数控技术概论及加工编程课件VIP

數控技術概論及加工編程(1)第一章緒論§1數控機床的產生和發展§2數控加工的特點§3數控機床的主要性能指標內在動力：迫切需要一種精度高、柔性好的加工設備技術基礎：電子技術、電腦技術、控制技術為小批量、精密、複雜的零件生產提供了極其有效的自動化加工手段定義：數字控制技術：簡稱數控（NumericalControl,NC）用電子電腦以指令方式控制機床動作的技術數控機床：用該控制技術控制的機床§1數控機床的產生和發展1.數控機床的產生1952年在美國成功研製出第一臺三座標數控銑床2.數控機床的組成和工作原理組成:程式載體、輸入裝置、CNC單元、伺服系統、位置回饋系統、機床機械部件程式載體輸入裝置CNC單元伺服系統機床位置回饋信號工作原理：數控機床的組成框圖

數控銑床:發展最早的一種數控機床升降工作臺式→工作臺不升降(圖1)

可加工複雜平面、曲面、殼體3.數控機床的發展由數控機床的組成與原理知：數控加工是以介質作為機床自己能閱讀的工藝卡片，用控制機構和伺服機構代替人的大腦和雙手的部分功能，控制全部加工過程。

數控車床：目前使用較廣泛的數控機床

加工中心：一次裝夾完成多道工序加工的數控機床與普通機床加工零件的區別在於：數控機床是按程式自動加工零件，後者要由工人手工操作來加工零件工藝分析工序卡數控加工程式零件圖§2數控加工的特點1.數控加工與傳統加工的比較

零件加工精度高、加工品質穩定

加工生產率高

減輕勞動者的勞動強度

良好的經濟效益

有利於生產管理的現代化2.數控加工的優點

對加工對象改型的適應性強3.數控機床的應用範圍

結構比較複雜的零件

需要頻繁改型的零件

價格昂貴、不允許報廢的零件

需要最短生產週期的急需零件

多品種小批量生產的零件10100200綜合費用專用機床通用機床數控機床零件批量零件批量數零件複雜程度專用機床通用機床數控機床1.規格指標:指數控機床的基本能力指標，主要包括§3數控機床的主要性能指標行程範圍:工作臺面尺寸:承載能力:控制軸數和聯動軸數:機床能加工零件的最大重量機床安裝工件的最大範圍

機床允許的加工空間控制軸數:機床數控裝置能夠控制的進給軸數目聯動軸數:機床數控裝置同時控制的進給軸數目：如2軸、2.5軸、3軸、4軸、5軸控制等2.5軸聯動：兩個軸是同時、連續控制，第三軸是間歇控制3軸聯動：三個坐標軸X、Y、Z是同時插補，是三維連續控制5軸聯動：三個坐標軸X、Y、Z，與工作臺的回轉、刀具的擺動同時聯動（或是與兩軸的數控轉臺聯動，或刀具做兩個方向的擺動）2.5軸數控機床加工3軸數控銑床曲面加工5軸聯動數控加工3.性能指標:最大主軸轉速:最高快移速度和最高進給速度:最高快移速度指進給軸在非加工狀態下的最高移動速度主軸所能達到的最高轉速，是影響零件表面加工品質、生產率、刀具壽命的主要因素最高進給速度指進給軸在加工狀態下的最高移動速度2.精度指標:機床的移動部件沿某一坐標軸運動時實際值與給定值的接近程度同一台數控機床上應用相同程式、相同代碼加工一批零件所得到結果的一致性分度工作臺在分度時指令要求回轉的角度值和實際回轉的角度值的差值定位精度:重複定位精度:分度精度:機床移動部件位置精度可以測量的最小增量（對測量系統而言）可以控制的最小位移增量（對控制系統而言）脈衝當量：

解析度：

數控裝置每發出一個脈衝信號，反映到機床移動部件上的移動量。例：0.001mm脈衝當量越小，數控機床的加工精度和加工表面品質越高解析度（Resolution）與脈衝當量:數控技術概論及加工編程(2)§1概述§2硬體數控系統§3電腦數控系統§4CNC系統的軟體插補§5CNC系統的刀具補償和加減速控制第二章數控系統工作原理§1概述1.機床數控系統的技術發展2.機床數控系統的分類按所用數控裝置的構成方式硬線數控系統（NC）電腦數控系統（CNC）（軟線）它的輸入、插補運算和控制功能，都由專用的固定組合邏輯電路來實現，不同功能的機床，其組合邏輯電路不同。改變或增減控制、運算功能時，需改變硬體電路。通用性、靈活性差，製造週期長，成本高它的硬體電路是由小型或微型電腦再加上通用或專用的大規模積體電路製成，數控機床的主要功能由系統軟體來實現，不同功能的機床系統軟體不同。修改或增減系統功能時，不需變動硬體電路，只需改變系統軟體。有較高靈活性，利於縮短製造週期，降低成本

按所用進給伺服系統開環數控系統半閉環數控系統閉環數控系統步進電機機床工作臺控制系統伺服馬達機床工作臺數控裝置位置檢測器伺服馬達機床工作臺數控裝置位置檢測器按數控系統加工功能點位控制系統（PositioningControlSystem）直線控制系統（LineMotionControlSystem）輪廓控制系統（ContouringControlSystem）特點:只要求保證點與點之間的準確定位,即只控制行程的終點座標值,而對點與點之間刀具所移動的軌跡不加控制.在移動過程中,刀具不進行切削,採用機床設定的最高進給速度進行定位運動,接近終點需要低速趨近。如:鑽床、衝床特點:除了控制點與點之間的準確定位外,還要保證刀具在被控制的兩點之間的運動軌跡是一條直線，且在運動過程中，刀具按給定的進給速度進行切削。如:車床、銑床、磨床特點:能同時對兩個或兩個以上座標方向的聯動進行連續控制,不僅要控制起點、終點座標的準確性,而且對每暫態的位移和速度進行嚴格的不間斷的控制,具有這種控制系統的數控機床可以加工曲線和曲面.如:具有兩座標或兩座標以上聯動的數控銑床、車床、磨床和加工中心。按功能水準分類高檔中檔低檔專案低檔中檔高檔解析度1010.1進給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯動軸數2～3軸2～4軸或3～5軸以上主CPU8位16位、32位、64位伺服系統步進電機開環直流及交流閉環伺服系統內裝PC無有顯示功能數碼管有字元圖形、人機對話、自診斷通信功能無DNC介面MAP介面分類界限§2硬體數控系統機床數控系統輪廓控制的主要問題，是怎樣控制刀具或工件的運動軌跡。一般情況是已知運動軌跡的起點座標、終點座標、曲線類型和走向，由數控系統即時地算出各個中間點的座標。即需要“插入、補上”運動軌跡各個中間點的座標，這個過程稱為“插補”（Interpolation）。插補結果是輸出運動軌跡的中間點座標值，常用的插補計算方法有：逐點比較法和數字積分法。逐點比較插補法(point-by-pointrelativemethod)基本原理：每走一步都要將加工點的暫態座標與規定的圖形軌跡相比較判斷一下偏差，然後決定下一步的走向，如果加工點走到圖形外面去了，那麼下一步就往圖形裏面走；如加工點在圖形裏面，則下一步就向圖形外面走，以縮小差距。這樣就能得到一個非常接近規定圖形的軌跡。ABOYXP0(x,y)P1P2圖中AB是需要插補的曲線，用逐點比較法插補前先要根據AB的形狀構造一個函數F=F（x,y）x,y為刀具的座標函數F的正負必須反映出刀具與曲線的相對位置關係，設這種關係為F(x,y)>0刀具在曲線上方F(x,y)=0刀具在曲線上F(x,y)<0刀具在曲線下方由於F(x,y)反映了刀具偏離曲線的情況，稱之為偏差函數

逐點比較法的程式流程如圖。一個插補迴圈由偏差判別、進給、偏差計算和終點判別四個工作節拍組成。各節拍功能：偏差判別

進給偏差計算終點判別偏差判別進給偏差計算終點判別判別偏差函數的正負，以確定刀具相對於所加工曲線的位置根據上一節拍的判斷結果確定刀具的進給方向。若偏差函數F(x,y)小於零，說明刀具在曲線下方（P0點）。請回答，為了讓刀具向曲線靠近並朝曲線的終點運動，刀具應沿X軸或Y軸走一步？若偏差函數大於零呢？等於零？計算出刀具進給後在新位置上的偏差值，為下一插補迴圈做好準備判斷刀具是否到達曲線的終點。若到達終點，則插補工作結束；若未到達，則返回到節拍1繼續插補直線插補（linearinterpolation）即若加工點P在直線OA上方，則即若加工點P在直線OA下方，則即設某時刻刀具運動到P（Xi,Yi）偏差函數為Fi，則F的數值稱為該點的“偏差值”①偏差函數OA是要加工的直線。起點座標O為座標原點，終點A座標為。點P為任一加工點（刀具），若P點正好在直線OA上時，下式成立OYXAPF>0F<0②進給方向與偏差判別若點P在直線上或上方（F≥0）應向+X方向發一脈衝，使機床刀具向+X方向前進一步，以接近該直線；OYXA綜上所述，在直線插補中，偏差函數與刀具位置的關係是F>0刀具在直線上方F=0刀具在直線上F<0刀具在直線下方OYXAPF>0F<0OYXA當點P在直線下方時(F＜0)，刀具向

+Y

方向前進一步。偏差情況進給方向偏差計算+X+Y直線插補計算過程當偏差值F<0時，刀具從現加工點向Y正向前進一步，到達新加工點則新加工點的偏差值為新加工點的偏差可用前一點的偏差遞推出來：當偏差值F≥0時，刀具從現加工點向X正向前進一步，到達新加工點則新加工點的偏差值為③終點判別對於逐點比較插補法，每進行一個插補迴圈，刀具或者沿X軸走一步，或沿Y軸走一步，因此插補數與刀具沿X、Y軸已走的總步數相等。這樣可根據插補迴圈數i與刀具沿X、Y軸應進給的總步數N是否相等判斷終點，即直線加工結束的條件為i=N④插補程式及舉例0n,0Fi原地等待插補時鐘F≥0？進給方向+x進給方向+yY插補結束NYN左圖是逐點比較法直線插補流程圖。n是插補迴圈數，Fi是第i個插補迴圈時偏差函數值。例：逐點法加工直線OA，並畫出插補軌跡OYXA(5,3)解：插補運算過程見表脈衝個數偏差判別進給方向偏差計算終點判別0E=81+XE=E-1=8-1=7≠02+YE=E-1=7-1=6≠03+XE=E-1=6-1=5≠04+YE=E-1=5-1=4≠05+XE=E-1=4-1=3≠06+XE=E-1=3-1=2≠07+YE=E-1=2-1=1≠08+XE=E-1=1-1=0到終點12345678OA(5,3)YX插補軌跡圓弧插補（circularinterpolation）加工第一象限逆時針圓弧若點正好落在圓弧上，則有ABP若點在圓弧外側，則有Rp>RP若點在圓弧內側，則有Rp<RP上面各式可分別寫成：在圓弧上在圓弧外側在圓弧內側逐點比較法圓弧插補的偏差判別式定義為：RRpABF<0F>0XYOP若點在圓弧外側或圓弧上，即滿足F≥0的條件時，應向X軸發出一負方向脈衝（-△X），向圓內走一步；若點P在圓弧內側呢？PRRpABF<0F>0XYOP應向Y軸發出一正向脈衝（+△Y），向圓弧外走一步。P設點在圓弧外側或圓弧上，(F≥0)可計算出新加工點偏差為P設點在圓弧內側，(F<0)可計算出新加工點偏差為且且和直線插補一樣，除偏差計算外，還要進行終點判別，方法與前同。例：加工圖示逆圓弧AB，起點A(6,0)，B(0,6),試對其進行插補，並畫出插補軌跡。AB(6,0)(0,6)0n,0Fi原地等待插補時鐘F≥0？進給方向-x進給方向+yY插補結束NYN插補流程圖見右脈衝個數偏差判別進給方向偏差計算座標計算終點判別1F0=0-XF1=F0-2X0+1=0-2×6+1=-11X1=X0-1=6-1=5Y1=Y0=02F1=-11<0+YF2=F1+2Y1+1=-11+0+1=-10X2=X1=5Y2=Y1+1=13F2=-10<0+Y4F3=-7<0+Y5F4=-2<0+Y6F5=5>0-X7F6=-4<0+Y8F7=5>0-X9F8=-2<0+Y10F9=9>0-X11F10=+4>0-X12F11=1>0-XABXYO圓弧插補軌跡圖(6,0)(0,6)2.數字積分法利用數字積分的方法，計算刀具沿各坐標軸的位移，使得刀具沿著所加工的軌跡運動數字積分原理△tYt數字積分(DDA)直線插補①原理yxoE(7,4)例：右圖下，若要使從O點到E點的插補過程進給脈衝均勻，就必須使分配給x,y方向的單位增量成正比。設需要在t=10秒內使加工到達終點E，則每單位時間間隔△t內，x和y的增量分別為△x’=xe/10=0.7△y’=ye/10=0.4上述例子實際上是累加運算過程（積分）DigitalDifferentialAnalyzer(數字微分分析器)從直線起點到終點的過程，可以看作是各坐標軸每經過一個單位時間間隔△t，分別以增量kxe,kye同時累加的過程。據此，可以作出直線插補器。設要加工一條直線OE，Vx，Vy表示刀具在x，y方向的移動速度VXoE(xe,ye)VVyVx刀具在x，y方向上移動距離的微小增量為：假定進給速度V是均勻的(V為常數)，對於直線函數，Vx

、Vy

亦為常數，即代入上式得y積分累加器Ray被積函數寄存器Rx(xe)被積函數寄存器Ry(ye)x積分累加器Raxx積分器y積分器△x△y控制脈衝⊿t插補X軸溢出脈衝Y軸溢出脈衝DDA直線插補器示意圖直線插補器由兩個數字積分器組成，每個座標的積分器由累加器和被積函數寄存器所組成。終點座標值存放在被積函數寄存器中。②終點判別經計算，刀具從原點到達終點的累加次數m=2n因此，可以設置一個位數為n的終點計數器Re來記錄累加次數。插補前將其清零，插補運算開始後，每進行一次加法運算，Re就加1，當記滿2n數時，停止運算，插補完成。工作過程為：每發一個插補脈衝（即來一個△t），使kxe，kye向各自的累加器裏累加一次，累加的結果有無溢出脈衝△x(或△y)，取決於累加器的容量2n和kxe，kye的大小。③舉例例：要插補所示直線軌跡OA，起點座標為O(0,0)，終點座標為A(5,3),若被積函數寄存器Rx、Ry和餘數寄存器Rax、Ray以及終點計數器Re均為三位二進位寄存器。請寫出插補過程、畫出DDA直線插補軌跡。課堂練習！yxoA(5,3)注：插補前Rax、Ray、Re為零，Rx、Ry分別存放xe=5，ye=3，且始終保持不變累加次數X積分器Y積分器終點計數器Re備註RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始狀態11010112101011310101141010115101011610101171010118101011DDA直線插補過程累加次數X積分器Y積分器終點計數器Re備註RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始狀態1101101011011001一次累加2101011310101141010115101011610101171010118101011DDA直線插補過程累加次數X積分器Y積分器終點計數器Re備註RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始狀態1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出310141015101610171018101DDA直線插補過程累加次數X積分器Y積分器終點計數器Re備註RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始狀態1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出31011110110011011⊿y溢出41015101610171018101DDA直線插補過程累加次數X積分器Y積分器終點計數器Re備註RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始狀態1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出31011110110011011⊿y溢出41011001011100100⊿x溢出51010011011111101⊿x溢出61011100110101110⊿y溢出71010111011101111⊿x溢出810100010110001000⊿x、

⊿y同時溢出，插補結束DDA直線插補過程A（5，3）XYODDA直線插補軌跡圖§3電腦數控系統1、基本概念按美國電子工程協會（EIA）數控標準化委員會的定義，CNC（ComputerizedNumericalControl）系統是：用電腦通過執行其記憶體內的程式來完成數控要求的部分或全部功能，並配有介面電路、伺服驅動的一種專用電腦系統。CNC系統根據輸入的程式或指令，由電腦進行插補運算，形成理想的運動軌跡，插補計算出的位置數據輸出到伺服單元，控制電機帶動執行機構，加工出所需零件。CNC系統中的電腦主要用來進行數值和邏輯運算，對機床進行即時控制，只要改變電腦中的控制軟體就能實現一種新的控制方式。2.數控系統的特點CNC系統靈活可變，易於變化和擴展CNC系統通用性強CNC系統可靠性強CNC系統易於實現多功能、高複雜程式的控制CNC系統使用、維護方便3.數控系統的硬體結構輸入/輸出設備（I/O）中央處理單元（CPU）匯流排（BUS）記憶體（ROM、RAM）I/O介面輸入/輸出設備（I/O）通常配置的I/O設備主要有：紙帶閱讀機、鍵盤、操作控制面板、顯示器、紙帶穿孔機、外部存儲設備中央處理單元（CPU）是CNC系統的核心與“頭腦”，主要具備的功能：可進行算術、邏輯運算可保存少量數據能對指令進行解碼並執行規定動作能和記憶體、外設交換數據提供整個系統所需的定時和控制可回應其他部件發來的脈衝請求算術、邏輯部件CPU內部結構所包含的部分：累加器和通用寄存器組程式計數器、指令寄存器、解碼器時序和控制部件匯流排（BUS）在CNC系統中內部各部件之間傳輸資訊的通路CPU晶片內部採用三匯流排結構：數據匯流排DB（DataBus）地址匯流排AB（AddressBus）控制匯流排CB（ControlBus）CPU與外界傳送數據的通道確定傳輸數據的存放地址管理、控制信號的傳送記憶體（ROM、RAM）存放CNC系統控制軟體、零件程式、原始數據、參數、運算中間結果和處理後的結果的器件和設備。一般分為內、外存儲器記憶體內記憶體外存儲器磁泡記憶體半導體記憶體穿孔紙帶磁帶磁片隨機存取記憶體RAM只讀記憶體ROM硬磁片軟磁片PROMEPROM4.數控系統的工作過程解碼速度計算插補輸入運動軌跡計算I/O處理將標準數控代碼翻譯成CNC系統能識別的代碼形式將工件輪廓的軌跡轉換成CNC系統認定的軌跡解決加工運動的速度刀具偏置刀具長度補償5.數控系統的主要功能固定迴圈功能補償功能圖形顯示功能通信功能人機對話編程功能控制功能準備功能插補功能進給功能主軸功能輔助功能刀具功能字元顯示功能基本功能：選擇功能：系統基本配置的功能用戶可根據實際要求選擇的功能滿足用於操作和機床控制要求的方法和手段6.數控系統的軟體CNC軟體結構類型前後臺型結構中斷型結構：前臺程式(以一定週期定時發生)：後臺程式(迴圈執行的主程序)：中斷服務程式、實現插補、位控等即時功能輸入解碼、數據處理等功能整個軟體是個大中斷系統，各種功能副程式均被安排在級別不同的中斷服務程式中CNC典型的軟體結構軟體總體結構結構方式為中斷型結構,主CPU為8086。中斷優先順序結構0級1級中斷7級6級5級3級2級優先順序主要功能中斷源0初始化開機後進入1CRT顯示，ROM校驗硬體，主程序2工作方式選擇16ms3PLC控制16ms4報警硬體5插補運算8ms6軟體定時2ms7紙帶閱讀機硬體隨機各級中斷功能由0級轉入CRT顯示ROM校驗1級程式框圖2級方式選擇MDI方式STEP方式JOG方式EDIT方式TAPE方式公共程式複位2級程式框圖各級程式框圖例（僅舉兩級）CNC系統的軟體插補§4插補演算法分兩類：脈衝增量插補數字增量插補數字增量的DDA插補演算法直線插補演算法:粗插補+精插補多由硬體完成粗插補的任務：根據程編給出的進給速度(合成速度),計算出8ms中各座標的位移△x，△y，△z圓弧插補基本思想：滿足精度要求前提下,用弦進給代替弧進給xexyezeo△x=ftcos△y=ftcos△z=ftcos每8ms的合成進給量1.B(Basic)刀具半徑補償§5CNC系統的刀具補償和加減速控制概念左刀補、右刀補執行過程分三步建立進行撤銷G41G42外輪廓加工內輪廓加工2.刀補計算CNC系統的刀補是按零件輪廓尺寸和刀具運動的方向指令及採用的刀具半徑值，由電腦自動完成。刀具半徑補償計算，對於直線輪廓控制是計算出刀具中心軌跡的起點和終點座標值，對於圓弧輪廓而言，是算出刀補後圓弧的起點和終點座標值及刀具補償後的圓弧半徑值。直線段刀具補償計算求A’座標:YA’(,)OO’XA(,)圓弧段刀具補償計算求B’座標:OYXA’(,)A(,)B’(,)B(,)Rr3.C功能刀具半徑補償C(Complete)功能刀具補償概念C刀具補償的設計思想緩衝寄存器：BS存放再下一個程式段刀補緩衝區：CS存放下一個的程式段工作寄存器：AS存放正在加工的程式段輸出寄存器：OS存放進給伺服系統的控制資訊ASOSNCASOSBS改進NCCSASOSBSCNCABC外輪廓加工內輪廓加工轉接輪廓加工A’B’C”C’刀具4.程式段間轉接情況分析轉接方式：直線與直線直線與圓弧圓弧與圓弧據前後兩段軌跡的連接方式分為據前後兩段軌跡的向量夾角和刀補方向分為縮短型伸長型插入型轉接類型：直線與直線轉接縮短型轉接：OBADCFJKGYX伸長型轉接：OKCJBDAFYGX插入型轉接：JBCC’DOFKXYAG類型的判斷主要依據大小表3-10程編軌跡的連接刀具補償方向sinɑ≥0cosɑ≥0象限轉接類型對應圖號G41G01/G41G01G4111Ⅰ縮短3-37a)10Ⅱ3-37b)00Ⅲ插入3-37d)01Ⅳ伸長3-37c)G42G01/G42G01G4211Ⅰ伸長3-38a)10Ⅱ插入3-38d)00Ⅲ縮短3-38c)01Ⅳ3-38b)注：1和0分別代表“是”和“否”①刀具半徑向量的計算OBADCFJKJBCC’DOFKA轉接向量：圖中刀具半徑向量，及從直線轉接交點A指向刀具中心軌跡交點的向量，(插入型)5.轉接向量的計算刀具半徑向量:在加工中,始終垂直於程編軌跡,大小等於刀具半徑值,方向指向刀具中心的一個向量。②轉接交點向量的計算OBADCFXYXYOBADCFJKXYYX上式是以計算AB為例,若計算AD,則代入AF與X軸的夾角。伸長型交點向量的計算主要是注意向量方向及它與X軸逆時針方向夾角已知：、，AB=AD=求：∵∴先計算：即下麵主要是計算：ABC直接代入刀具半徑向量公式ACBDFO求得最終求得ACBDFOx同理求得求得後，對應於編程軌跡、，刀具中心軌跡為注：向量只要大小（長度）與方向相等，即為兩向量相等插入型交點向量、的計算已知：、，AB=BC=AD=C’D=求、解：∵∴插入（1）型G41JBCC’DOFKAGXY∵∴JBCC’DOFKAGyxXY求得後，對應於編程軌跡、，刀具中心軌跡為插入（2）型G42解：∵BCC’DOyxXYAF∴∵∴BCC’DOyxXYAFADC’求得後，對應於編程軌跡、，刀具中心軌跡為6.C功能刀具補償實例OAHGA’FefghijklCSASOSBSCNC7.CNC系統的加減速控制CNC裝置中為了保證機床在啟動或停止時不產生衝擊、失步、超程或振盪，必須對送到進給電機的脈衝頻率或電壓進行加減速控制①前加減速控制穩定速度和瞬時速度線性加減速處理

勻速減速加速ABOCPV(t)tVcDABOCPtVcV(t)②後加減速控制指數加減速控制直線加減速控制加速時V(t)=Vc（1+e-1/T）減速時V(t)=Vc（1-e-1/T）勻速時V(t)=Vc數控技術概論及加工編程(3)§1概述§2伺服系統的驅動§3伺服系統的檢測、回饋元件第三章數控機床的伺服系統§1概述1.伺服系統的概念由伺服電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執行部件組成伺服系統與一般機床的進給系統有本質上差別，它能根據指令信號精確地控制執行部件的運動速度與位置伺服系統是數控裝置和機床的聯繫環節，是數控系統的重要組成功能：接受來自數控裝置的指令來控制驅動機床的各運動部件，從而準確控制它們的速度和位置，達到加工出所需工件外形和尺寸2.對伺服系統的基本要求精度高：穩定性好：快速回應：調速範圍寬：低速大轉矩：3.伺服系統的分類開環、閉環、半閉環開環伺服系統指令脈衝步進電機驅動電路功率步進電機機床工作臺執行部件伺服驅動裝置滾珠絲杆（機械傳動機構）齒輪箱伺服驅動裝置主要是步進電機：無檢測元件、無回饋回路，控制方式簡單，但精度難保證，切削力矩小，用於要求不高的經濟型數控機床閉環和半閉環伺服系統伺服驅動裝置主要是直、交流伺服電機驅動：裝有各式各樣的速度、位置檢測元件，兩種系統中檢測元件安裝位置不同。位置控制速度控制位置檢測裝置位置回饋位置回饋速度回饋工作臺指令脈衝Servomotor§2伺服系統的驅動伺服驅動裝置應滿足以下要求：調速範圍寬輸出位移有足夠的精度負載特性要硬動態回應快1.步進電機的結構及工作原理結構㈠步進電機定子上才有繞組!工作原理三相雙三拍工作方式：AB→BC→CA→AB…三相六拍工作方式：A→AB→B→BC→C→CA…三相單三拍工作方式：A→B→C→A…每個狀態只有一組繞組通電三次換接為一個迴圈三相通電繞組A、B、C常用通電方式有：為提高位置精度，常將轉子做成多齒的步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電機的步距角改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向也隨之改變步進電機的步距角與定子繞組的相數m、通電方式k有關，可用下式表示：步進電機定子繞組的通電狀態的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態的變化頻率越高，轉子的轉速越高，即步進電機選型及工作方式定下後，步距角是確定的，因此其轉速n(r/min)只取決於指令脈衝頻率f的大小：n=×60f=×60f結論:相鄰兩次通電相數一樣時，k=1；反之，k=2。三相三拍時k=1,三相六拍時k=2起動頻率fq連續運行頻率（最高工作頻率）fmax步距角2.步進電機的主要特性輸入一個脈衝信號,轉子轉過的角度步進電機連續工作時能接受的最高頻率,因運行時轉動慣量的影響比起動時大大減小，所以fmax》fq，它表明步進電機所能達到的最高速度電機正常起動時(不丟步)所能承受的最高控制頻率,起動頻率低於連續運動頻率,因為起動時電機既要克服負載力矩,又要克服慣性力矩，且負載越大，fq越低。步距角越小,加工精度越高工作臺位移量的控制3.步進式伺服系統的工作原理指令脈衝機床工作臺驅動控制線路步進電機絲杆工作臺進給速度的控制工作臺運動方向的控制4.步進電機驅動電源脈衝發生器脈衝分配器功率放大器步進電機脈衝分配器（環形分配器）功率放大器步進電機及其驅動電源是一個整體，通常每一種型號的步進電動機均對應有一個型號的驅動電源，其組成：㈡直流(DC)伺服電動機直流伺服電動機是將直流電能轉換成機械能的旋轉電動機直流伺服電動機的工作原理主要基於電磁感應定律：當導體在磁場中運動並切割磁力線時，導體中要產生感應電動勢電磁力定律：載流導體在磁場中要受到電磁力作用直流伺服電動機具有良好的調速特性，對伺服電機的調速性能要求高的設備中，大都採用DC伺服電動機驅動。換向片電樞導體磁極磁極電刷直流伺服電動機的基本結構①定子②轉子③電刷、換向片其上繞組通以直流電產生恒定磁場其上繞組通以直流電在定子磁場作用下產生帶動負載旋轉的電磁轉矩電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接，使產生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻、連續旋轉

永磁直流伺服電動機性能特點:具有較大的轉矩、慣量比能承受較大的峰值電流和超載轉矩低速時輸出轉矩大，慣量比大調速範圍寬具有高精度的檢測元件熱容量大目前數控機床進給驅動中採用的直流電動機主要是大慣量寬速直流伺服電動機，占主導地位的是永久磁鐵勵磁式電動機㈢直流伺服電動機的調速技術1.原理由上式知：對給定的電動機要改變其轉速，有兩種辦法：改變外加電壓u改變磁通量

電樞等效電路圖他勵式直流電動機調速原理圖改變磁通量的方法不能滿足數控機床的要求，而改變電壓的方法具有恒轉矩的調速特性，機械特性好，即機械特性與調節特性都是直線，轉速與控制量U之間是線性關係，而後一種方法轉速與控制量是非線性關係，控制及設計系統都不方便。因此永磁直流電機大都採用該調速方案。MU2nU1U3U4機械特性U調節特性M0nM1M2M32.方式:改變電壓3.SCR與PWM比較可控矽調速（晶閘管SCR）脈衝調寬調速（PWM：PulseWidthModulation）

SCR會影響加工零件的表面粗糙度.PWM加工精度高,機械工作平穩

SCR機床熱變形小,有利於提高加工精度

PWM功率損耗小

PWM適用於起,制動頻繁的場合

PWM具有優良的動態硬度

PWM回應快㈣交流(AC)伺服電動機直流伺服電動機結構較複雜，電刷、換向器需經常維護，電機轉速受限，AC克服此缺點，因此AC伺服電動機有取代DC伺服電動機的趨勢工作原理：定子繞組接上三相交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場吸引轉子同步旋轉。永磁交流伺服電機結構：定子、轉子、檢測元件向量控制：直流伺服電機的調速性能好，控制簡單（線性），如果能模擬直流電動機，使交流電機具有與直流電機近似的優良特性。為此，需將三相交變數轉換為與之等效的直流量，然後按直流電動機的控制方法對其進行控制。§3伺服系統檢測、回饋元件㈠概述對檢測元件的主要要求：工作可靠，抗干擾能力強能滿足精度和速度的要求使用維護方便易於實現高速的動態測量和處理，易於實現自動化成本低㈡分類數字式測量和模擬式測量增量式測量和絕對式測量直接測量和間接測量㈢旋轉變壓器結構工作原理在2個定子繞組中分別施加EA、EB兩個交流電壓，由於電磁感應，應用疊加原理，轉子繞組中感應電壓為相位工作方式幅值工作方式兩定子繞組通以同頻、同幅但相位相差的交流勵磁電壓，在轉子繞組上感應電壓為兩定子繞組通以同頻、同相位但幅值不同的交流電壓，在轉子繞組上感應電壓為1、直線感應同步器的結構㈣感應同步器鑒相方式鑒幅方式2、工作原理兩滑尺繞組通以同頻、同幅但相位相差的交流勵磁電壓，在轉子繞組上感應電壓疊加後為兩滑尺繞組通以同頻、同相位但幅值不同的交流電壓，在轉子繞組上感應電壓為㈤脈衝編碼器光柵㈥

1尺規光柵2指示光柵3光電接收器4光源僅用於位置檢測的元件：僅用於速度檢測的元件：兩者均可使用的檢測元件：總結：旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺測速發電機脈衝編碼器磁尺㈦㈧測速發電機電磁式測量位移裝置：光電式位移測量裝置：旋轉變壓器、感應同步器、磁尺編碼盤、光柵用磁性尺規代替光柵，用電磁方法計數磁波數目的一種測量方法。數控技術概論

及加工編程

(4)第四章數控編程基礎數控加工程式的編制是數控加工中的重要一環，在數控加工與數控機床之間起著紐帶作用。O10G55G90G01Z40F2000M03S500G01X-50Y0G01Z-5F100G01G42X-10Y0H01G01X60Y0G03X80Y20R20G03X40Y60R40G01X0Y40G01X0Y-10G01G40X0Y-40G01Z40F2000M05M30第一節數控程式編制的概念一、數控程式編制的定義和方法

程式編制的定義

程式編制的步驟與要求分析零件圖樣工藝處理數學處理編寫程式單製作控制介質CRT/MDIRS232、網卡程式檢驗、試切基點：簡單平面輪廓節點：方程曲線列表曲線

程式編制的方法

手工編程

自動編程語言數控自動編程

圖形數控自動編程

语音数控自动编程二、字元與代碼三、字與字的功能類別

字：一套有規定次序的字元，可以作為一個資訊單元存儲、傳遞和操作。

字長：一個字所含字元個數。

常規加工程式中的字：

一個英文字母＋若干位10進制數字組成。

順序號字－地址符:N地址符

作用：程式校對和檢索修改；在加工軌跡圖幾何節點處標上相應順序號字，可直觀檢查程式；可作為條件轉向的目標；可進行程式段的複歸操作。

使用規則：數字為整數；數字可以不連續；可只在部分程式段中設順序號，也可全設，也可全不設。

模態（續效）指令：一經指定，直到出現同組其他G指令才失效。

準備功能字：G00～G99，前置“0”可省略

尺寸字：X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R；

A、B、C、D、E；

I、J、K。

進給功能字：F

主軸轉速功能字：S

刀具功能字：T

輔助功能字：M非模態指令四、程式段格式

程式段格式：程式段中的字、字元和數據的排列形式。

固定順序格式分隔符號程式段格式字地址可變程式段格式程式段由若干個字組成；每個字以字母（地址符）開頭；字長不固定、程式段長度可變；字的排列不要求有固定的順序N、G、X、Y、Z、F、S、T、M、；

加工程式的一般格式：％O10N10G55G90G00Z40N20M03S500N30X-50Y0N40G01Z-5F100N50G01G42X-10Y0H01N60X60Y0N70G03X80Y20R20N80G03X40Y60R40N90G01X0Y40N100X0Y-10N110G01G40X0Y-40N120G00Z40N130M05N140M30％第二節數控機床的坐標系一、坐標系及運動方向先確定Z軸，再確定X軸和Y軸二、坐標系的原點

機床原點：在機床上由機床生產廠家設置的一個固定不變的基準點，在機床說明書上有說明。

編程原點：由編程人員在工件上根據編程方便性自行設定的編制加工程式的原點。

加工原點：三、絕對坐標系和增量坐標系G90G00X10Y12G01X30Y37F100……G91G00X10Y12G01X20Y25F100……G00U10V12G01U20V25F100……G90、G91N30G90G01X40Z-30F500N40X60Z-48N30G91G01X10Z-30F500N40X20Z-18G90、G91是一對模態指令，在同一程式段中只能用一種；無論是絕對尺寸還是增量尺寸，同一軸向的尺寸字的地址符要相同。有些系統可直接用地址符來區分：X、Y、Z——絕對尺寸

U、V、W——相對尺寸第三節常用編程指令預置寄存指令G92(G50)功能：使用G92指令用來確定起刀點與編程原點的相對位置關係，從而建立加工坐標系。指令格式：G92X_Y_Z_；執行G92指令，機床不產生任何運動；設定的加工原點與當前刀具位置有關，隨刀具起始點的位置不同而改變，必須保證起刀點位置與程式中G92指令中的座標值一致，重複加工時應特別注意；也可用CRT/MDI輸入參數方式通過G54～G59設定加工坐標系。G92X150Z100G92X150Z20功能：用來指定平面直線和圓弧插補、刀具補償平面。指令格式：G17；（設置加工平面為XY，數控銑床默認平面）

G18；（設置加工平面為ZX，數控車床默認平面）

G19；（設置加工平面為YZ）

座標平面選擇指令G17、G18、G19快速點定位指令G00功能：在加工過程中，常需要刀具空運行到某一點，為下一步加工做好準備，利用指令G00可以使刀具快速移動到目標點。

指令格式：G00X_Y_Z_；執行G00指令時，刀具的移動速度由系統參數設定，不受進給功能指令F的影響。刀具的移動方式有三種：各軸以其最快的速度同時移動，因速度和移動距離的不同先後到達目標點，刀具移動路線為多段直線的組合。2)各軸按設定的速度以聯動的方式移動到位，刀具移動路線為一條直線。3)各軸按輸入的座標字順序分別快速移動到位，刀具的移動路線為階梯形。直線插補指令G01功能：指定直線插補，其作用是切削加工任意斜率的平面或空間直線。

指令格式：G01X_Y_Z_F_；N30G90G01X40Z-30F500N40X60Z-48N30G91G01X10Z-30F500N40X20Z-18功能：G02為順圓插補；G03為逆圓插補，用以在指定平面內按設定的進給速度沿圓弧軌跡切削。圓弧插補指令G02、G03指令格式：I、J、K：起點到圓心的增量（向量方向指向圓心）；有些系統相反；有些系統可由G90、G91決定

I、J、K是絕對或增量尺寸；有些車削系統I可用直徑值；圓心角≤180°，R為正；≥180°，R為負；不能進行整圓加工。G92X0Y0Z0G90G00X200.Y40.G03X140.Y100.I-60.F300.G02X120.Y60.I-50.G92X0Y0Z0G91G00X200.Y40.G03X-60.Y60.I-60.F300.G02X-20.Y-40.I-50.G92X0Y0Z0G90G00X200.Y40.G03X140.Y100.R60.F300.G02X120.Y60.R50.G92X0Y0Z0G91G00X200.Y40.G03X-60.Y60.R60.F300.G02X-20.Y-40.R50.G41刀具半徑補償指令G40、G41、G42刀具半徑補償基本概念G42指令格式：G01G41/G42X_Y_H_(D_)….….G01G40X_Y_刀補執行過程：刀補建立：刀補進行：刀補撤銷：下一程式段起點處刀具半徑向量頂點刀具半徑補償舉例：N010G92X0Y0Z10N020S600M03N030G90G17N040G41G00X20Y10D01N050Z-10M08N060G01Y50F100N070X50N080Y20N090X10N100G00Z10M09N110G40X0Y0M05N120M30注意事項：建立和撤銷刀補程式段，不能使用圓弧插補指令；在補償進行狀態中不得變換補償平面；偏置量的改變：一般應在刀補撤銷（G40後）狀態下通過重新設定進行，但也可在已偏置狀態下直接改變；偏置量的符號：如果偏置量值為負，G41和G42可互相取代；由於刀具半徑補償引起的過切：N010G92X0Y0Z10N020S600M03N030G90G17N040G41G00X20Y10D01N050Z-5M08N055G01Z-10F100N060G01Y50F100…...N100G00Z10M09N110G40X0Y0M05N120M30N010G92X0Y0Z10N020S600M03N030G90G17N040G41G00X20Y9D01N045Y1N050Z-5M08N055G01Z-10F100N060G01Y50F100…...刀具半徑補償的優越性：可直接按零件輪廓編程，不必考慮刀具半徑的半徑，從而簡化編程；當刀具磨損或重磨後，刀具半徑減小，只需手工輸入新的半徑值，而不必修改程式；可用同一程式（或稍作修改），甚至同一刀具進行粗、精加工。刀具長度補償指令G49、G43、G44－補償刀具長度差值。指令格式：

G01G43/G44Z_H_

……

……G01G49設定H01=-4.0（偏置值）G91G00G43Z-32H01;實際Z向進給-32.0+(-4.0)=-36.0G01Z-21.0F1000;Z向將從-36.0進給到-57.0G00G49Z53.0;Z向將退到53.0+4.0，返回到初始位置數控技術概論

及加工編程

(5)第五章數控編程技術第一節數控加工的工藝設計一、數控加工內容的選擇

通用機床無法加工的內容應作為優選內容；通用機床難加工，品質也難以保證的內容應作為重點選擇內容；通用機床加工效率低、工人手工操作勞動強度大的內容，可在數控機床尚存在富餘能力的基礎上進行選擇。

工藝設計是對工件進行數控加工的前期工藝準備工作，合理的工藝設計方案是數控編程的依據。編程人員必須首先搞好工藝設計，然後再考慮編程。

數控加工工藝與普通加工工藝在原則上基本相同，但又有其特點：數控加工的工序內容複雜數控加工程式的編制複雜工藝內容明確而具體對刀點、換刀點二、數控加工工藝性分析尺寸標注應符合數控加工的特點宜用同一基準引注或座標式尺寸零件輪廓幾何要素的條件應完整、準確定位基準要可靠不充分、不清楚過於“苛刻”、自相矛盾應採用同一基準定位同一基準可以是工件上已有表面，也可設置輔助基準零件結構工藝性

結合數控加工特點靈活運用普通加工工藝的一般原則，將數控加工工序穿插與零件加工的整個工藝過程中，使之與普通工序良好銜接。三、數控加工工藝路線設計首先找出所有加工的零件表面並逐一確定各表面的加工方法劃分加工階段劃分工序，安排順序常規工序、熱處理工序零件加工工藝路線

工序的劃分以一次安裝、加工作為一道工序以同一把刀具加工內容作為一道工序以加工部位劃分工序以粗、精加工劃分工序

工步的劃分先粗後精；先面後孔；按刀具集中。上道工序的加工不能影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有通用機床加工工序的也要綜合考慮；先內後外；以相同定位、夾緊方式或同一把刀具加工的工序，最好連續進行，以減少重複定位次數、換刀次數與挪動壓板次數；在同一次安裝中進行的多道工序，應先安排對工件剛性破壞較小的工序。

順序的安排

數控加工工序與普通工序的銜接建立工序間的相互狀態要求。四、數控加工工序設計數控加工工藝十分嚴密，工序設計中必須注意加工過程中的每一個細節；對圖形進行數學處理、計算和編程時，力求準確無誤。數控工序設計的主要任務：本工序加工內容（走刀路線、工步順序）的確定；定位夾緊方式及夾具選擇；數控刀具的選擇；切削用量的選擇；對刀點、換刀點的確定。

確定走刀路線走刀路線：在數控加工中，刀具刀位點相對於工件運動的軌跡。走刀路線不僅包括了加工內容，也反映出加工順序，是編程的依據之一。

確定走刀路線的原則

1)應保證被加工工件的精度和表面粗糙度；

2)應使加工路線最短，以減少空行程時間，提高加工效率；

3)在滿足工件精度、表面粗糙度、生產率等要求的情況下，儘量簡化數學處理時的數值計算工作量，以簡化編程工作。為保證零件表面品質，應減少接刀、停刀刀痕應儘量減少在輪廓切削中停刀；避免沿法向切入工件；最終輪廓應在一次走刀中連續加工出來；儘量採用順銑，提高零件表面品質和刀具耐用度。使數值計算簡單，減少編程工作量每次直線進給，刀位點計算簡單，程式段短、而且加工過程符合直紋面的形成規律，利於準確保證母線的直線度。符合這類工件表面數據給出情況，便於加工後檢驗，葉形的準確度高。尋求最逗走刀路線，減少空刀時間以提高加工效率；但不能忽略必要的輔助尺寸（刀具引入量和超出量）以及對位置精度的影響。

定位基準與夾緊方案的確定1)力求設計基準、工藝基準與編程計算的基準統一；2)儘量將工序集中，減少裝夾次數，盡可能在一次定位裝夾後就能加工出全部待加工表面；3)避免採用占機人工調整裝調方案，以充分發揮數控機床的效能。

夾具的選擇1)當零件加工批量不大時，應儘量採用組合夾具、可調夾具和其他通用夾具，以縮短準備時間、節省生產費用；2)在成批生產時才考慮採用專用夾具，並力求結構簡單；3)夾具要開敞，加工部位開闊，夾具的定位、夾緊機構元件不能影響加工中的進給(如產生碰撞等)；4)裝卸零件要快速、方便、可靠，以縮短輔助時間，批量較大時應考慮採用氣動或液壓夾具、多工位夾具。對刀點與換刀點的確定對刀點：是指通過對刀確定刀具與工件相對位置的基準點。通過G54～G59設定加工坐標系，對刀點往往是零件的加工原點。通過G92或G50設定加工坐標系，對刀點被認為是程式開始運行的起點，又稱“起刀點”。選擇對刀點的原則是：1)便於數學處理和簡化程式編制；2)在機床上容易找正；3)在加工中便於檢查；4)有利於提高加工精度。“刀位點”：刀具的定位基點。“換刀點”是指多刀機床在加工過程中換刀時的位置

刀具的選擇刀具剛性要好刀具耐用度要高刀具精度要高採用先進的刀具材料優選刀具參數盡可能採用機夾可轉位刀片刀具參數選擇：銑刀：銑內凹輪廓：

r=(0.8~0.9)Rmin銑外凸輪廓時，r儘量大零件加工高度：H≤(1/4~1/6)r為保證平底兩次走刀路線搭接，編程半徑取：0.95(r-rε)鑽孔：L/D≤5鏜孔：儘量採用對稱的兩刃或兩刃以上的鏜刀頭精鏜宜採用微調鏜刀。選擇鏜刀主偏角接近90°，大於75°。

切削用量的確定輪廓加工中注意進給速度的“超程”、“欠程”現象。選擇變化的進給速度；自動編程系統自身的“超程”保護功能；利用機床“進給倍率”旋紐手工控制。加工圓弧段時，切削點的實際進給速度≠刀具中心進給速度。五、數控加工工藝檔的編寫數控加工工序卡數控加工走刀路線圖第二節數控編程中的數學處理一、選擇原點、換算尺寸車削件的編程原點：X——取在工件的回轉中心

Z——取在工件的左、右端面或對稱平面銑削件的編程原點：X、Y——工件的基準面、孔軸線或對稱面

Z——工件的上、下表面尺寸換算：按尺寸公差中值換算二、基點與節點基點：與系統插補功能一致的各幾何要素的連接點。方法：聯立方程組；幾何元素間的三角函數關係。（64.2786，39.5507）（64.2786，51.5507）方法：根據被加工曲線方程特性、逼近線段形狀（直線或圓弧）和允許的插補誤差，利用數學關係求解。節點：零件輪廓≠系統插補功能，如：橢圓、雙曲線、拋物線等。被加工曲線逼近線段交點＝節點零件輪廓＝系統插補功