数控专业数控机床实习报告.doc

数控实习报告摘要目录目录一、数控机床简介及相关参数21、数控机床的组成22、计算机数控系统的工作过程33、实习机床相关参数44、数控机床的控制面板和显示屏（以车床为例）6二、数控系统控制信号的构成81、数控机床的坐标系92、数控机床的指令代码9三、数控信息的输入及译码101、数控信息的输入102、数控加工程序的译码和诊断12四、数控机床点位控制与点位/直线切削控制161、点位控制系统与点位/直线切削控制系统的结构162、位置计算与硬件比较的软件实现173、自动换刀功能18五、数控系统的连续切削控制及插补和刀具补偿原理191、插补的概念192、逐点比较插补法19六、数控系统的软硬件251、计算机cnc装置的组成262、计算机数控系统的硬件结构283、计算机数控系统的软件结构28一、数控机床简介及相关参数1、数控机床的组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图所示图1 数控机床组成（1） 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必须的各种信息，如零件加工的位置数据、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的加工。数控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过通信接口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者cad/cam系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据及显示、模拟显示、存储和打印等功能。（2） 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括crt、键盘、操作面板、机床接口等。操作面板可供操作人员改变操作方式、输入整定数据、启停加工等；机床接口是计算机和机床间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入、输出接口。伺服驱动接口主要是进行数/模转化，以及对反馈元件的输入进行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入/输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成。数控装置控制机床的动作可以概括为以下几点：机床主运动，包括主轴的启停、停止、转向和速度选择。机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向和进给速度的选择等。刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径）。其他辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开停等。图2 机床数控系统的组成（3）伺服系统是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床转移部件，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。（4）机床是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展来的。其主要特点有：大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统；具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率。2、计算机数控系统的工作过程（1） 输入给数控系统有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。（2） 译码输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等）、要求的加工速度以及其他的辅助信息（换刀、换挡、冷却液开关等）。计算机依靠译码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。（3） 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算是解决该加工数据段以什么样速度运动的问题。加工速度的确定是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换挡等也在这个程序中实现。（4） 插补，即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。（5） 伺服系统将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。（6） 当一个数据段开始插补时，管理程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理，即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成的。3、实习机床相关参数（1） 数控车床生产厂家：沈阳第一机床厂性能参数： 表1 实习数控车床主要性能参数电动机：5个，包括主轴、x/z步进电机、刀架电机、冷却液电机，其他见上表（2） 数控铣床生产厂家：武汉华中数控股份有限公司铣床型号：xk713电动机个数：5个，包括主轴、x/y/z轴步进电机、冷却液电机性能参数：最大端铣刀直径：63mm最大立铣刀直径：50mm x,y,z方向进给速度范围：03000mm/min x,y,z方向块速移动速度（max）：8000 mm/min 主轴转速范围（变频）：606000rpm 主轴锥孔：iso40 主轴刀柄：bt40 刀柄拉钉：p40t 主电动机功率：3.7kw 主轴额定输出扭矩：24nm 主轴箱垂直移动最大距离（z）：400mm 工作台纵向移动最大距离（x）：500mm 工作台横向移动最大距离（y）：300mm 工作台（宽x长）：300x700mm 工作台最大承载重量：350kg t型槽（数量x槽宽x中心距）：3x14x80mm 进给电机扭矩（功率）垂直方向（z）：11（带抱闸）nm 纵横方向（x/y）:6nm定位精度：0.01/300mm重复定位精度：0.05mm机床显示精度：0.01mm机床电源及总功率：3p/50hz/380v/10kva气源：0.6mpa机床外形尺寸（长x宽x高）：2180x2050x2165mm机床重量（毛重/净重）：3500/2800kg数控系统：hnc-21m华中“世纪星”数控系统（3） 数控线切割主要技术参数：表2 实习用线切割数控机床性能参数表机床型号dk7725a工作台面尺寸(mm)520336工作台行程(mm)320250加工工件最大厚度(mmm)400(330)机床总重量(kg)1100机床外形尺寸(mm)140010601500走丝速度m/s11.5电极丝尺寸(mm)0.13-0.18最大切割速度(mm2/min)100加工锥度(mm)6。/100输入电源3n-50hz 380v(单相 50hz 220v)机床总功率(kw)1.24、数控机床的控制面板和显示屏（以车床为例）（1）操作装置华中“世纪星”hnc-21t是一基于嵌入式工业pc的开放式数控系统，配备高性能32位微处理器、内装式plc及彩色lcd显示器。采用国际标准g代码编程，与各种流行的cad/cam自动编程系统兼容。hnc-21t车床数控装置操作台为标准固定结构，外形尺寸为420310110毫米（whd），如图4所示。图4 hnc-21t车床数控装置操作台图5 xk713数控铣控制面板（2）显示器 操作台的左上部为7.5彩色液晶显示器，分辨率为640480。（3）nc键盘 nc键盘包括精简型mdi键盘和f1f10十个功能键。 标准化的字母数字式键盘的大部分键具有上档键功能，当“upper”键有效时，指示灯亮，输入的是上档键。nc键盘用于零件程序的编制、参数输入、mdi及系统管理操作等。（4）机床控制面板 标准机床控制面板的大部分按键（除“急停”按钮外）位于操作台的下部。机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。i、f1f10是对应屏幕显示面板下方的10个显示按钮，可以对照屏幕显示面板上的提示对其进行操作。ii、数控机床分为5种工作方式，即自动、单断、手动、增量和回参考点。自动：系统进入自动运行方式，机床的坐标轴由cnc自动完成。单断：单程序段执行方式，此方式下程序逐段执行，即每按一下“循环启动”，执一程序段。手动：手动连续进给方式，进给速率为系统参数最快移动速度的1/3乘以进给修调选择的倍率，如果同时按下“快进”键，则移动的速度将以最高快速速度乘以快速修调选择的倍率。增量：对应两种工作方式：i、手动开关置于off时为增量进给方式，ii、置于on时为手轮移动进给方式。 回参考点：返回机床参考点方式。iii、空运行：机床不做实际切削，坐标轴以最大快速移动速度移动，用以程序等的正确性。其按钮后面的4个按钮均是控制机床速度的快慢。iv、超程解除：当某轴超程时，一直按住此键，同时按下相应点动键，可使该轴向相反方向退出超程状态。v、z轴锁住：禁止z轴进刀，z轴坐标位置变化，单z轴不动。vi、机床锁住：禁止机床坐标轴动作，但此时机床m、s、t功能依然有效。vii、冷却开/停：切削液开关。viii、换刀允许：允许下步骤刀具松、紧操作有效。ix、刀具松/紧：该方式用于换刀操作，在手动方式下，先按“换刀允许”键，使允许刀具松/紧操作有效，然后再按下“刀具松/紧”键，松开刀具，再按一下又为夹紧刀具，如此循环。x、主轴定向：手动方式下，主轴执行定向功能，准确停止在某一固定位置。主轴冲动：手动方式下，当主轴制动无效时，按此键，主轴按机床参数设定的速度和时间转一定的角度。xi、主轴制动：手动方式下，主轴停止状态，按一下此键，主轴电动机被锁定在当前位置。xii、主轴正转、停止、反转：在手动方式下，当主轴制动无效时饭别按下这三个键这主轴分别正转、停止转动和反转。xiii、主轴修调：在手动、自动及mdi方式下，调节主轴速度，当机械齿轮换挡时，不能修调。xiv、快速修调：在手动连续进给方式下调节坐标轴的快移速度，在自动及mdi下调节g00快移速度。xv、进给修调：在手动连续进给方式下调节坐标轴的进给速度，在自动及mdi下调节程序编制速度。xvi、x、y、z：分别控制x、y、z轴的移动方向。 快进：使x、y、z轴快速移动。xvii、循环启动：自动或mdi下，机床开始自动运行加工程序。xviii、进给保持：在自动运行过程中，程序暂停执行，机床运动轴减速停止，此时m、s、t功能保持不变，再按下“循环启动”键，系统以暂停前的状态继续运行。xix、急停按钮：可以使机床停止任何的动作。xx、输入按钮：就是编写程序输入代码的按钮，完成机车的输入功能。（5）软件操作界面 hnc-21t的软件操作界面如图6所示。其界面由如下几个部分组成：图6 nc-21t的软件操作界面1、 图形显示窗口 2、 菜单命令条 3、 运行程序索引 4、 选定坐标系下的坐标值，坐标系可在机床坐标系/工件坐标系/相对坐标系之间切换；显示值可在指令位置/ 实际位置/剩余进给/跟踪误差/负载电流/补偿值之间切换。 5、 工件坐标零点在机床坐标系下的坐标 6、 辅助功能m、s、t；当前刀位ct、选择刀位st 7、 当前加工程序行 8、 当前加工方式、系统运行状态及当前时间 9、 当前坐标、剩余进给 10、直径/半径编程、公制/英制编程、每分钟进给/每转进给、快速修调、进给修调、主轴修调倍率二、数控系统控制信号的构成数字控制是用数字信号对控制对象加以控制的一种方法。数字信号是按一定的国际标准构成的，到目前为止，数控系统的控制信号都是在基于iso06983标准的g、m代码语言编写的。这种语言只包括一些简单的运动指令和辅助指令，不包括零件的几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息，而是把这些信息留给编程人员来考虑，编程效率低。随着计算机辅助系统cax技术、系统集成技术等的飞速发展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代数控系统的要求成为制约数控技术乃至自动化制造发展过程中的瓶颈问题。为此，开发了一种遵循step标准、面向对象的数据模型称为step-nc标准（标准号为iso14649），将产品模型数据转换step标准扩展到cnc领域，重新制定了cad/cam与cnc之间的接口。为实现cad/cam/cnc之间无缝连接，进而实现真正意义上的完全开放式数控制系统奠定了基础。目前大部分的step-nc标准尚未完成，国际上对基于step-nc的数控技术的研究也还处于起步阶段，但已有的研究成果表明，它将会对数控技术乃至制造业带来深远的影响。1、数控机床的坐标系（1） 机床坐标轴的确定z坐标的确定：凡与主轴平行的轴定为z轴，多主轴的机床选一个垂直于工件装夹面的主轴作为主要主轴，从而确定z轴。其中，立式机床z轴是垂直的，卧式机床的z轴是水平的。x坐标的确定：工件旋转的机床如车床、磨床，径向是x轴移动的方向，离开工件的方向为正。y坐标的确定：当z与x确定后，y轴及其方向可用右手笛卡尔坐标系来确定。（2）刀具固定、工件移动时机床坐标轴正方向的确定：上述的机床坐标轴正方向是在假定刀具移动的情况下确定的，如果机床实际上是刀具固定、工件移动，则取相反的方向作为正方向。（3）绝对坐标系和相对坐标系：所有坐标点均以某一个固定原点计量的坐标系称为绝对坐标系。运动轨迹的终点坐标以其起点计量的坐标系称为相对坐标系。2、数控机床的指令代码数控机床用数字化信号来控制机床的动作，从而完成零件的加工。换言之，必须把零件的图纸尺寸、工艺路线、切削参数等内容，用数控机床能够接受的数字及文字代码，即数字化信号表示出来，再根据代码的规定形式制造输入介质，然后将输入介质所记载的信息输入到数控装置中去，从而实现对机床的自动控制加工。（1） 程序代码的组成程序段，是为了完成某一动作要求所需的功能“字”的组合。“字”是表示某一个功能的一组代码符号，如x3400为一个字，表示x方向尺寸位3400：f200为一个字，表示进给速度为200.一个程序段对应着零件的一段加工，它由三部分组成，起始是序号字，中间是数据字，结尾是程序段结束符lf。例如：n001 g41+1250y-15300z+5410f99s00m13lf。（2）坐标功能字 坐标功能键（又称尺寸字）用来设定机床个坐标之位移量。它一般使用x、y、z、u、v、w、p、q、r、a、b、c、d、e等地址符为首，在地址等后紧跟着“+”（正）或“”（负）及一串数字，该数字以系统脉冲当量为单位（如0.01mm/脉冲）或以毫米为单位，数字前的正负号代表移动方向。（3）f进给功能字进给功能字用来指定刀具相对工件运动的速度。其单位一般为mm/min。在进给速度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻螺纹时使用的单位为mm/r。进给功能字以地址符f为首，其后跟跟一串数字代码。具体有以下几种指定方法：二位数代码法；一位数代码法；直接指定法；frn方式；（4） s主轴速度功能字主轴速度功能字用来指定主轴速度，单位为r/min，它以地址符s为首，后跟一串数字。它也可以与进给一样，用位数代码法或直接指定法来代表转速。（5） t刀具功能字在系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换的刀具。刀具功能字由地址符t为首，其后一般跟两位数字，代表刀具的编号。（6） m辅助功能字辅助功能字以地址符m为首，其后跟两位数字（m00m99）分别代表不同的辅助功能。如m00为程序停止，m02为程序结束，m03为主轴顺时针方向转，m05为主轴停，m06为换刀，m10为夹紧，m11为松开等。三、数控信息的输入及译码1、数控信息的输入所谓数控加工程序的输入是指把“写”在信息载体上的数控加工程序，通过一定输入方式送至数控系统的数控加工程序存储器的过程。数控系统的信息输入方式有两种：一是手动数据输入方式（mdi），一般用键盘输入；二是自动输入方式，由上一级计算机与数控系统通信输入。手动输入方式一般仅限于简单的数控加工程序输入，而大量复杂的零件加工程序的输入要利用自动输入方式。（1）键盘输入方式键盘输入各种信息是通过中断方式来实现的。每按一次键，不论它是mdi键盘的键还是操作面板的键，中断系统都会向cnc装置中的cpu发出中断请求。当cpu响应中断后，由中断服务程序读入操作人员从键盘输入的内容，其处理过程如图所示。如果键盘输入的是加工程序，中断服务程序将输入的字符转换成内码并存入mdi缓冲器；若键盘输入的是命令，则转入相应的键盘命令处理程序。键盘命令处理程序的功能，主要是根据输入命令的不同转入不同的处理程序。输入命令的格式，对于具体的数控系统而言是事先约定好的。一般每一个键盘命令都含有一个命令结束符，当检测到mdi缓冲器的字符为结束符时，则表明一条完整的键盘命令已经装入缓冲器，此时可以转入该命令的处理程序。在键盘处理命令中，有一个重要的功能就是数控加工程序的键盘编辑处理功能，它包括数控加工程序的插入、删除、替换、修改等操作。一般这些操作是在显示器的配合下进行的。在执行编辑程序后，输入需检索的程序段号，编辑程序在光标移动的配合下，迅速检索该程序段并将其显示出来，等待编辑命令的输入，以便进行进一步的处理。图7 键盘中断服务程序流程图（2） 存储器方式输入cnc系统也可以通过存储器来获取数控加工程序，这种方式称为存储器方式输入。数控加工程序可存放在外部存储器中，例如软磁盘或硬磁盘等磁性载体，称为外存储器方式。也可存放在内部存储器中，即cnc装置内部的存储器，称为内存储器方式。在内存储器方式中，数控加工程序缓冲器和数控加工程序存储器在本质上都是cnc装置内部存储器的一部分，一般采用随机访问存储器（ram），只是这两者的规模和作用有些不同，为了便于分析问题，按它们各自的作用分别命名而已。数控加工程序存储器用于存放整个数控加工程序。一般这种存储器的容量较大，有时还设计一个专用的存储器板供系统配置时选用。为了便于管理该存储器中各个数控加工程序，在这个存储器中还建立了程序目录区，同时在目录区中按约定格式存放每一个数控加工程序的有关信息，主要有对应的程序名称、该程序在存储区中存放的首末地址等，如图所示。在调用某个数控加工程序时，根据调用命令指定的程序名称查阅目录。若指定的程序不在目录表中，则认为调用出错，否则将该程序的首末地址取出存放到指定的单元，然后逐段取出并执行被调用的程序，直至取完为止。数控加工程序缓冲器的存储容量较小，一般只存放一个或几个程序段。但它是数控加工程序输入输出通道上极其重要的组成部分。在加工时，数控加工缓冲器中的程序段直接与后续的译码程序相联系。当缓冲器每次只能容纳一个程序段时，缓冲器的管理操作很简单。但当缓冲器能存放多个程序段时，就应对缓冲器配置相应的管理程序，并按先入先出的顺序原则管理缓冲器。图8 数控加工程序存储器（3） dnc数控系统输入方式随着网络技术和计算机技术的发展，dnc（direct numerical control or distributed control）系统已经成为目前车间中连接各自动化设备和cad/cam以及其他车间管理系统的一种有效工具和提高数控机床利用率的有效手段，是实现车间自动化的较好形式。目前，dnc系统主要采用的通信结构包括点对点式结构、现场总线结构和局域网结构。点对点通信是利用数控机床提供的rs232或rs485串行通信接口，以一台计算机对应于一台数控机床实现通信；而现场总线通信是利用现场总线构建设备网络，通过现场总线和数控机床间设置转换器连接具有串行通信接口的机床；局域网结构主要是针对具有网络接口的机床，如map（manufacturing automation protocol）接口或以太网接口的机床，具有这种接口的机床可以直接接入车间网络，新型数控机床都提供了这种网络的接口。2、数控加工程序的译码和诊断数控加工程序输入到程序缓冲器后，立即进入数据预处理环节，为后续的插补运算作好准备工作。这些工作主要有：数控加工程序的译码与诊断、运动轨迹的刀具补偿计算以及速度处理等。（1） 数控加工程序的译码译码就是将输入的数控加工程序翻译成cnc装置能识别的代码形式，也就是将数控加工程序缓冲器或mdi缓冲器中数据逐个读出，先识别其属性，然后作相应的处理。即判断其是字母码（通常为地址符）、功能码，还是数字码。若是字母码，则将其后续的数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中。若是功能码，则应进一步判断其功能后再处理。可见，译码过程主要包括代码的识别和功能码的翻译两大部分。图9 数控加工程序译码过程代码识别代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。如果是数字码，则立即设置相应的标志并转存；如果是字母码，则进一步判断该码的具体功能，然后设置代码标志并转入相应的处理。在判断字母码功能时一般按查寻方式进行，即串行比较各个字符，因此处理速度较慢。由于译码的实时性要求不高，可以安排在数控系统软件的后台程序中完成，利用其空闲时间进行译码，一般来讲仍是能满足要求的。当然，在保证上述代码识别功能的前提下，也可采取一些有效措施来提高识别速度。例如，可以先根据平时的经验将表3中字符出现频率大致排个序，在译码比较时可按出现频率高低的顺序进行。另外，还可将文字码与数字码分开处理，由于只有数字码对应内码的二进制高四位为 “0000”，并且数字码内码在数值上就等于该数字的二十进制 （bcd码）大小。从这里也可以看出，在数控加工程序输入过程中进行内码转换的用意来。表3 字符代码在eia代码中，eor的字符为er；在iso代码中，eor的字符为%。功能码翻译代码识别确立了各功能代码的特征标志，随后将对各功能码进行相应处理。首先建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的译码缓冲器；其次考虑缓冲器的规模；最后阅读存储格式。由数控代码有关标准jb/t3208-1999可知，准备功能代码g和辅助功能代码m是两种数量较大的代码簇。由于这些代码具有互斥性，可将g代码、m代码按功能属性分组，每一组代码只需设置一个独立的内存单元即可，并以特征字来区分本组中的不同代码。其他功能代码，如主轴功能代码s、进给功能代码f、刀具功能代码t等，它们在一个程序段中只可能出现一次。因此，它们在内存中的地址可以指定。表4 常用m代码分组表5 常用g代码分组表6 译码缓冲器存储格式下面以前面采用iso代码编写的数控加工程序段为例说明译码程序的工作过程。 首先从数控加工程序缓冲器中读入一个字符，判断是否是该程序段的第一个字符n，入是则设立标志。接着去取其后紧跟的数字，应该是2位的bcd码，并将它们进行合并，在检查没有错误的情况下将其存入译码结果缓冲器中n代码对应的内存单元。再取下一个字符（g代码），同样先设立相应标志，接着分两次取出g代码后面的二位数码（90）。判别出属于gf组，则在译码结果缓冲器gf对应的内存单元置入“90h”即可。继续再读入下一字符仍是g代码，并根据其后的数字（01）判断出应属于ga组，这样只要在ga对应的内存单元中置入“01h”即可。接着读入的代码是x代码和y代码及其后紧跟的坐标值，这时需将这些坐标值的内码进行拼接，并转换成二进制数，同时检查无误后将其存入x或y对应的内存单元中。如此重复进行，一直读到结束字符lf后，才进行有关的结果处理，并返回主程序。这样经过上述译码程序处理后，一个完整的数控加工程序段中的所有功能代码连同它们后面的数字码，都被依次对应的存入到相应的译码结果缓冲器中，从而得到如图10所示的译码结果。这里假设零件程序段内码的首地址为2000h，标准代码的首地址为4000h。图10 数控加工程序译码工程示意图（2） 数控加工程序的诊断所谓数据加工程序的诊断，是指cnc装置在程序输入或译码过程中，对不规范的指令格式进行检查、监控及处理的服务操作，其目的在于防止错误代码的读入。所谓语法错误，是指程序段格式或程序字格式不规范的错误；所谓逻辑错误，是指整个加工程序或一个程序段中功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。对于不同cnc系统，数控加工程序的诊断规则不同，与具体的系统约定有关。下面是一些常见的主要的错误现象：i、语法错误现象 第一个代码不是n代码。 n代码后数值超过cnc系统所规定范围。 碰到了不认识的功能代码。 坐标值代码后的数据超越了机床行程范围。 s代码设定的主轴转速越界。 f代码设定的进给速度越界。 t代码后的刀具号不合法。 遇到了cnc系统中没有的g代码或m代码，一般数控系统只能实现iso标准或eia标准中g代码的一个子集。ii、逻辑错误现象 在同一个数控加工程序段中先后出现了两个或两个以上同组的g代码或m代码。 在同一个数控加工程序段中先后编入了互相矛盾的零件尺寸代码。 违反了cnc系统的设计约定。以上仅是数控加工程序诊断过程中可能会碰到的部分错误。事实上，在实现过程中还会遇到许许多多的错误现象，这时要结合具体情况加以诊断和防范。另外，上述诊断过程的实现大多是贯穿译码软件中进行，有时也会专门设计一个诊断软件模块来完成。（3） 软件实现对于cnc装置而言，数控加工程序的输入、译码和诊断是其必需的操作。由于译码结果缓冲器对某种数控系统来说是固定不变的，因此，可采用变址寻址的方式来确定译码结果在内存中的存放地址。为了寻址方便，在rom中可设置一个译码结果缓冲器格式表格，并规定每种类型功能代码在该表中的位置，即相对表头的地址偏移量，以及该功能字的字节数、数据格式等。根据译码结果缓冲器的结构特点以及译码方法和诊断原则，设计出数控加工程序在输入过程中的要译码与诊断软件，其流程图如图所示。图11 数控加工程序译码与诊断流程图需要指出的是上述内码转换过程并非是唯一的或必须的。当使用汇编语言编写译码和诊断程序时，完全可省去内码转换过程，直接将数控加工程序翻译成标准代码。四、数控机床点位控制与点位/直线切削控制1、点位控制系统与点位/直线切削控制系统的结构图11是点位控制系统的典型结构。其核心部分是位置计算与比较线路，线路中一般都有位置计数器，以接收测量装置发来的正向或反向脉冲，并做相应的加法或减法计数。在采用绝对值编程方式时，它记录以工件原点为基准的刀具位置并送去数字显示。图12 点位控制系统结构在采用增量程序编制方式时，位置计算与比较线路要简单的多。这时的指令计数器不再记录刀具位置而是存放本次要走的坐标增量。随着刀具向定位点的趋近，指令计数器中的数字不断减小，并由比较线路判断发出降速信号，最后在计数器中的数字被减到零时，发出进给停止信号，一个坐标的定位结束。点位/直线切削系统因其机能设置较多，故有叫完善的进给速度（f）、主轴转速（s）、刀具选择（t）及辅助机能（m）的寄存与控制。对坐标移动的控制与点位控制系统一样是由位置计算与比较线路完成的。又因点位/直线切削控制系统的精度等级不很高。故较多采用电液脉冲马达或功率步进电机进行开环控制。图 是一开环点位/直线切削控制系统的结构方框图。 图13 开环点位/直线切削控制系统的结构方框图2、位置计算与硬件比较的软件实现与硬件相比，软件控制可以比较方便地实现更多的控制功能。该软件允许设置浮动原点。若根据加工零件的要求设置了浮动原点，则反应刀具的距离，在设浮动原点时，已被自动计算出来。由于一个零件程序只是在开始时设置浮动原点，在设浮动原点时，已被自动计算出来，由于一个零件程序只是在开始时设置浮动原点，故标志不能保留，应在处理后清除，然后按绝对值或增量值编程方式分两条之路进行位置计算，第一次判别g90/g91是为g91疯似的减法计算器预置数，该数值来自给定坐标值寄存器，反映了该程序段的位移增量。第二次判断g90/g81标志才是为区分绝对值方式和增量方式而设置的。每走一步则进行下一个程序段，否则继续循环。此控制流程图仅为单轴控制，极限走（x或y），再走y（或x），若要2轴或3轴同时控制，可标志来判断。流程图中依次反映出x走一步，y走一步，z走一步。图14 绝对值/增量混合使用之位置计算与比较流程图3、自动换刀功能换刀控制工程（1） 找刀如果下一工序选用t04号刀具，根据找刀信号m77，刀库开始旋转，并进行刀具编码检测。如图所示，找到t04号刀具后发出符合信号，刀库停转。（2） 主轴停转当前一工序结束停转时，主轴准停后发出主轴准停信号。（3） 返回原点主轴根据返回程序，返回原点后发出返回信号。（4） 换刀指令m06当下一工序需进行换刀时，发出换刀指令m06进行换刀。（5） 换刀动作程序主要采用固定选址选刀方式，即识别刀匣与刀座的编码，控制刀库的转动与刀匣的升降，进行选刀。五、数控系统的连续切削控制及插补和刀具补偿原理1、插补的概念在数控机床中，刀具是一步一步移动的。刀具（或机床的运动部件）的最小移动量称为一个脉冲当量。脉冲当量是刀具所能移动的最小单位。在数控机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，各不相同。严格来说，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确的按照工件的轮廓形状来生成。然而，对于简单的曲线，数控装置易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成，势必会使算法变得复杂，计算机的工作量也相应的大大增加。在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近（或称为拟合）所要加工的曲线。因此，刀具不能严格的按照所加工的曲线运动，而只是用折线近似的取代所需加工的零件轮廓。所谓插补是指数据密化的过程，数控系统根据给定的数学函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间进行数据点的密化，来确定一些中间点的方法。在数控系统中，完成插补运算的装置叫插补器。根据插补器的结构分为硬件插补器和软件插补器两种类型。以硬件为基础的数控系统中，数控装置采用了电压脉冲作为插补点坐标增量输出，其中每一脉冲都在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动。在这种系统中，一个脉冲p对应着一个基本长度单位。这些脉冲可驱动开环控制系统中国的步进电机，也可驱动闭环控制系统中的直流伺服电机。每发送一个脉冲，工作台相对刀具移动一个基本长度单位（脉冲当量）。脉冲当量的大小决定了加工精度，发送给每一坐标轴的脉冲数目决定了相对运动距离，而脉冲的频率代表了坐标轴的速度。在计算机数控（cnc）系统中，有软件（程序）完成插补工作的装置，称为软件插补器。软件插补主要有微处理器组成。通过编程就可完成不同的插补任务，这种插补器结构简单，灵活多变。现代计算机数控系统为了满足插补速度和插补精度的要求，采用软件和硬件相结合的方法，由软件完成粗插补，由硬件完成精插补。2、逐点比较插补法逐点比较插补法的基本原理是，在刀具按要求的轨迹运动加工零件轮廓过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具沿着坐标轴向减小偏差的方向进给，且只保持一个方向的进给。也就是说，逐点比较法每一步均要比较加工点瞬间坐标与规定零件轮廓之间的距离，依次决定下一步的走向，如果加工点走到轮廓外面去了，则下一步要朝着轮廓的内部走；如果加工点在轮廓的内部，则下一步要向轮廓的外部走，以缩小偏差，周而复始，直至全部结束，从而获得一个非常接近于数控加工程序规定轮廓的刀具中心轨迹。图15 逐点比较法插补流程图逐点比较插补法的插补过程每一步都要经过如图15所示的偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍。（1）偏差判别 判别刀具当前位置相对应于给定轮廓的偏差情况，即通过偏差值符号确定加工点处在理想轮廓的哪一侧，并以此决定刀具进给的方向。（2）坐标进给 根据偏差判别的结果，控制相应坐标轴进给一步，使加工点向理想轮廓靠拢，从而减少其间的偏差。（3）偏差计算 刀具进给一步后，针对新的加工点计算机出能反映其偏离理想轮廓的新偏差，为下一步偏差判别提供依据。（4）终点判别 每进给一步后都要判断刀具是否达到被加工零件轮廓的终点，若到达了则结束插补，否则继续重复上述四个节拍的工作，直至终点为止。i、逐点法直线插补以xy平面第i象限为例，设直线oa的起点为坐标原点，终点的a坐标为。则直线oa的方程为 图16 逐点比较法直线插补设点p为任一加工点，若点p正好在直线oa上，则若加工点p在直线oa的上方（严格的说，在直线oa与y轴所成夹角区域内），那么下述关系成立： 若加工点p在直线oa的下方（严格的说，在直线oa与x轴所成夹角区域内），那么下述关系成立： 设偏差函数为，则综上分析，可以把偏差函数与刀具位置关系归结为如下表：表7 逐点比较插补函数与刀具位置的关系进给方向与偏差计算：由上述偏差函数与刀具位置的关系，若偏差函数，这时刀具位于直线上方。为了使刀具向直线靠近，并向直线终点进给，刀具应沿x轴正向走一步，到达点，点的坐标由下式计算则经过化简，刀具在点处的偏差值为图17 直线插补的进给方向若偏差函数，则由表7可知，刀具位于直线上，但刀具仍沿x轴正向走一步，到达点。偏差值计算与大于零相同。同理，当时，有 由以上递推可得直线插补的坐标进给方向与偏差计算方法如下表：表8 直线插补的坐标进给方向与偏差计算方法终点判断：终点判断通常是根据刀具沿x、y轴所进给的总步数进行的。总步数n为 插补结束的条件为插补步数等于总步数n。软件实现： 设计插补软件前必须约定四组内存单元（每组单元的字节数需根据插补精度确定），分别存放偏差函数值、终点坐标和，以及插补步数计数值。根据上述逐点比较算法，其软件实现流程图如下：图18 逐点比较法直线插补（第i象限）软件流程图ii、圆弧插补图19 刀具与圆弧之间的位置关系在圆弧加工过程中，要描述刀具位置与被加工圆弧之间的相对位置关系，可用动点到圆心的距离大小来反映。如图19所示，假设被加工的零件轮廓为第一象限逆圆弧ae，刀具位于点 处，圆心为 o（0，0），半径为r，则通过比较点t到圆心的距离与圆弧半径r的大小就可以判断出刀具与圆弧之间的相对位置关系。当点 正好落在圆弧ae上时，则有下式成立当点 t 落在圆弧 ae 外侧时，则有下式成立当点 t 落在圆弧 ae 内侧时，则有下式成立所以，取圆弧插补时的偏差函数表达式为 当 f0时，动点在圆外或圆上，根据进给方向确定的原则，刀具沿-x方向进给一步；当 f 0时，该点在圆弧内，则刀具沿+y方向进给一步。设第 i次插补后，刀具位于点，对应的偏差函数为若 fi0，刀具沿-x轴方向进给一步，到达新的位置坐标值为因此，新的偏差函数为 同理，若 fi0，刀具沿+y轴方向进给一步，到达新的位置坐标值为因此，新的偏差函数为 故第一象限你圆弧插补计算公式可归纳为表9 逆圆插补计算过程根据进给方向的确定原则，第一象限顺圆弧插补计算公式可归纳为表10 顺圆插补的计算过程和直线插补一样，插补过程中也需要终点判别：其中，插补圆弧起点坐标；插补圆弧终点坐标。iii、进给速度从前面的讨论可知，逐点比较法插补是按照一定算法向机床各个坐标轴进行脉冲分配，从而控制机床坐标轴运动的过程。脉冲的频率高低决定了机床进给速度的大小。合成进给速度对零件的加工表面粗糙度值有着直接的影响，因此，我们希望在插补过程中，合成进给速度恒等于程编进给速度或只在允许的较小范围内变化。但事实上，合成进给速度f与插补计算方法、脉冲源频率、零件轮廓的线型和尺寸均有关系。所以，在这里有必要对逐点比较法的合成进给速度进行分析。我们知道，逐点比较法的特点是脉冲源每发出一个脉冲，刀具就进给一步，并且不是发给x轴（+x 方向或-x 方向），就是发给y轴（+y方向或-y方向），因此有下式成立。式中 脉冲源频率（hz）； x轴进给频率（hz）； y轴进给频率（hz）。对应于x轴和y轴的速度为，由图20得合成进给速度为上式中当 或 时，也就是刀具沿平行于坐标轴的方向切削，这时对应切削速度为最大，相应的速度称之为脉冲源速度，即合成速度与脉冲速度之比为： 图20 合成进给速度的关系由上式可见，当程编进给速度确定了脉冲源频率后，实际获得的合成进给速度f并非就一直等于，而是与角有关。当 = 0或 90时，即进给速度正好等于程编速度；当= 45时，即实际进给速度小于程编速度。也就是说，在程编进给速度确定了脉冲源频率不变的情况下，逐点比较法直线插补的合成进给速度随着被插补直线与 x 轴的夹角而变化，且其变化范围为：，最大合成进给速度与最小合成进给速度之比为，这对于一般机床加工来讲还是能够满足要求的。同理，对于圆弧插补的合成进给速度分析也可仿此进行，并且结论也一样，只是这时的角是指动点到圆心连线与 x 轴之间的夹角。总之，通过上述合成进给速度分析可以得到一个结论，就是逐点比较法插补算法的进给速度是比较平稳的。iv、主轴转速交流伺服电机的转速公式： n = 60f/p(1-s) n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数 s：电机的转差率改变交流电动机的转速有三种方法，即变频调速、变极调速和变转差率调速。变极调速通过改变极对数来实现电动机的调速，这种方法是有级调速且调速范围窄；变转差调速可以通过转子绕组中串联电阻和改变定子电压两种方法来实现。变频调速调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优良的静态和动态特性。目前高性能的交流调速系统都是采用变频调速技术来改变电动机的转速。还有改变定子电压调速，采用离合器调速等。直流伺服电动机的调速方法：改变电枢电压、改变磁通量或电枢回路电阻均可改变电动机的转速。数控机床的速度控制单元常采用前两种方法，特别是第一种方法，用来实现伺服电动机或主轴电动机的调速。六、数控系统的软硬件图21 华中“世纪星”hnc-21/22数控设备连接示意图实习用华中数控系统采用通用基于32位工业控制机和dos平台的开放式体系结构。1、计算机cnc装置的组成及工作原理cnc系统根据输入的程序（或指令），由计算机进行插补运算，行程理想的运动轨迹。插补运算计算出的位置根据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需要的零件。cnc系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（cnc装置）、可编程序控制器（plc）、主轴驱动和进给驱动装置等组成。数控系统的核心是cnc装置。cnc装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器（cpu）、存储器、位置控制、输入/输出（i/o）接口、可编程控制器（plc）、图形控制、电源等模块组成，硬件组成如图所示。软件则有系统软件和应用软件组成。为了是想cnc系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下，cnc装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件由管理软件和控制软件组成，如图所示。管理软件承担零件加工程序的输入输出、i/o处理、系统的显示和故障诊断。控制则承担译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位置控制等工作。图22 cnc系统硬件基本组成计算机数控装置的工作原理： cnc装置在其硬件环境支持下，按照系统