

19、际上制定了定了ISO和和EIA两种标准格式。两种标准格式。 （2）内码）内码 内码是零件程序在数控装置内码是零件程序在数控装置内部的存储代码。为简化后续程序的处内部的存储代码。为简化后续程序的处理，在理，在CNC内部应以统一的编码格式存内部应以统一的编码格式存放，而不应再分放，而不应再分ISO码和码和EIA码。通常可码。通常可按照按照ASC代码格式存放，也可以根据代码格式存放，也可以根据情况，由情况，由CNC研制者自行定义内码格式。研制者自行定义内码格式。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表2.4 常用数控代码及其内码 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四

20、 例如零件程序段：例如零件程序段：N05 G90 G01 X106 Y-60 F46 M05 LF 如图如图2.9所示，假设该程序段采用所示，假设该程序段采用ISO代码记录在穿孔纸带上，输入代码记录在穿孔纸带上，输入CNC装置后装置后存储在以存储在以2000H单元为首地址的内存缓冲区单元为首地址的内存缓冲区中。根据表中。根据表2.4中外码与内码之间的对应关中外码与内码之间的对应关系，可将该程序段转换成内码存储在零件系，可将该程序段转换成内码存储在零件程序缓冲器中，存储内容如表程序缓冲器中，存储内容如表2.5所示。这所示。这一转换和存储过程是由输入中断服务软件一转换和存储过程是由输入中断服务软件

21、来完成的。在此过程中，还要删除无效代来完成的。在此过程中，还要删除无效代码，并进行代码校验。码，并进行代码校验。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.9 穿孔纸带 NX10G09G501 0Y-6 0 F 4 6 M0 5 LF6数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表2.5 零件程序的存储信息 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四2.2 数控加工程序的预处理数控加工程序的预处理 数控加工程序的数据预处理，主要包数控加工程序的数据预处理，主要包括：数控加工程序的译码、运动轨迹的刀括：数控加工程序的译码、运动轨迹的刀补计算和速度处理三个部分

22、。补计算和速度处理三个部分。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 一、数控加工程序的译码一、数控加工程序的译码 所谓译码，就是将输入的数控加工程序段所谓译码，就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成统一的数据格式，并按按一定规则翻译成统一的数据格式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。中。 译码工作主要包括代码识别和功能代码的译码工作主要包括代码识别和功能代码的解释两大部分。解释两大部分。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 1. 代码识别代码识别 在在CNC系统中，系统中， 代码识别由软件代码识别由软件完成。

23、完成。 代码识别程序按顺序逐个读取字代码识别程序按顺序逐个读取字符，符， 与各个文字码的内码相比较。与各个文字码的内码相比较。 若相若相等，等， 则说明输入了该字符，则说明输入了该字符， 于是系统设于是系统设置相应标志或将字符转给相应的译码处置相应标志或将字符转给相应的译码处理子程序；理子程序； 如果不是内码表中规定的文如果不是内码表中规定的文字码，字码， 则说明程序有错，则说明程序有错， 于是系统置出于是系统置出错标志并返回主程序。错标志并返回主程序。 代码识别程序的代码识别程序的流程图如图流程图如图2.10所示。所示。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.10 代码

24、识别程序流程图 返回LF段结束，置译码完成标志出错标志？20H字符无法识别，置出错标志20H10H首字符不是功能码，置出错标志13HY代码译码子程序12HX代码译码子程序11HG代码译码子程序10HN代码译码子程序查内码表？从零件缓冲器读取一个字符译码开始数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 2. 功能码的译码功能码的译码 功能码译码子程序将功能码后续的功能码译码子程序将功能码后续的数字码进行代码转换，数字码进行代码转换， 然后送到该功能然后送到该功能码指定的译码结果缓冲器单元中。码指定的译码结果缓冲器单元中。 如果如果数字码位数不够，数字码位数不够， 则认为程序出错，则认为

25、程序出错， 并并置出错标志。置出错标志。 例如，例如， N代码译码子程序代码译码子程序的流程图如图的流程图如图2.11所示。所示。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.11 N代码译码子程序流程图 数字个数少于2位，置出错标志位数加一：i1i出口10Hi2？将压缩BCD码存到N代码指定的单元将已读出的2个数字码拼成1个压缩BCD码暂存该数字码查内码表？从零件缓冲器读取一个字符N位数清零：0i入口10HNYY数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表2.6 译码结果缓冲器格式 3. 译码结果缓冲器的格式译码结果缓冲器的格式数控原理与应用数控原理与应用2022

26、年3月17日星期四 表中，一般功能码只占一个单元，而对于用二进表中，一般功能码只占一个单元，而对于用二进制数表示的各坐标值等则要占用两个单元。另外，考制数表示的各坐标值等则要占用两个单元。另外，考虑到某些虑到某些G代码、代码、M代码不能同时出现在同一个程序段代码不能同时出现在同一个程序段中，如中，如G00、G01、G02、G03和和G33，是不可能同时在，是不可能同时在同一个程序段中出现的，否则编程出错。因此，没有同一个程序段中出现的，否则编程出错。因此，没有必要为每一个必要为每一个G代码（或代码（或M代码）准备一个单元。可将代码）准备一个单元。可将它们分它们分GA、GB、GC四组，把互斥的四

27、组，把互斥的G代码（或代码（或M代代码）归为一组，如表码）归为一组，如表2.8所示。这样不仅能缩小缓冲区所示。这样不仅能缩小缓冲区的容量，还能查出编程错误。除的容量，还能查出编程错误。除G代码和代码和M代码需要分代码需要分组外，其余的功能代码均只有组外，其余的功能代码均只有种格式，它的地址在种格式，它的地址在内存中是可以指定的。内存中是可以指定的。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四表2.7 常用G代码、 M代码的分组 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 4. 译码过程译码过程 图图2.12是零件程序译码过程示意图，是零件程序译码过程示意图， 这里假设译码

28、结果缓冲器的起始地址是这里假设译码结果缓冲器的起始地址是4000H。 译码软件首先从零件程序缓冲译码软件首先从零件程序缓冲器中读入一个字符，器中读入一个字符， 判断出该字符是该判断出该字符是该程序段的第一个功能码程序段的第一个功能码N， 设标志后接设标志后接着读取下一个字符，着读取下一个字符， 判断是数字码判断是数字码0。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.12 零件程序译码过程示意图 程序ISO码N(4EH)0(30H)5(35H)G(47H)9(39H)0(30H)G(47H)0(30H)1(B1H)X(D8H)1(B1H)0(30H)6(36H)Y(59H)-(

29、2DH)6(36H)0(30H)F(C6H)4(B4H)6(36H)M(4DH)0(30H)5(35H)LF(0AH)内存地址2000H2001H2002H2003H2004H2005H2006H2007H2008H2009H200AH200BH200CH200DH200EH2010H2011H2012H2013H2014H2015H2016H2017H200FH内码10H00H05H11H09H00H11H00H01H12H01H00H06H13H21H00H18H04H06H19H00H05H20H06H地址码NXYZIJKFSTMAMBMCGAGBGC内存地址4000H4001H4002

30、H4003H4004H4005H4006H4007H4008H4009H400AH400BH400CH400DH400EH4010H4011H4012H4013H4014H4015H4016H4017H400FH译码结果零件程序缓冲器译码结果缓冲器05H6AH00HC4HFFH00H00H00H00H00H00H00H00H2EH00H03H01HFFH05H00H01H00H90HE8H数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 由于由于N后面应该是后面应该是2位的位的BCD码，故码，故再读取一个字符，判断是数字码再读取一个字符，判断是数字码5，将它，将它们拼装成压缩们拼装成压缩

31、BCD码，并存入译码结果码，并存入译码结果缓冲器缓冲器N代码对应的内存单元代码对应的内存单元4000H中。中。再取下一个字符是再取下一个字符是G代码，同样先设立代码，同样先设立相应标志，接着分两次取出相应标志，接着分两次取出G代码后面代码后面的二位数码的二位数码(90)，判别出是属于，判别出是属于GC组，组，则在译码结果缓冲器中则在译码结果缓冲器中GC对应的内存单对应的内存单元元4017H置入置入“90H”即可。即可。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 继续再读入下一个字符仍是继续再读入下一个字符仍是G代码，并根代码，并根据其后的数字据其后的数字(01)判断出应属于判断出应

32、属于GA组，这样只组，这样只要在要在GA对应的内存单元中置入对应的内存单元中置入“01H”即可；即可；接着读入的代码是接着读入的代码是X代码和代码和Y代码及其后紧跟代码及其后紧跟的坐标值，这时需将这些坐标值内码进行拼接，的坐标值，这时需将这些坐标值内码进行拼接，并转换成二进制数，同时检查无误后即将其存并转换成二进制数，同时检查无误后即将其存入入X或或Y对应的内存单元之中。如此重复进行，对应的内存单元之中。如此重复进行，一直读到结束字符一直读到结束字符LF后，才进行有关的结束后，才进行有关的结束处理，并返回主程序。对于程序段中没有出现处理，并返回主程序。对于程序段中没有出现的功能码，则保留其初始

33、结果。的功能码，则保留其初始结果。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 二、刀具补偿原理二、刀具补偿原理 在编写零件加工程序时，一般按照零在编写零件加工程序时，一般按照零件轮廓要求决定零件程序中坐标尺寸。在件轮廓要求决定零件程序中坐标尺寸。在数控机床实际加工时，数控机床实际加工时，CNC系统控制的是系统控制的是刀具中心（或基准点）轨迹，靠刀具的刀刀具中心（或基准点）轨迹，靠刀具的刀尖或刀刃外缘来实现切削。因此，必须根尖或刀刃外缘来实现切削。因此，必须根据刀具的形状、尺寸等对刀具中心位置进据刀具的形状、尺寸等对刀具中心位置进行偏置，将编程零件轨迹变换为刀具中心行偏置，将编程零件

34、轨迹变换为刀具中心轨迹，从而保证刀具按其中心轨迹移动，轨迹，从而保证刀具按其中心轨迹移动，能够加工出所要求的零件轮廓。这种变换能够加工出所要求的零件轮廓。这种变换的过程就称之为刀具补偿，也叫刀具偏置。的过程就称之为刀具补偿，也叫刀具偏置。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 刀具补偿包括刀具长度补偿、刀具半径补刀具补偿包括刀具长度补偿、刀具半径补偿以及刀具磨损量的补偿，对于不同类型的机偿以及刀具磨损量的补偿，对于不同类型的机床与刀具，需要考虑的补偿形式也不一样，如床与刀具，需要考虑的补偿形式也不一样，如图图2.13所示。所示。OZXABBArFXOZFL1XrL2L1FZO(

35、a)(b)(b) 图2.13 刀具补偿原理 (a) 铣刀； (b) 钻头； (c) 车刀 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 1. 刀具长度补偿刀具长度补偿 刀具长度补偿可以在不改变零件程序的情况下随时补偿刀具长度补偿可以在不改变零件程序的情况下随时补偿刀具长度尺寸的变化。刀具长度尺寸的变化。 1） 铣床、铣床、 钻床刀具长度补偿钻床刀具长度补偿 一般用一把标准刀具的刀头作为刀具中心控制点，一般用一把标准刀具的刀头作为刀具中心控制点， 将这把刀具定为零长度刀具。将这把刀具定为零长度刀具。 如果加工时用到长度不一样如果加工时用到长度不一样的刀具，的刀具， 则要进行刀具长度补偿

36、。则要进行刀具长度补偿。 刀偏值等于所用刀具与刀偏值等于所用刀具与标准刀具的长度差值。标准刀具的长度差值。 用用G43、 G44指令指定偏置方向，指令指定偏置方向， 其中其中G43为正向偏置，为正向偏置， G44为负向偏置，为负向偏置， G40为取消偏置，为取消偏置， 如图如图2.14所示。所示。 铣床刀补的计算公式为铣床刀补的计算公式为 ZS=ZPL 使用使用G43指令时用加号，指令时用加号， G44指令时用减号。指令时用减号。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.14 铣床刀偏情况 (a) 标准刀具G40； (b) 负向偏置G43； (c) 正向偏置G43 LL(

37、a)(c)(b)数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.15 钻床刀补坐标计算 LP(XP, YP, ZP)ZXOS(XS, YS, ZS)数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 另外， 也可以把刀具长度的测量基准面作为刀具中心， 则每一把铣刀、 钻头都要进行长度补偿才能加工出正确的零件表面。 如图2.15所示， 设钻床编程坐标点P（XP， YP， ZP）， 钻头长度为L， 建立刀补后的坐标点在S（XS， YS， ZS）， 则有计算公式： XS=XP YS=YP ZS=ZP+L 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 2） 车床刀具长度补偿车

38、床刀具长度补偿 车床的刀具长度补偿是对车床的刀具长度补偿是对X、 Z平面的坐标轴实施的。平面的坐标轴实施的。 通常以刀架参考通常以刀架参考点（也可用标准刀具的刀尖）作为刀具点（也可用标准刀具的刀尖）作为刀具中心控制点，中心控制点， 进行进行X、 Z两个方向的长两个方向的长度补偿。度补偿。 如图如图2.16所示，所示， 设编程坐标点设编程坐标点为为P（XP， ZP），）， 车刀长度为车刀长度为LX、 LZ， 刀架参考点坐标为刀架参考点坐标为F（XF， ZF），）， 则刀则刀补计算公式为补计算公式为 XF=XP+LX ZF=ZP+LZ数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.16

39、 车床刀补计算 ZXOLXPFLZ这里，忽略了刀具圆弧半径补偿，认为是理想刀尖。这里，忽略了刀具圆弧半径补偿，认为是理想刀尖。实际上，刀尖处总是存在圆弧的，要想正确地实现零件加实际上，刀尖处总是存在圆弧的，要想正确地实现零件加工，除了进行长度补偿外，还需进行刀具圆弧半径补偿。工，除了进行长度补偿外，还需进行刀具圆弧半径补偿。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 2. 刀具半径补偿刀具半径补偿 在连续轮廓加工过程中，在连续轮廓加工过程中， 由于刀具总有由于刀具总有一定的半径，一定的半径， 例如铣刀的半径或线切割机例如铣刀的半径或线切割机的钼丝半径等。的钼丝半径等。 如果不考虑刀

40、具半径让刀如果不考虑刀具半径让刀具中心按编程轨迹运动，具中心按编程轨迹运动， 则加工出来的零则加工出来的零件轮廓就会偏离图纸要求。件轮廓就会偏离图纸要求。 例如，在编制数控车床加工程序时，通例如，在编制数控车床加工程序时，通常将刀尖看作是一个点。然而在实际应用常将刀尖看作是一个点。然而在实际应用中，为了提高刀具寿命和降低加工表面的中，为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度，一般是将车刀刀尖磨成半径约为粗糙度，一般是将车刀刀尖磨成半径约为0.41.6mm的圆弧，如的圆弧，如2.17所示。这样，如所示。这样，如果仍以理论刀尖点果仍以理论刀尖点P来编程，数控系统控制来编程，数控系统控制P点的运动轨迹

41、，而切削时，实际起作用的点的运动轨迹，而切削时，实际起作用的切削刃是圆弧的各切点，这势必会产生加切削刃是圆弧的各切点，这势必会产生加工表面的形状误差。工表面的形状误差。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.17 刀具半径补偿 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 因此，在进行实际加工之前，操作因此，在进行实际加工之前，操作者必须将车刀、铣刀或钼丝的半径作为者必须将车刀、铣刀或钼丝的半径作为刀偏参数输入到刀偏参数输入到CNC系统中。并由零件系统中。并由零件程序的编程人员根据刀具的行进方向以程序的编程人员根据刀具的行进方向以及刀具与工件之间的相对位置，在零

42、件及刀具与工件之间的相对位置，在零件程序中用程序中用G41、G42指令指定偏置方向。指令指定偏置方向。CNC系统就能够根据零件程序和输入的系统就能够根据零件程序和输入的刀具半径值进行刀具半径补偿计算，使刀具半径值进行刀具半径补偿计算，使刀具中心偏移零件轮廓表面一个刀具半刀具中心偏移零件轮廓表面一个刀具半径值，自动地加工出符合图纸要求的零径值，自动地加工出符合图纸要求的零件。这种偏移就称为刀具半径补偿，如件。这种偏移就称为刀具半径补偿，如图图2.18所示。所示。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.18 刀具半径补偿 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四

43、 图中，要求加工的零件轮廓为图中，要求加工的零件轮廓为ABCDEFGHIJA，起刀点在起刀点在01处，经过刀具半径补偿处理后，获得如处，经过刀具半径补偿处理后，获得如虚线所示的刀具中心轨迹，其中虚线所示的刀具中心轨迹，其中O1A1为刀补建立为刀补建立段，段，A2Ol为刀补撤消段为刀补撤消段,其它各段均为刀补进行段。其它各段均为刀补进行段。（1）刀补方向）刀补方向 为了规范零件编程，为了规范零件编程，ISO标准规定，当刀具沿编标准规定，当刀具沿编程轨迹前进方向左侧行进时，称为左刀补，用程轨迹前进方向左侧行进时，称为左刀补，用G41表示；反之，沿编程轨迹前进方向右侧行进时，称表示；反之，沿编程轨迹

44、前进方向右侧行进时，称为右刀补，用为右刀补，用G42表示；当取消刀具半径补偿时，表示；当取消刀具半径补偿时，用以用以G40表示。如图表示。如图2.19所示。所示。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四补偿量刀具旋转方向前进方向(a)左刀补G41补偿量刀具旋转方向前进方向(b)右刀补G42图2.19 刀补方向数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 （2）刀补的执行过程）刀补的执行过程 在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿的执行过程分为刀补的建立、刀补的进行和刀的执行过程分为刀补的建立、刀补的进行和刀补的撤消三个步骤。补的撤消三个步骤

45、。 刀补建立刀补建立 刀具由起刀点接近工件刀具由起刀点接近工件(图图2.18中中O1A1段段)过程中，执行过程中，执行G41（或（或G42）指令建立刀补，）指令建立刀补，刀具中心逐渐偏离编程轨迹，当到达终点刀具中心逐渐偏离编程轨迹，当到达终点A时，时，正好偏离一个刀具半径的距离。正好偏离一个刀具半径的距离。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 刀补进行刀补进行 刀补建立后，刀具中心始终垂直偏离编刀补建立后，刀具中心始终垂直偏离编程轨迹一个刀具半径的距离，靠刀刃外缘加工程轨迹一个刀具半径的距离，靠刀刃外缘加工零件轮廓。零件轮廓。 刀补撤消刀补撤消 零件加工完毕后，刀具撤离工件，

46、回零件加工完毕后，刀具撤离工件，回到起刀点到起刀点(图图2.18中中A2O1段段)的过程中，执行的过程中，执行G40指令，刀具逐渐回位。指令，刀具逐渐回位。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 （3）刀具半径补偿的转接过渡类型）刀具半径补偿的转接过渡类型 一般的一般的CNC系统，所能控制的加工轨迹系统，所能控制的加工轨迹仅限于直线和圆弧，前后两段编程轨迹间共有仅限于直线和圆弧，前后两段编程轨迹间共有四种连接形式，即直线与直线相接四种连接形式，即直线与直线相接(L-L)、直线、直线与圆弧相接与圆弧相接(L-C)、圆弧与直线相接、圆弧与直线相接(C-L)、圆弧、圆弧与圆弧相接与圆

47、弧相接(C-C)。根据两轮廓段交点处在工件。根据两轮廓段交点处在工件侧的夹角侧的夹角的不同，直线过渡的刀具半径补偿可的不同，直线过渡的刀具半径补偿可以分为以下三种转接过渡类型。以分为以下三种转接过渡类型。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 18003600，缩短型过渡； 9001800，伸长型过渡； 00 900，插入型过渡； 角度称为转接角，其变化范围为 00 3600，角的约定如图2.20所示，为两个轮廓段转接处工件一侧的夹角。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.20 转接角示意图 (a) G41时； (b) G42时 (a)(b)数控原理与应

48、用数控原理与应用2022年3月17日星期四 在刀具半径补偿执行过程的三个步骤中，在刀具半径补偿执行过程的三个步骤中，均有可能遇到上述三种转接过渡类型。下面仅均有可能遇到上述三种转接过渡类型。下面仅以直线接直线以直线接直线(L-L)为例，加以说明。其他为例，加以说明。其他L-C、C-L、C-C的情况读者自行分析。的情况读者自行分析。 图图2.21所示，是所示，是LL刀补建立过程中刀补建立过程中三种转接类型的过渡形式。图三种转接类型的过渡形式。图2.22所示，是所示，是LL刀补进行过程中三种转接类型的过渡形刀补进行过程中三种转接类型的过渡形式。图式。图2.23所示，是所示，是LL刀补撤销过程中三种

49、刀补撤销过程中三种转接类型的过渡形式。转接过渡的原则是：保转接类型的过渡形式。转接过渡的原则是：保证零件轮廓接近编程轮廓，确保转接处的工艺证零件轮廓接近编程轮廓，确保转接处的工艺性，刀具紧贴工件轮廓。性，刀具紧贴工件轮廓。数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.21 刀补建立示意图 (a) 缩短型； (b) 伸长型； (c) 插入型 (a)(b)(c)SG42rG42rrSSSSrrrSG42r数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.22 刀补进行示意图 (a) 缩短型； (b) 伸长型； (c) 插入型rSrrrrrrrSSS(a)(b)(c)数控

50、原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.23 刀补撤消示意图 (a) 缩短型； (b) 伸长型； (c) 插入型G42rSG40G40G42rSSrrSrSSG40G42r(a)(b)(c)r数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 4） 刀具半径补偿的计算刀具半径补偿的计算 刀具半径补偿计算的主要工作是计算各刀具半径补偿计算的主要工作是计算各种转接类型的转接点坐标值，种转接类型的转接点坐标值， 即根据相邻编程即根据相邻编程轮廓段的起止点坐标值判断转接类型，轮廓段的起止点坐标值判断转接类型， 调用相调用相应的计算程序计算出转接点坐标值。应的计算程序计算出转接点坐

51、标值。 通过下面通过下面的分析，的分析， 将推导出判断依据和转接点坐标计算将推导出判断依据和转接点坐标计算公式，公式， 从而可以了解刀具补偿计算软件的工作从而可以了解刀具补偿计算软件的工作过程。过程。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 （1） 矢量分析。矢量分析。 为了判断转接类型，为了判断转接类型， 引入矢量的引入矢量的概念，概念， 包括方向矢量和刀具半径矢量。包括方向矢量和刀具半径矢量。 （a）方向矢量）方向矢量: 指与运动方向一指与运动方向一致的单位矢量，致的单位矢量， 用用 id表示。表示。 方向矢量的方向矢量的求法又分直线和圆弧两种情况求法又分直线和圆弧两种情况

52、, 如图如图2.24所示。所示。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.24 方向矢量的定义 (a) 直线； (b) 圆弧(X0, Y0)|R|Xl(X, Y)YlOBAYBXYY2YlXllAY1O X1X2X(b)(a)l数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 对图2.24(a)所示直线AB， 设起点为A(X1， Y1)， 终点为B(X2， Y2)， 则对应的矢量AB可表示为2122121212)()()()(YYYXABjYYiXXAB矢量长度为 其比值 jYYXXjXXiYYXXXXYYXXjYYiXXABAB2122121221221212212

53、2121212)()()()()()()()()(数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 是长度为1个单位， 方向与AB一致的矢量， 称为直线AB的方向矢量， 记为ld矢量。 令jYiXlYYXXYYYYYXXXXXlldll2122121221221212)()()()(则有 其中, Xl、 Yl分别为ld矢量在两坐标轴上的投影分量。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 圆弧的方向矢量是指圆弧上某一动点(X， Y)的切线方向上的单位矢量， 进一步又分顺圆和逆圆两种情况。 如图2.24(b)所示， 圆心为(X0， Y0) ， 圆弧上的动点为(X， Y) ，

54、圆弧半径为R， 则有RXXYRYYXGRXXYRYYXGllll0000)(03)(02）逆园时（）顺园时（数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 现若规定顺圆(G02)时R0， 逆圆(G03)时R0， 即RRR（顺圆） （逆圆） 则可获得圆弧上任一点的方向矢量及投影分量为 RYYXjYiXlllld0数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 刀具半径矢量刀具半径矢量: 指垂直于编程轨指垂直于编程轨迹，迹， 且大小等于刀具半径值，且大小等于刀具半径值， 方向指向方向指向刀具中心的矢量，刀具中心的矢量， 用用rd表示。表示。 如图如图2.25所示，所示， 设运动轨迹

55、相对设运动轨迹相对于于X轴的倾角为轴的倾角为， 直线直线AB的方向矢量的方向矢量为为ld=Xli+Ylj， 刀具半径为刀具半径为r， 刀具半刀具半径矢量为径矢量为rd=Xdi+Ydj， 根据图中几何关系根据图中几何关系可推得可推得 sin=Yl cos=Xl数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 现规定左刀补现规定左刀补(G41)时时r0， 右刀补右刀补(G42)时时r0， 即即rrr （左刀补） （左刀补） 进一步可推得刀具半径矢量投影分量与直线方向矢量进一步可推得刀具半径矢量投影分量与直线方向矢量投影分量之间的关系式为投影分量之间的关系式为ldldrXYrYX数控原理与应用

56、数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.25 刀具半径矢量与方向矢量 (a) 左刀补； (b) 右刀补XXlXdOAYdYlYBrdlYYlYdAOXlXdXBlrd(b)(a)数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四（2） 转接类型的判别。 由转接类型的定义可以看出， 它与转接角有着直接的关系， 如图2.26所示。 OOX1A(X0, Y0)B(X1, Y1)221C(X2, Y2)YXYA(X0, Y0)212C(X2, Y2)1B(X1, Y1)(a)(b) 图2.26 转接类型判别 (a) 左刀补时； (b) 右刀补时 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17

57、日星期四 图2.26中， 设直线轮廓AB与BC相接， 其中 ld1=Xl1i+Yl1j=cos1i+sin1j ld2=Xl2i+Yl2j=cos2i+sin2j 左刀补时 =180+（2-1） cos=cos180+（2-1）=-cos（ 2-1 ）sin=sin180+（ 2-1 ）=-sin（ 2-1 ） 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 右刀补时 0011)sgn(rrr(左刀补G41时) (右刀补G42时) 则无论是左刀补还是右刀补， 均有 sin=-sgn（r）sin（2-1）=-sgn（r）（Yl2Xl1-Xl2Yl1） cos=-cos（ 2-1 ）=-（

58、Xl2Xl1+Yl2Yl1） 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 由此可获得转接类型的判别条件为 缩短型条件： 180360， sin0， cos任意， 即 sgn（r）（Yl2Xl1-Xl2Yl1）0 伸长型条件： 90180， sin0， 且cos0， 即 sgn（ r ）（ Yl2Xl1-Xl2Yl1 ）0且（Xl2Xl1+Yl2Yl1）0 插入型条件： 090， sin0， 且cos0， 即 sgn（ r ）（ Yl2Xl1-Xl2Yl1 ）0且（ Xl2Xl1+Yl2Yl1 ）0数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 (3) 转接点的计算。 转接点

59、的计算就是指运用矢量方法求出刀补轨迹上的各个转接点坐标值， 下面以直线接直线为例推导转接点坐标的计算公式。 图2.27所示为直线接直线的缩短型刀补建立的情况， 其转接点S(XS， YS)相对于点B(X1， Y1)来讲仅相差一个刀具半径矢量， 则有数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 OB=X1i+Y1j r=-rYl2i+rXl2j OS= OB +rd=(X1-rY12)i+(Y1+rX12)j=XSi+YSj 因此有 XS=X1-rY12 YS=Y1+rX12 左刀补撤消的情况与此类似。 数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四图2.27 直线接直线缩短型刀

60、补建立时的转接点计算 YOXB(X1, Y1)rdS(Xs, Ys)A(X0, Y0)数控原理与应用数控原理与应用2022年3月17日星期四 图2.28所示为直线接直线的缩短型刀补进行的情况， 设编程轮廓l1和l2的方向矢量分别为 ld1=Xl1i+Yl1j ld2=Xl2i+Yl2j 分别作直线l1和l2的等距线l1和l2，且其间的垂直距离为r，则如果将xOy 坐标系原点平移到B（X1，Y1）后，可求得l1和l2的直线方程为 -Yl1X+Xl1Y=r -Yl2X+Xl2Y=r 联立方程组解得 122112122112)()(llllllllllllYXYXrYYYYXYXrXXX数控原理与应