数控系统的应用分析课件

1、 2022/9/181 专题二： 数控系统的应用分析一、数控的基本设想二、数控系统的组成及分类三. 数控加工的程序编制 2022/9/182 专题二 数控系统的应用分析一. 数控的基本设想 1. 机械零件切削加工的基本要求（需求分析）按图纸加工大致有二类数据信息：1）几何数据（刀具运动轨迹） 零件粗、精加工后的几何形状-以线段的形式顺序表达。 2）工艺数据（切削用量及机械动作的开关量） 切削用量：进给量、切削速度等 机械动作的开关量：主轴转速、冷却液等 2022/9/183 专题二 数控系统的应用分析一. 数控的基本设想 2. 被控制量的数字化（编码） 刀具运动轨迹控制设想：是把刀具与工件的相

2、对运动坐标分割成一些最小的量化单位，也就是“最小位移量”（脉冲当量）。在允差范围内，用各坐标的最小单位移动量合成的分段直线运动来代替任意的曲线运动，以获得所需的轨迹。 针对不同的执行元件有不同的分割方法。 2022/9/184 专题二 数控系统的应用分析一. 数控的基本设想 3. “插补”运动控制算法。 数据的密化。确定密化的中间点的方法：直线插补，圆弧插补（或二次、三次曲线插补）。 vs1S2S3tFS1加速段，S2匀速段，S3减速段加减速控制tv插补控制T为插补周期Tvi为采样周期插补后的单轴位移量 2022/9/185 专题二 数控系统的应用分析一. 数控的基本设想 4. 伺服放大 伺服

3、系统是以执行部件（伺服电机或机械移动部件）的位置和速度为控制量的自动控制系统，伺服系统接收计算机插补软件生成的位移脉冲或位移数据，经变换和放大转化为执行部件的位移。 伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 2022/9/186 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1. 数控系统的组成 CNC数控系统由人机界面和机床操作面板，计算机数字控制装置，可编程控制器（PLC），输入输出接口，主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。 CNC装置的

4、控制信息包括运动控制信息和开关量控制信息。运动控制信息有坐标轴的位置和速度控制，以及速度和位置反馈信息。 开关量控制信息有控制机电器件（电磁铁，离合器等）实现辅助功能（如齿轮换档，刀架回转等和辅助电机等运行或停止的指令信息，以及有关限位开关、参考点等的反馈信息。 电器柜中有进给伺服装置，主轴调速装置，开关电器元件和电源等。它从CNC装置中获得指令信息，经过放大形成有一定功率的驱动电源供给机床上的各个执行器件。 2022/9/187 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1. 数控系统的组成驱动电源速度反馈驱动电源速度反馈 伺服电机 伺服电机主轴电机 坐标轴 CNC装置 电器柜

5、机床限位开关，参考点 机电器件（电磁铁，离合器等） 辅助功能（齿轮箱，回转刀架等） 辅助电机进给伺服装置主轴调速装置显示器,键盘机床控制面板 电源开关电器元件通讯接口 CNC装置运动指令位置反馈开关量I/O电源 2022/9/188 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 SIEMERIK 810 数控装置人机界面和机床操作面板。 1.为显示器和软功能键， 2为LED信号和报警灯， 3为程序编辑键盘， 4为特殊键盘， 5为光标键盘， 6为机床控制面板， 7为RS232C串行通讯接口 显示器显示内容包括运行模式、运行状态、运行和报警信息、文本和图形显示、提示信息

6、。 机床控制面板由程序停止、启动，主轴停止、启动，进给轴停止、启动，手动轴进给和主轴、进给轴倍率等组成。 2341765 2022/9/189 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 GSK980i 数控装置人机界面和机床操作面板。 2022/9/1810二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1811二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1812二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1813二. 数控系统的

7、组成及分类 1.数控系统的组成-西门子 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1814二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成海德汉iTNC530 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1815二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成FANUC 31 i 专题二 数控系统的应用分析 2022/9/1816 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 2022/9/1817 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 1.数控系统的组成 2022/9/1818 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 2. 数控系统的分类

8、1) 按用途分类。l金属切削类数控系统 金属切削类数控系统有数控车床、数控铣床 、数控钻床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。加工中心（MANUFACTURE CENTRE，简称MC）是带有刀库和自动换刀装置的一机多工序的数控机床，它可以对一次装夹的工件进行车、铣、镗、钻、饺、螺纹等多工序加工。加工中心有效的避免了零件多次装夹造成的定位误差，减少了机床台数和占地面积，大大提高了加工精度、生产效率和自动化程度。l金属成型类数控系统 金属成型类数控系统有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。 数控特种加工机床 数控特种加工机床有数控线切割机、数控电火花加工机床、数控激光加工机床。 2022/9/18

9、19 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 2. 数控系统的分类 2) 按运动方式分类。l 点位控制系统 点位控制系统的特点是只控制刀具相对于工件的定位点的坐标位置，从某一工作位置移动到另一工作位置的过程中不进行加工，对轨迹无要求，仅要求定位的准确性(Flexible Manufacturing System 柔性制造系统)。这类数控机床主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机等。l 直线控制系统 直线控制系统的特点是除有定位要求外，还要求进给运动沿平行于坐标轴的方向直线移动进行切削加工，或者控制两个坐标轴以同样的速度同时运动，沿45斜线进行切削加工。直线控制的数控车床，

10、只有两个坐标轴，可用于台阶轴的加工。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面铣削加工。l轮廓控制系统 该类数控系统能够同时控制二个以上的坐标轴联动，使刀具和工件按平面任意直线、曲线或空间曲面轮廓进行相对运动。加工出任何形状的复杂零件。在加工中，需要不断地进行插补运算与相应的速度和位置控制。现代大部分数控系统都属于这类系统。 2022/9/1820 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 2. 数控系统的分类 3) 按伺服控制方式分类。l 开环控制系统 开环控制系统就是不具有任何被控量实际值反馈的数控系统。这种系统通常使用步进电机作为执行机构。数控装置根据所要求的进给速度和位移

11、，输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经过驱动电路放大后，每一个进给脉冲驱动步进电机旋转一个步距角，再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。由于步进电机及驱动电路本身结构的缘故，使得开环控制系统精度较低，响应速度低，且功率也不能太大。但开环控制系统结构简单、运行平稳、成本低、使用维护方便，被广泛应用于经济型数控机床上。脉冲指令 驱动系统 步进电机 数控装置 机床工作台开环控制系统示意图 2022/9/1821 专题二 数控系统的应用分析二. 数控系统的组成及分类 2. 数控系统的分类 闭环控制系统和半闭环控制系统 闭环和半闭环数控系统具有位置和速度检测元件，数控装置将位移指令与位置检测元件检测

12、到的实际位置进行实时的比较，其差值与数控装置给定的指令速度按一定的关系转换得到伺服驱动系统的速度指令。同时，速度检测元件将测得的实际速度反馈信号与该速度指令相比较，以对电机的转速进行实时校正。利用这种位置控制和速度控制的双回路控制，可以获得比开环控制系统精度更高、响应速度更快、驱动功率更大的特性指标。数据指令-+闭 环半闭环 驱动系统 伺服电机 数控装置 机床工作台位置 控制 检测装置速度控制闭环控制系统和半闭环控制系统示意图 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 1. 程序编制的基本概念 数控加工程序的编制就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量及位移方向、其他辅助动作（刀具

13、选择、冷却剂、工件加紧等开关量），按运动顺序和所用数控系统规定的坐标系和指令代码及程序格式编成加工程序单，这称为数控加工程序的编制。 理想的加工程序，不仅应保证加工出符合图纸要求的合格零件，而且应能使数控设备效能得到合理的应用和充分的发挥。 2022/9/1823 2、数控加工编程的有关规定数控机床坐标轴系及运动方向 根据ISO国际标准，坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系，如图所示，它规定了直角坐标X、Y、Z三者的关系及正方向用右手定则来确定。其围绕X、Y、Z各轴的旋转轴及其正方向为A、B、C分别用右螺旋法则判定。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1824机床坐标

14、系的设定 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1825编程坐标系或产品坐标系产品坐标系是用户在CAD/CAM软件中对产品进行设计时所设定的坐标系。在CAD/ CAM软件中自动生成的NC代码中各轴的坐标值都是相对产品坐标系的机床坐标系 机床坐标系是生产厂家在制造机床时的固定坐标系，其原点也称机械零点，以使加工零件材料增大的方向为正。附加运动坐标 U、V、W 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1826绝对坐标和相对坐标 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 绝对坐标：相对坐标： 2022/9/1827 专题二 数控系统的应

15、用分析三. 数控加工的程序编制 当工件毛坯在机床上装夹时，由于工件坐标系与机床坐标系原点不重合，由此就需要对产品坐标系到机床坐标系进行坐标转换。对于三轴的铣床和二轴的车床来说，转换只是一个坐标平移的过程，这只需在NC代码中通过设定工件坐标系相对机床坐标系的坐标偏移值即可实现。（G54G59） 2022/9/1828 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 三坐标铣床坐标转换图 2022/9/1829 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 而对于五轴联动的铣床来说，工件坐标系到机床坐标系的转换则是个计算比较复杂的过程。五轴加工中，CAD/CAM软件中的坐标点由x,y,z

16、三轴的坐标和期望的刀轴方向的方向矢量i,j,k 六个坐标来表示。XfX（x，y，z，i，j，k）；YfY（x，y，z，i，j，k）；ZfZ（x，y，z，i，j，k）；BfB（x，y，z，i，j，k）；CfC（x，y，z，i，j，k）；当机床的结构形式不同时，上述的转换函数形式也就不同。 2022/9/18302、数控加工代码及功能地址字母表（ISO6983/1标准）符号含 义符号含 义A绕X坐标的旋转轴N程序段序号B绕Y坐标的旋转轴S主轴速度功能C绕Z坐标的旋转轴T刀具功能F进给速度功能U平行于X轴的第二直线运动G准备功能 V 平行于Y轴的第二直线运动I不指定，一般用于圆弧运动W平行于Z轴的第

17、二直线运动J不指定，一般用于圆弧运动X主X坐标轴的直线运动K不指定，一般用于圆弧运动Y主Y坐标轴的直线运动M辅助功能 Z主Z坐标轴的直线运动 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1831常用G代码的定义代码功 能代码功 能G00快速空运行G18XZ平面选择G01直线插补G19YZ平面选择G02顺时针方向圆弧插补G33螺纹切削，等螺距G03逆时针方向圆弧插补G90绝对尺寸G04暂停G91增量尺寸G17XY平面选择 常用M代码的定义M00程序停止 M03主轴正转M04主轴反转 M05主轴停止M08冷却液开 M30程序结束 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序

18、编制 2022/9/18323、程序结构与格式 一个完整的数控加工程序由若干程序段组成；而每个程序段是由一个或若干个字组成。每个字又由字母和数字数据（包括符号）组成，每个字表示了一种功能。每个字都由字母开头，ISO标准规定的地址字母意义如表41所示。其中准备功能G代码定义了数控系统的加工运动和插补方式的功能，它由地址G和后面的二位数字组成。表42为常用的G代码表。例如，某一加工程序：N5 G54N10 T01N20 S400 M03 N30 G01 X8000 Z3000 F200 N40 X12000 Z6000 N100 G00 X50000 Z20000 M02 专题二 数控系统的应用分

19、析三. 数控加工的程序编制 2022/9/18334、 G代码的编程方法1)与坐标系有关的指令 G17 G18 G19 G90 G91 G922)快速定位 G003)插补指令 G01 G02 G03 G33 自定义4)暂停指令 G045)刀具半径补偿 G40 G41 G42 6)刀具长度补偿 T D H G43 G44 7)固定循环指令 8 )机床坐标系与编程坐标系 参考点 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1834 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 组别功 能*G0001定位（快速移动）*G01直线插补（切削进给）G02圆弧插补 / 螺旋线插

20、补CWG03圆弧插补 / 螺旋线插补CCWG0400暂停，准停G05.1预读控制（超前读多个程序段）G07.1圆柱插补G08预读控制G10可编程数据输入G11可编程数据输入方式取消*G1517极坐标指令取消G16极坐标指令*G1702选择XY平面*G18选择ZX平面*G19选择YZ平面组别功 能G2006英寸输入G21毫米输入*G2204存储行程检测功能接通G23存储行程检测功能断开G2800返回参考点（机械原点）G3301螺纹切削*G4007刀尖半径补偿取消G41刀尖半径补偿，左侧G42刀尖半径补偿，右侧G4308正向刀具长度补偿G44负向刀具长度补偿G4500刀具位置偏置加G46刀具位置偏

21、置减G47刀具位置偏置加2倍G48刀具位置偏置减2倍*G4908刀具长度补偿取消FANUC 0i-MA系统指令表 2022/9/1835 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 FANUC 0i-MA系统指令表*G5011比例缩放取消G51比例缩放有效*G50.112可编程镜像取消G51.1可编程镜像有效G5200局部坐标系设定G53选择机床坐标系*G5414选择工件坐标系1G55选择工件坐标系2G56选择工件坐标系3G57选择工件坐标系4G58选择工件坐标系5G59选择工件坐标系6G6315攻丝方式*G64切削方式G6500用户宏程序G6816坐标旋转有效*G69坐标旋转取消G7

22、309深孔钻循环G74左旋攻丝循环G7609精镗循环*G8009固定循环取消/外部操作功能取消G81钻孔循环，锪镗循环或外部操作取消G82钻孔循环或反镗循环G83深孔钻循环G84攻丝循环G85镗孔循环G86镗孔循环G87背镗循环G88镗孔循环G89镗孔循环*G9003绝对值编程*G91增量值编程 2022/9/1836 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 FANUC 0i-MA系统指令表G9200设定工件坐标系或最大主轴速度箝制*G9405每分进给G95每转进给G9613恒表面切削速度控制*G97恒表面切削速度控制取消*G9810固定循环返回到初始点G99固定循环返回到R点 2

23、022/9/1837 在编制数控加工程序时，首先根据被加工零件的形状、尺寸及公差、表面质量、材料等技术要求，制订满足这些要求的加工方法与走刀路线等等工艺过程。这就是所谓的工艺处理。 在对零件编程时，应选定一个编程坐标系，其原点就称程序原点或编程原点。其原点应按它的设计或工艺基准选取。 数控机床本身有个坐标系原点，称机床原点，或称参考点和机械原点。当零件被装夹在机床上加工时，必须知道编程原点与机床原点间精确的坐标关系。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1838编程原点与机床原点间精确坐标关系确定方法以车床为例： 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制

24、 机床坐标系原点工件坐标系原点，设置与机床坐标系的偏置（G54G59）来指定XZ刀具长度补偿的值为刀尖到这一点的X方向和Z方向的尺寸B2Y2 2022/9/1839 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 铣削循环端面铣削轮廓铣削矩形过渡铣削圆弧过渡铣削中心钻孔深度钻孔镗孔铰孔加工一排孔加工一圈孔螺纹铣削端面铣削粗精加工轮廓铣削粗精加工 2022/9/1840 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 车削加工的粗加工循环和精加工 2022/9/1841 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 加工中心是具有刀库和自动换刀装置的数控镗铣床或具有刀库和动力刀架的

25、数控车床。立式加工中心适合于加工盖板类零件及各种模具卧式加工中心主要用于箱体类零件加工车削中心主要用于轴类零件的车削、铣削复合加工 2022/9/1842 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 加工中心编程的特点首先应进行合理的工艺分析，正确安排各加工工序的顺序。选用正确的刀具，合适的切削用量。在加工调试时，可以将不同工序的内容分别安排到不同的子程序中，主程序主要完成换刀及子程序调用，这样每个子程序可以分别进行调试，也便于因加工顺序不合理而做出重新调整。自动换刀要留出足够的换刀空间。 2022/9/18435、数学处理 一个零件的轮廓可能由许多不同的几何元素组成，例如直线、圆弧、

26、二次曲线等。各相邻几何元素之间的连接点称为“基点”，如直线与直线及直线与圆弧的交点或切点，圆弧与二次曲线的交点或切点等；在相邻基点间只能是一个几何元素。数控加工编程的数学处理，就是计算零件轮廓的基点坐标值，使基点间的几何元素能用数控加工“G”指令编程。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1844 1) 多坐标加工2，2 1/2坐标加工 椭圆台加工 XY-ZX 直线、圆弧、阿基米德 螺旋线=3坐标加工 XZC 螺旋线： 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/18454坐标加工 XYAB5坐标加工 X,Y,Z,B,C的耦合与解耦问题： 专

27、题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1846 5坐标加工 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/18472) 非圆曲线的节点计算 由于数控插补指令只有直线、圆弧等少数几种几何元素，对于非圆弧曲线只能采用直线逼近或圆弧逼近的方法。根据允许的编程误差，可将这类曲线分割成若干段，用直线或圆弧来代替（逼近）这些曲线段，并使这些直线或圆弧与被逼近的曲线每小段的误差都不大于编程误差。这些直线或圆弧与被逼近曲线的交点称为“节点”，这样，数学处理的任务就是计算节点的坐标值。 例如：用直线或圆弧逼近方程曲线y=f(x) 的非圆曲线时，节点数目及其坐标值主要

28、取决于曲线的特性、逼近线段的形状及允许的逼近误差值。 常用的节点计算方法有：等间距直线逼近法，等步长直线逼近法，等误差直线逼近法，圆弧和双圆弧逼近法，样条函数逼近法等。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1848 等间距直线逼近 曲线曲率和曲线的一阶导数变化较大时，程序段数过多。等步长直线逼近 曲线曲率变化较大时，程序段数过多。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 Yxox1xiY0YixY=f(x)Yxox1xiY0YiY=f(x)li 2022/9/1849 等误差逼近 计算较繁。圆弧逼近 曲率圆法 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的

29、程序编制 Yxox1xiY0YiY=f(x)i 2022/9/1850 3) 列表曲线的数学处理 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1851 3) 列表曲线的数学处理列表曲线的拟合过程求出插值方程加密求节点。三次样条（Spline）曲线的拟合一阶，二阶导数连续，比较符合固体弹性变形和流体力学的规律。处理小挠度较好。圆弧样条拟合 一阶导数连续，二阶导数不连续，不适合作空间描述。当曲线有拐点时无法拟合。拟合与节点计算同时进行，计算简单。 专题二 数控系统的应用分析三. 数控加工的程序编制 2022/9/1852 3) 列表曲线的数学处理NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）曲线。 NURBS曲线有很多优秀特性，如局部更改性，使其在CAD/CAM领域已得到较为成功的应用。各著名的CAD/CAM商业软件包都把是否具有NURBS曲面造型能力视为其先进性的标志之一。国际标准组织在1991年将BURBS曲线作为STEP