数控原理-简化版

数控原理丹阳职教中心陈豪主要内容刀具补偿原理数控插补原理数控机床的组成及工作原理和数控有关的基本概念基本概念1.数字控制(数控NC)(NumericalControl)它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。2.数控系统（NCControlSystem）数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数控控制系统。它由程序输入、输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。3.数控机床（NCMachineTools）数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了计算机、自动控制、基本概念精密测量、机床机构设计与制造等方面的最新成果。4.直接数字控制系统（DNC）使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。5.开放式数控系统世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。数控系统是由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。计算机数控系统程序输入设备计算机数字控制装置（CNC装置）可编程控制器（PLC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床1.用户程序它是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。返回2.输入输出设备CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加工程序、控制参数、补偿参数等。返回计算机数控系统的组成3.CNC装置CNC装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。返回计算机数控系统的组成4.可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。返回5.伺服系统伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分。伺服系统主要指数控设备的主轴驱动和进给驱动，是CNC系统的执行部分。伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令（脉冲信号），转换成数控设备移动部件的运动。返回计算机数控系统的组成1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。数控加工程序存储器：用于存放整个数控加工程序，当存储有多个加工程序时，一般在存储器中开辟一个目录区。数控加工程序缓冲器：只能存放一个或几个程序数据段，规模较小。是数控加工程序输入通路的重要组成部分。CNC系统的主要工作过程3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。所谓译码就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。CNC系统的主要工作过程具体来讲，就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码代表的功能，将后续数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中，可见，译码主要包括代码识别和功能解释两大部分。ISO代码地址内码N(4E)2000H10H0(30)2001H00H5(35)2002H05HG(47)2003H11H9(39)2004H09H0(30)2005H00HG(47)2006H11H0(30)2007H00H1(31)2008H01HX(D8)2009H12H1(31)200AH01H0(30)200BH00H6(36)200CH06HY(59)200DH13H-(2D)200EH21H6(36)200FH06H0(30)2010H00HF(C6)2011H18H4(34)2012H04H6(36)2013H06HM(4D)2014H19H0(30)2015H00H5(35)2016H05HLF(0A)2017H20H单元名地址内码N4000H05HX4001H6AH4002H00HY4003HC4H4004HFFHZ4005H00H4006H00HI4007H00H4008H00HJ4009H00H400AH00HK400BH00H400CH00HF400DH2EH400EH00HS400FH00H4010H00HT4011H00HMX4012H00HMY4013H05HMZ4014H00HGA4015H01HGB4016H00HGC4017H00HGD4018H00HGE4019H00HGF401AH90HISO代码地址内码N(4E)2000H10H0(30)2001H00H5(35)2002H05HG(47)2003H11H9(39)2004H09H0(30)2005H00HG(47)2006H11H0(30)2007H00H1(31)2008H01HX(D8)2009H12H1(31)200AH01H0(30)200BH00H6(36)200CH06HY(59)200DH13H-(2D)200EH21H6(36)200FH06H0(30)2010H00HF(C6)2011H18H4(34)2012H04H6(36)2013H06HM(4D)2014H19H0(30)2015H00H5(35)2016H05HLF(0A)2017H20H数控加工程序缓冲器译码结果缓冲器4.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。CNC系统的主要工作过程1．开环控制数控机床开环数控系统的结构图数控系统的分类－按伺服系统的类型2、闭环控制数控机床闭环数控系统的结构图3．半闭环控制数控机床半闭环数控系统结构图1.点位控制数控机床为点到点控制，刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控制。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。数控系统的分类－按机床运动轨迹点位控制加工原理图2.直线控制数控机床除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有23个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。3.轮廓控制的数控机床能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。2轴控制，同时控制两个坐标车床座标系铣床坐标系在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。插补实质上是根据有限的信息完成“数据点的密化”工作。插补的速度和精度直接影响到数控整个数控系统的速度和精度。插补概述插补概述平面曲线的运动轨迹需要两个运动来协调；空间曲线或立体曲面则要求三个以上的坐标产生协调运动。在CNC系统中，插补工作一般由软件完成，软件插补结构简单、灵活易变、可靠性好。硬件插补：速度快，但电路复杂，调整修改困难。软件插补：调整方便，随着计算机速度的提高，插补速度也得到提高。目前普遍应用的两类插补方法为脉冲增量插补和数据采样插补。1.脉冲增量插补这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，也叫脉冲当量（BLU），脉冲当量是脉冲分配的基本单位。插补方法速度和精度的制约关系例如:某脉冲增量插补算法大约需要40uS，系统脉冲当量为0.001mm，则单个坐标轴的极限速度为1.5m/min.如果要把单个坐标轴的极限速度提高到15m/min，则要求系统脉冲当量为0.01mm可见这种制约关系限制了其速度和精度的提高。数据采样插补又称时间增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。2.数据采样插补提高计算速度插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作，为了提高计算速度，缩短计算时间，按以下三种结构方式进行改进。1.采用软/硬件结合的两级插补方案。2.采用多CPU的分布式处理方案。3.采用单台高性能微型计算机方案。所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。加工如图所示圆弧AB，如果刀具在起始点A，假设让刀具先从A点沿－Y方向走一步，刀具处在圆内1点。为使刀具逼近圆弧，同时又向终点移动，需沿＋X方向走一步，刀具到达2点，仍位于圆弧内，需再沿＋X方向走一步，到达圆弧外3点，然后再沿－Y方向走一步，如此继续移动，走到终点。逐点比较法YAYE1234B231OXOX圆弧插补轨迹直线插补轨迹加工图示直线OE也一样，先从O点沿＋X向进给一步，刀具到达直线下方的1点，为逼近直线，第二步应沿＋Y方向移动，到达直线上方的2点，再沿＋X向进给，直到终点。1.插补原理一般来说，逐点比较法插补过程可按以下四个步骤进行：终点判别结束YN偏差判别开始坐标进给yx2E(4,3)O134123给偏差计算偏差判别：根据刀具当前位置，确定进给方向。坐标进给：使加工点向给定轨迹趋进，即向减少误差方向移动。偏差计算：计算新加工点与给定轨迹之间的偏差，作为下一步判别依据。终点判别：判断是否到达终点，若到达，结束插补；否则，继续以上四个步骤。已知圆弧起点A（Xa，Ya），终点B（Xb，Yb），圆弧半径为R。加工点P的位置可能有情况，即1.P点在圆弧上X2＋Y2－R2=02.P点在圆弧外侧X2＋Y2－R203.P点在圆弧内侧X2＋Y2－R20用F表示P点的偏差值，定义圆弧偏差函数判别式为F=X2＋Y2－R2当加工点落在圆弧上时，一般约定将其和F0一并考虑。圆弧插补YYF≥0ASR1NR1DF≥0F0F0BCOXOXa)顺圆弧b)逆圆弧第一象限顺、逆圆弧对于第一象限顺圆弧，若F≥0时，加工点在圆弧上或圆弧外，向－Y向进给，计算出新点的偏差；若F0，加工点在圆内，向＋X向进给，计算出新一点的偏差，如此走一步，算一步，直至终点。递推公式由于偏差计算公式中有平方值计算，下面采用递推公式给予简化，对第一象限顺圆，1.Fi≥0，向－Y向进给一步，新的坐标为(Xi,Yi－1)，则新点的偏差值为=Fi-2Yi+12.Fi0，沿＋X向前进一步，新的坐标为（X