第3章数字程序控制技术-数控技术

13.1数控加工的概念3.2数字程序控制基础3.2.1数字程序控制方式3.2.2开环数字程序控制3.3逐点比较法插补原理3.3.1逐点比较法直线插补3.3.2逐点比较法圆弧插补3.4步进电机控制技术3.4.1步进电机的工作原理3.4.2步进电机的工作方式3.4.3步进电机控制接口及输出字表3.4.4步进电机控制程序第三章数字程序控制技术23.1数控加工的概念(了解)计算机数控CNC(ComputerNumericalControl)数控加工——根据零件图样及工艺要求等原始条件,编制零件数控加工程序,并输入到数控机床的数控系统,以控制数控机床中刀具与工件的相对运动,从而完成零件的加工.4通过把数字化了的刀具移动轨迹信息(通常指CNC加工程序),传入数控机床的数控装置,经过译码、运算,指挥执行机构(伺服电机带动的主轴和工作台)控制刀具与工件做相对运动,从而加工出符合编程设计要求的零件.数控加工的原理5伺服驱动机床零点6可装20把刀的无臂式ATC刀具库可装24把刀的有臂式ATC刀具库常见的刀具库7可装32把刀的有臂式刀具库可装60把刀的刀具库8五轴高速铣削头9数控车床与普通车床结构差别右图是同一品牌的数控车床与普通车床.结构上具有明显差异——数控系统；床身稳固装有防护门；保留主轴箱、尾座；取消挂轮箱、进给箱、溜板箱、光杆、丝杆等；配备自动刀架\对刀仪\自动排屑等辅助设备.伺服系统；数控车床结构及分类10卧式数控车床11立式电脑车床12数控车削中心13华中XKA71402数控立式铣床数控铣床的结构及类型华中XKA714数控立式铣床14华中ZJK7532-A铣钻床龙门铣15TOSHIBA四轴高速加工镗铣床FIDIA五轴高速铣床16加工中心与数控铣床的异同:加工中心是在数控机床的基础上发展起来的,都是通过程序控制多轴联动走刀进行加工的数控机床.不同的是加工中心具有刀库和自动换刀功能.加工中心的主要加工对象17立式加工中心龙门式加工中心18编写程序典型零件的数控加工工艺N0010G92X5Y5Z5N0020G91N0030G17G00X40Y30N0040G98G81X40Y30Z-5R15F150N0050G00X5Y5Z50N0060M05N0070M021、加工φ20㎜孔程序(手工安装好φ20㎜钻头)设置对刀点相对坐标编程在XOY平面内加工钻孔循环抬刀主轴停转程序结束19编写程序N0010G92X5Y5Z50N0020G90G41G00X-20Y-10Z-5D01N0030G01X5Y-10F150N0040G01Y35F150N0050G91N0060G01X10Y10F150N0070G01X11.8Y0N0080G02X30.5Y-5R20N0090G03X17.3Y-10R20N0100G01X10.4Y0N0110G03X0Y-25N0120G01X-90Y0N0130G90G00X5Y5Z10N0140G40N0150M05N0160M302、铣轮廓程序(手工安装好ф5㎜立铣刀,不考虑刀具长度补偿)20数控机床生产厂家必须向用户提供安装、使用与维修有关的技术资料,主要有:•数控机床电气使用说明书•数控机床电气原理图•数控机床电气连接图•数控机床结构简图•数控机床参数表•数控机床PLC控制程序诊断用技术资料21•数控系统操作手册•数控系统编程手册•数控系统安装与维修手册•伺服驱动系统使用说明书数控机车的技术资料对故障分析与诊断非常重要,必须认真仔细地阅读,并对照机床实物,做到心中有数.一旦机床发生故障,再进行分析的同时查阅资料.主要品牌:日本FANUC,德国SIEMENS…..22所谓数字程序控制,就是计算机根据输入的指令和数据,控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制.数控系统:输入装置、输出装置、控制器和插补器.3.2数字程序控制基础23步骤:1.曲线分段:图中曲线分为三段,分别为AB、BC、CD,四点坐标A、B、C、D送计算机.分割原则:应保证线段所连的曲线与原图形的误差在允许范围之内.242.插补计算:－插补计算:给定曲线基点坐标,求得曲线中间值的数值计算方法.－插补计算原则:通过给定的基点坐标,以一定的速度连续定出一系列中间点,这些中间点的坐标值以一定的精度逼近给定的线段.－插补:(1)直线插补---在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近(2)二次曲线插补(圆弧、抛物线、双曲线)---在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近3.折线逼近:根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号,驱动x、y方向上的步进电机,带动绘图笔、刀具等,从而绘出图形或加工所要求的轮廓.25－步长:刀具对应于每个脉冲移动的相对位置,可以用△x,△y表示,一般△x=△yx方向步数:Nx＝(xe-x0)/△xy方向步数:Ny＝(ye-y0)/△y263.2.1数字程序控制方式数字程序控制的3种方式:点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制.27(1)点位控制(PointToPoint)只要求控制刀具行程终点的坐标值,即工件加工点准确定位,对刀具的移动路径、移动速度、移动方向不作规定,且在移动过程中不做任何加工,只是在准确到达指定位置后才开始加工.(定位)(2)直线切削控制(StraitCutControlSystem)控制行程的终点坐标值,还要求刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动,且在运动过程中进行切削加工.(单轴切削)28三种方式比较:点位控制:驱动电路简单,无需插补直线切削控制:驱动电路复杂,无需插补轮廓切削控制:驱动电路复杂,需插补(3)轮廓的切削控制(ContinuousPath)控制刀具沿工件轮廓曲线运动,并在运动过程中将工件加工成某一形状.这种方式借助于插补器进行.(多轴切削)293.2.2开环数字程序控制•闭环方式执行机构多采用直流电机作为驱动元件•••反馈测量元件采用光电编码器、光栅、感应同步器等•开环方式30光栅光电编码器感应同步器313.3逐点比较法插补原理逐点比较法插补,就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次,决定下一步的进给方向:用阶梯折线逼近曲线.走一步-----比较一次-----决定下一步的走向逐点比较法的最大误差:一个脉冲当量(步长)323.3.1逐点比较法直线插补(1)插补步骤:偏差判别-坐标进给-偏差计算-终点判断走一步-比较一次-决定下一步的走向33(2)第一象限内的直线插补偏差计算式:若点M在OA直线段上,则有xm/ym=xe/ye即ymxe-xmye＝0取偏差计算式为Fm=ymxe-xmye34(3)偏差判别:偏差判别式:Fm=YmXe-XmYe若Fm=0,则点m在OA直线段上；若Fm0,则点m在OA直线段的上方；若Fm0,则点m在OA直线段的下方.进给方向确定:当Fm=0时,沿+x轴方向走一步；当Fm0时,沿+y轴方向走一步；当目前坐标与终点坐标相等,停止插补.35(4)偏差计算的简化:⒈设加工点在m点,若Fm=0,这时沿+x轴方向走一步至m＋1点(xm+1,ym+1)=(xm+1,ym)Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=ymxe-xmye-ye=Fm–ye2.设加工点在m点,若Fm0,这时沿+y轴方向走一步至m＋1点,推理有Fm+1=Fm+xe3.偏差计算简化为:若m为起点0,则Fm=F0=0；否则:若Fm=0,Fm+1=Fm–ye若Fm0,Fm+1=Fm+xe36(5)终点判断:方法1:设置x,y轴两个减法计数器Nx和Ny,加工前分别存入终点坐标xe和ye,x(y)轴每进给一步则Nx–1(Ny–1),当Nx和Ny均为0,则认为达到终点.方法2:设置一个终点计数器Nxy,x或y轴每进给一步则Nxy–1,当Nxy为0,则认为达到终点.(采用)37(6)4象限内的直线插补2象限:1象限以y轴镜象3象限:1象限旋转180度4象限:1象限以x轴镜象38(7)直线插补计算的程序实现内存单元数据:XE:终点X坐标YE:终点Y坐标NXY:总步数,Nxy＝Nx+NyFM:加工点偏差,初值F0=0XOY:象限值,1、2、3、4分别代表1、2、3、4象限ZF:进给方向,1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向进给.39流程图:40例1:加工第1象限直线OA,起点为O(0,0),终点为A(6,4),试进行插补并作走步轨迹图(flash)解:进给总步数Nxy＝|6-0|+|4-0|=10xe=6,ye=4,F0=0,xoy=141423.3.2逐点比较法圆弧插补(1)第一象限内的圆弧插补偏差定义:M点偏差Fm=Rm2-R2=xm2+ym2-R2偏差判断:Fm=0,M点在圆弧上Fm0,M点在圆弧外Fm0,M点在圆弧内43(2)第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理:从起点出发,当Fm=0,向-x方向进给一步,并计算新的偏差；当Fm0,向+y方向进给一步,并计算新的偏差.按上述步骤循环到达终点后结束.44(3)偏差的简化计算:以第一象限逆圆弧为例:当Fm=0,向-x方向进给一步:(xm+1,ym+1)=(xm-1,ym)Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm–2xm+1当Fm0,向+y方向进给一步:(xm+1,ym+1)=(xm,ym+1)Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm+2ym+1起点偏差Fm＝045(4)终点判断采用总步数Nxy的计数方法:Nxy初始设值为x轴和y轴进给总步数之和,x或y轴每进给一步,则Nxy–1,当Nxy为0,则认为达到终点.(5)插补计算步骤偏差判别-坐标进给-偏差计算-坐标计算-终点判断直线插补:偏差计算使用终点坐标xe,ye圆弧插补:偏差计算使用前一点坐标xm,ym46(6)四个象限的圆弧插补第一象限顺圆弧的插补计算当Fm=0,向-y方向进给一步,Fm+1=Fm–2ym+1当Fm0,向+x方向进给一步,Fm+1=Fm+2xm+147四个象限的圆弧插补2象限:1象限以y轴镜象4象限:1象限以x轴镜象3象限:1象限旋转180度48圆弧插补计算工时和进给方向注意:表中坐标值为不带符号的数,如第四象限中的点(-4,-3)应该用xm=4,ym=3查表计算.49(7)圆弧插补计算的程序实现内存单元数据X0:起点X坐标Y0:起点Y坐标NXY:总步数,Nxy＝Nx+NyFM:加工点偏差；XM:xmYM:ymRNS:圆弧种类,1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4.ZF:进给方向,1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向进给.50流程图51例2:加工第1象限逆圆弧AB,起点为A(4,0),终点为B(0,4),试进行插补并作走步轨迹图(flash)解:进给总步数Nxy＝|4-0|+|4-0|=852533.4步进电机控制技术步进电机(StepMotor):是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数摸(D/A)转换器.输入:脉冲输出:角位移脉冲数:决定位移量脉冲频率:决定位移的速度543.4.1步进电机的工作原理(复习)三相反应式步进电机定子:三对磁极,六个齿转子:四个齿,分别为0、1、2、3齿55工作过程:A相通电:A相磁极与0/2号齿对齐；B相通电:由于磁力线作用,B相磁极与1/3号齿对齐；C相通电:由于磁力线作用,C相磁极与0/2号齿对齐；A相通电:由于磁力线作用,A相磁极与1/3号齿对齐；结论:定子按A-B-C-A相轮流通电,则磁场沿A、B、C方向转动360度角,转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置.齿数为4,齿距角为90度,即1个齿距转动了90度.56单三拍57步进电机的“相”和“拍”“相”:绕组的个数“拍”:绕组的通电状态.如:三拍表示一个周期共有3种通电状态,六拍表示一个周期有6种通电状态,每个周期步进电机转动一个齿距.步进电机的步距角的计算:N:步进电机的拍数Z:转子的齿数.齿距角θz=360/Z步距角θ=360/(NZ):步进