数控技术与应用毕业论文

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目数控技术的发展趋势、宏程序在数控加工中的应用 和插补运算的基本原理 目录 摘要 1 关键词 1 1 数控技术的发展趋势1 1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势 1 1.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展1 1.3 智能化、 开放式、 网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 1 1.4 重视新技术标准、规范的建立 1 2 宏程序在数控加工中的应用2 2.1分析问题 2 2.2数学计算 2 2.3参数设置 2 2.4变量赋值 2 2.5程序的编制 2 3 数控机床插补运算的基本原理3 31 脉冲增量插补法 3 32 数据采样插补法 3 33 直线插补计算

2、原理3 34 圆弧插补计算原理 3 4 结束语4 5 参考文献5 数控技术的发展趋势、宏程序在数控加工中的数控技术的发展趋势、宏程序在数控加工中的 应用和插补运算的基本原理应用和插补运算的基本原理 摘要：摘要：数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数 控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成 的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域；在数控编 程中，宏程序编程灵活、高效、快捷，是加工编程的重要补充。宏程序不仅可以 实现像子程序那样，对编制相同加工操作的程序非常有用，还可以完成子程序无 法实现的特殊功能，例如，型腔加工宏程序、固定

3、加工循环宏程序、球面加工宏 程序、锥面加工宏程序等。数控机床插补有二方面的含义：用小线段逼近产生 基本线型（如直线、圆弧等） ；用基本线型拟和其它轮廓曲线。本文以基本线 型直线、圆弧生成为例，论述插补原理。包括基准脉冲插补和数据采样插补。 关键词：关键词：发展趋势、宏程序、插补运算。 1 1 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化， 使制造业成为工业 化的象征， 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一 些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这 些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 从目

4、前世界上数控技术及其装 备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14 。 1 11 1 高速、高精加工技术及装备的新趋势高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、 高精加工技术可极大地提高效率， 提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术 研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定 为 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是 轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多 为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝

5、或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小 的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空” 的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其 他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提 出了高速、高精和高柔性的要求。 从 EMO2001 展会情况来看， 高速加工中心进给速度可达 80m/min， 甚至更高， 空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用 汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达

6、60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只 用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德 国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高 到 5 m，精密级加工中心则从 35 m，提高到 11.5 m，并且超精密加工 精度已开始进入纳米级(0.01 m)。 在可靠性方面， 国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上， 伺服系统的MTBF 值达到 30000h 以

7、上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了 快速的发展，应用领域进一步扩大。 1.21.25 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不 仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以 等于 2 台 3 轴联动机床， 特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬 硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5 轴联 动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，

8、加 之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简 化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合 主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 在 EMO2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机 床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工，可由 CNC 系统控制

9、 或 CAD/CAM 直接或间接控制。 1.31.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适 应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈 控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编 程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有 智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统 的数控系统封闭

10、性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 目前许多国家对开 放 式 数 控 系 统 进 行 研 究 ， 如 美 国 的NGC(TheNextGeneration Work-Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems) 、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已 经成为数控系统的未来之路。 所

11、谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统 一的运行平台上， 面向机床厂家和最终用户， 通过改变、 增加或剪裁结构对象 （数 控功能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系 统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名 牌产品。 目前开放式数控系统的体系结构规范、 通信规范、 配置规范、 运行平台、 数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网 络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新 的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的

12、基础单元。国内外一些著名数控 机床和数控系统制造公司都 在近两年 推出了相关 的新概 念和样机， 如在 EMO2001 展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center” （智能生产控制中心，简称 CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ IT plaza” （信息技术广场，简称IT 广场)；德国西门子 (Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加 工向网络化方向发展的趋势。 1.41.4 重视新技术标准、规范的建立重视新技术标准、规范的建立 关于数控系统

13、设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用 性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划， 并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定， 世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定， 预示 了数控技术的一个新的变革时期的来临。 我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。 数控技术诞生后的 50 年间的信息 交换都是基于 ISO6983 标准，即采用G，M 代码描述如何（how）加工，其本质 特征是面向加工过程， 显然， 他已越来

14、越不能满足现代数控技术高速发展的需要。 为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（STEPNC)， 其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制， 能够描述产品整个生命周期内 的统一数据模型，从而实现整个制造过程， 乃至各个工业领域产品信息的标准化 STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至 整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC 提出一种崭新的制造理念， 传统的制造理念中，NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， NC 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次， STEP-NC 数控

15、系统还可大大减少加工图纸（约 75） 、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50） 。 目前，欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究，欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计 划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools 公司是全球 范围内制造业数据交换软件的开发者， 他已经开发了用作数控机床加工信息交换 的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种 新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、 FIDIA 以及欧

16、洲 OSACA-NC 数控系 统的原型样机上进行了验证。 2 2 宏程序在数控加工中的应用宏程序在数控加工中的应用 在宏程序的应用当中，看到图我们首先应对它进行分析，然后再进行计算、 考虑变量的赋值，最后编制出程序。 数控加工程序编制的关键是刀具相对于工件 运动轨迹的计算， 即计算加工轮廓的基点和节点坐标或刀具中心的基点和节点坐 标。 数控机床一般只提供平面直线和圆弧插补功能， 对于非圆的平面曲线 Y=f(X), 采用的加工方法是按编程允许误差，将平面轮廓曲线分割成许多小段。然后用数 学计算的方法求逼近直线或 圆弧轮廓 曲线的交点 和切点 的坐标。下 面以 HNC-21T 系统为例，如图 3.

17、1 所示： 图 3.1 2 21 1 分析问题分析问题 在这个零件图里， 可以看出两个显眼的部分，一个是在零件的开头部分有一 个“抛物线形面” ，另一个是在中间部位，有一个“局部椭圆形凹槽” 。在这两种 的情况下，就可以利用宏程序来编程。除了这两个之外的部分，我们可以用普通 编程就能解决。在编程过程中需要注意一点，要考虑到切削余量的问题。 2.1.12.1.1 对抛物线面分析对抛物线面分析 在这个形面上，我们若是用一般的编程方法肯定很难，也很懊恼，因为它在 视图表面上的点坐标都是不规则的。在此， 我们从图纸上可以看到一个很熟悉的 方程式，即抛物线方程：Z=-X2/10。在这个基础上，可以发现有

18、两个变量，其一 是，其二是。它们的坐标都是在变化的，根据方程可以知到，X 是随着 Z 的 变化而变化的。 所以我们可以设 Z 为一个变量， 再根据抛物线方程式得出变量 X。 2.1.22.1.2 对局部椭圆形凹槽对局部椭圆形凹槽 根据对上一个问题的分析， 来解决椭圆形凹槽问题应该不会太难了。首先知 X2Z2 道此椭圆的方程为： 2 2 1。同样的道理，我们也可以根据椭圆得出 X 跟 ab Z 的关系式，然后设一个变量 Z，从而能列出变量 X 的关系式。这样我们编程起 来就可以就可以找到突破口了。接下来的问题便迎刃而解。 2.22.2 数学计算数学计算 程序计算说明： 由抛物线方程 Z=-X2/

19、10 得 X=10 ,故直线段起点 X 坐标值 XA=20。 X2Z2Z2 由椭圆方程: 2 2 1,得出X a 1 2 ，并且 X 为半径值。 abb 椭圆中心在如图编程坐标系中的坐(40,-35)。 2.32.3 参数设置参数设置 对于一个零件的加工， 我们必须要设置好它的参数，这不仅影响着它的加工 效率， 还影响它的精确度。所以我们必须根据实际情况来对它的参数进行最佳的 设置。如下表所示，数控加工工序卡（表 3.1） 、数控加工刀具卡（表 3.2） 。 2.42.4 变量赋值变量赋值 根据前面对零件的分析， 我们已经知道了两个变量，一个是抛物线 Z 方向的 变量， 还有个是椭圆 Z 方向

20、上的变量， 两个的 X 值都是随 Z 的变化而变的。 其次， 还有个 X 方向切削剩余量也在每一次循环当中依次的减小。 将其可以赋三个变量 的值： （1）#100=40（X 方向切削剩余量初始值） ； （2）#1=0（抛物线 Z 轴初始值） #2=2*SQRT-10*#1 +#100（抛物线 X 向的变量） ； （3）#3=12.5（椭圆 Z 轴初始值） #4=8*SQRT1-#3*#3/256 （椭圆 X 向的变量） 。 2.52.5 程序的编制程序的编制 以华中世纪星 HNC21T 系统为例编写程序如下： 程序注释 %2010主程序号 M03 S600 T0101 F120主轴正转转速 6

21、00r/min，调用 T01 号刀及刀补 G00 X42 Z2快速定位到端面边缘附近 M08切削液开 #100 = 40赋 X 方向切削剩余量初始值 N30 M98 P1001调用子程序 P1001 #100 = #100-2每次循环后减 2mm（即每次切削 2mm） IF#100 GE 0.5GOTO 30条件循环，当#100 大于等于 0.5 时 回到序 号为 30 的程序段 M03 S1000 F100 T0102主轴正转转速改为 1000r/min，调 用 T02 刀及 01 号刀补 #100=0赋 X 方向切削剩余量二次值 M98 P1001调用子程序 P1001 M09切削液关 M

22、30程序结束并返回程序起点 %1001子程序号 #1=0赋抛物线 Z 轴初始值 N11 #2 = 2*SQRT-10*#1 + #100抛物线 X 向变量的计算公式 G01 X#2 Z#1直线插补到（#2，#1）的位置 #1= #1-0.5每次循环后减 0.5mm（即每次切 削 0.5mm） IF#1 GE -10GOTO 11条件循环，当#1 大于等于-10 时 回到序列 为 11 的程序段 G01 U10 W-5直线插补同时 X 反向进 10mm、 Z 向进 5mm W-7.5再 Z 向进 7.5mm #3=12.5赋椭圆 Z 轴初始值 N12 #4 = 40-16*SQRT1-#3*#3

23、/256+ #100椭圆 X 向变量的计算公式 G01 X#4Z#3-35直线插补到（#4，#3-35）的位置 #3=#3-0.5每次循环后减 0.5mm（即每次切 削 0.5mm） IF#3 GE -12.5GOTO 12条件循环，当#3 大于等于-12.5 时回到序 号为 12 的程序段 G01 W-7.5直线插补 Z 向进 7.5mm U10X 反向进 10mm N20 W-10Z 向进 10mm G00 U2 Z2快速定位同时 X 向退 2mm、Z 向退 2mm U-2Z 向快速进 2mm M99返回主程序 3 3 数控机床插补运算的基本原理数控机床插补运算的基本原理 我们在工程数学中

24、知道，微积分对研究变量问题的基本分析方法是： “无限 分割，以直代曲，以不变代变，得微元再无限积累，对近似值取极限，求得精确 值”，但在一些实际工程应用中，往往根据精确度要求，把这个无限用适当的有 限来代替， 对于数控机床运动轨迹控制的插补运算也正是按这一基本原理来解决 的。概括起来，可描述为：“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以 弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹”。需要说明的是这个脉冲当量与其 坐标显示分辩率往往是一致的，它与加工精度有关，它表示插补器每发出一个脉 冲，使执行电机驱动丝杆所走的行程，单位通常为0.010.001mm脉冲。也就 是说对各种斜线、圆弧、曲线均由以脉

25、冲当量为单位的微小直线线段来拟合，如 图 1 所示。其插补运算精度（一般插补误差不会超过一个脉冲当量）也是影响数 控加工精度的一项主要因素。 图 1用微小直线段来拟合曲线 3.13.1 脉冲增量插补法脉冲增量插补法 数控加工过程中数控机床在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的 进给脉冲，驱动坐标轴电机运动。常用的有：逐点比较法与数字积分法，用于以 步进电动机为驱动装置的开环数控系统。 3.23.2 数据采样插补法数据采样插补法 采用小段直线逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的 距离，故可达到很高的速度，其中计算机通常包含在伺服控制环内。用于以交直 流伺服电机为驱动装置的闭

26、环/半闭环数控系统。 数据采样插补是根据编程的进给速度， 将轮廓曲线分割为插补采样周期的进 给段，即轮廓步长 l。在每个插补周期中，执行一次插补程序，计算出下一周期 各坐标轴进给量 x 或 y，从而计算出下一个插补点的坐标值。对于直线插补， 动点在一个插补周期内运动的直线段与给定直线重合。对于圆弧插补，动点在一 个插补周期内运动的直线段以弦线或割线逼近圆弧。 3.33.3 直线插补计算原理直线插补计算原理 (1) 偏差计算公式假定加工如图 2 所示第一象限的直线 OA。取直线起点 为坐标原点，直线终点坐标（Xe，Ye）是已知的。M(Xm，Ym)为加工点（动点） ， 若 m 在 OA 直线上，则

27、根据相似三角形的关系可得 X m Ym X e Ye 取F m Y m X e X mYe （4-1） 作为直线插补的判别式。 若 Fm0，表明 m 点在 OA 直线上； 若 Fm0，表明 m 点在 OA 直线上方的 m处； 若 Fm0，表明 m 点在 OA 直线下方 m处。 图 2第一象限直线 对于第一象限直线从起点（即坐标原点）出发，当Fm0 时，沿X 轴方向 走一步， 当 Fm0 时， 沿Y 方向走一步， 当两方向所走的步数与终点坐标 (Xe， Ye)相等时，发出到达终点信号，停止插补。 设在某加工点处，若Fm0 时，应沿X 方向进给一步，走一步后新的坐标 值为 Xm+1=Xm1， Ym

28、+1=Ym 新的偏差为 Fm+1=Ym+1XeXm+1Ye=FmYe（4-2） 若 Fm0，应向Y 方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm+1=Xm，Ym+1=Ym1 新的偏差为 Fm+1=FmXe（4-3） 式（4-2） 、 （4-3）为简化后的偏差计算公式，在公式中只有加、减运算，只 要将前一点的偏差值与等于常数的终点坐标值 Xe、Ye相加或相减，即可得到新 的坐标点的偏差值。加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即 F0=0， 这样，随着加工点前进，新加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差 Fm和终点坐 标值相加或相减得到。 (2) 终点判别法逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介

29、绍两种： 第一种方法：设置 X、Y 两个减法计数器，加工开始前，在 X、Y 计数器中 分别存入终点坐标值 Xe、Ye，在X 坐标（或Y 坐标）进给一步时，就在X 计数 器 （或 Y 计数器） 中减去 1， 直到这两个计数器中的数都减到零时， 便到达终点； 第二种方法：用一个终点计数器，寄存 X 和 Y 两个坐标，从起点到达终点 的总步数；X、Y 坐标每进给一步，减去 1，直到为零时，就到了终点。 (3) 不同象限的直线插补计算上面讨论的为第一象限的直线插补计算方 法，其他三个象限的直线插补计算法，可以用相同的原理获得，表 1 列出了在四 个象限中直线插补时，其偏差计算公式和进给脉冲方向。计算时，公式中 Xe， Ye均用绝对值。 表 1四象限直线插补进给方向判定和偏差计算公式 3.43.4 圆弧插补计算原理圆弧插补计算原理 (1)偏差计算公式下面以第一象限逆圆弧为例讨论偏差计算公式。如图3 所示，设需要加工圆弧 AB，圆弧的圆心在坐标原点，已知圆弧起点为 A(Xo， Yo)，终点为B(Xe，Ye)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为m(Xm，Ym)，它与圆心 的距离为 Rm。比较 Rm和 R 来反映加工偏差。 222222,