数控技术自学指导书

1 数控技术数控技术 自学指导书自学指导书 一 课程名称 数控技术一 课程名称 数控技术 二 自学学时 二 自学学时 30 课时 三 教材名称 三 教材名称 数控技术数控技术 赵玉刚 宋现春 编著 机械工业出版社 四 课程简介 四 课程简介 本课程是高等学校机械类专业学生必修的一门专业基础课程 通过本课程的学习 使学 生掌握现代数控技术的基本理论体系 方法和应用工具 具有综合运用所学知识 正确 使用数控设备的能力 了解与本课程有关的机电一体化新技术及发展趋势 提高分析问 题和动手动脑的综合能力 为学习其他有关课程和将来从事数控技术方面的工程设计与 开发打好必要的基础 本课程主要研究数控机床的工作原理 各组成部分及其在机械生 产中的应用 基本教学内容有 数控技术概述 数控加工程序的编制 计算机数控装置 进给伺服系统 数控技术的发展 数控机床的故障诊断与维修等 六 考核方式 六 考核方式 开卷考试 七 自学内容指导 七 自学内容指导 第一章第一章 绪论绪论 1 1 本章内容概述 本章内容概述 了解机床数控技术基本概念及其发展概况 掌握数控机床的工作流程 基本组成 工 作原理 分类 特点和适用范围 2 2 2 自学学时安排 自学学时安排 2 学时 3 3 知识点 知识点 概述 数控技术概念 数控机床概念 数控机床的基本工作原理 数控机床的工作流程 数控机床的组成 数控机床的特点 数控机床的适用范围 点位 直线 轮廓控制数控机床概念 开环 闭环 半闭环数控机床概念 多轴联动数控机床的含义和实例 4 本章重点 本章重点 点位 直线 轮廓控制数控机床概念 开环 闭环 半闭环数控机床概念 多轴联动数 控机床的含义和实例 5 习题 1 数控机床是由哪几部分组成 它的工作流程是什么 2 按伺服系统的控制原理分类 分为哪几类数控机床 各有何特点 4 数控机床有哪些特点 3 什么是点位控制 直线控制 轮廓控制数控机床 三者如何区别 第二章第二章 数控机床的加工程序的编制数控机床的加工程序的编制 1 1 本章内容概述 本章内容概述 掌握数控编程基础知识 掌握常用 G M 指令的编程方法 掌握数控编程的工艺处 理原则 了解程序编制中的数学处理方法 2 2 自学学时安排 自学学时安排 10 3 3 知识点 知识点 数控编程基本概念 数控编程的一般步骤 数控编程代码的含义 手工编程和自动编程 两种方法的异同 数控机床的坐标系和坐标轴的确定 机床原点与机床坐标系 工件原点和工件坐标系 绝对坐标与相对坐标 尺寸设定单位 数控加工程序的结构 常用的准备功能 G 指令 包括坐标系相关指令 运动方式相关指令 刀具补偿指令 子 程序调用指令 常用的辅助功能 M 指令 F S T 指令 数控编程中数值计算的任务 基点和节点的概念 非圆曲线节点计算的几种方法 3 加工路线的确定原则及实例 对刀点 换刀点的选择 工件的装夹方式的选择 数控加 工切削用量的选择 4 4 本章重点本章重点 数控机床的坐标系和坐标轴的确定 机床原点与机床坐标系 工件原点和工件坐标系 绝对坐标与相对坐标 尺寸设定单位 数控加工程序的结构 常用的准备功能 G 指令 包括坐标系相关指令 运动方式相关指令 刀具补偿指令 子 程序调用指令 常用的辅助功能 M 指令 F S T 指令 数控编程中数值计算的任务 基点和节点的概念 非圆曲线节点计算的几种方法 5 习题 1 什么是对刀点 刀位点 换刀点 2 什么是数控编程中的数值计算 它包含哪些内容 3 什么是基点 什么是节点 4 数控车削编程的特点是什么 5 车削固定循环功能的作用是什么 常用的有哪些 6 数控铣削编程的特点是什么 第三章第三章 插补计算原理 刀具半径补偿与速度控制插补计算原理 刀具半径补偿与速度控制 1 1 本章内容概述 本章内容概述 本章主要了解数控系统的硬件结构和软件结构 掌握插补的基本概念 掌握逐 点比较法插补算法 掌握数字积分法插补算法 掌握数据采样法 时间分割 法算法 2 2 自学学时安排 自学学时安排 4 学时 3 3 知识点 知识点 数控系统的硬件结构和软件结构 插补的基本概念 逐点比较法 插补算法 数字积分法插补算法 4 4 本章重点本章重点 逐点比较法插补算法 数字积分法插补算法 数据采样法 时间分割法算法 习题 习题 1 什么是对刀点 刀位点 换刀点 2 什么是数控编程中的数值计算 它包含哪些内容 3 4 什么是基点 什么是节点 4 数控车削编程的特点是什么 何为插补 有哪两类插补算法 试述逐点比较法的 4 个节拍 圆弧终点判别有哪些方法 圆弧自动过象限如何实现 简述 DDA 稳速控制的方法及其原理 数据采样插补是如何实现的 加减速控制有何作用 有哪些实现方法 脉冲增量插补的进给速度控制常用哪些方法 第四章第四章 计算机数控系统计算机数控系统 1 1 本章内容概述 本章内容概述 本章主要讲解 CNC 数控装置的各项主要功能 CNC 数控装置硬件结构 CNC 数控装置 软件结构及特点 开放式数控系统的结构及其特点 2 2 自学学时安排 自学学时安排 4 学时 3 3 知识点 知识点 CNC 数控系统的组成 CNC 数控装置的组成 CNC 数控装置的主要功能 CNC 装置软件硬件的功能界面 CNC 装置软件结构的特点 多任务并行处理 多重实时 中断 CNC 装置的中断结构模式 单微处理机结构 CNC 装置的硬件结构 输入 输出接口的分类及任务 多微处理机结构 CNC 装置的硬件结构简介 4 4 难点 难点 C 装置软件结构的特点 多任务并行处理 多重实时中断 CNC 装置的中断结 构模式 5 习题习题 CNC 系统有哪几部分组成 其核心是什么 CNC 装置的软件有哪几部分组成 CNC 装置的主要功能是什么 每一部功能的内容是什么 CNC 装置软件结构有何特点 CNC 装置软件采用的并行处理方法有哪几种 这些方法是如何实现并行处理的 CNC 装置中断结构模式有哪两种 各有何特点 5 第五章第五章 数控机床用可编程控制器数控机床用可编程控制器 1 1 本章内容概述 本章主要讲解 本章内容概述 本章主要讲解 PLCPLC 的基本知识 数控机床用的基本知识 数控机床用 PLCPLC 的特点及应用 的特点及应用 典型典型 PLCPLC 的指令系统 数控机床的指令系统 数控机床 PLCPLC 的程序设计及调试 的程序设计及调试 2 2 自学学时安排 自学学时安排 4 学时 3 3 知识点 知识点 PLC 的产生于发展 典型 PLC 的指令系统 FANUC PLC 指令系统 PLC 在数控机床 控制中的应用 PLC 位置控制 4 4 本章重点本章重点 典型 PLC 的指令系统 FANUC PLC 指令系统 习题 数控机床 PLC 的有哪些控制对象 与继电器线路比较 与继电器线路比较 PLC 有何优势有何优势 可编程控制器的硬件系统有哪几部分组成 各部分的作用是什么 简述 PLC 的基本工作原理 并说明 PLC 在输入和输出的处理上有什么特点 第六章第六章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 1 1 本章内容概述 本章内容概述 本章主要讲述本章主要讲述常用的伺服驱动装置及其系统 常用的位置检测装置工作原 理 2 2 自学学时安排 自学学时安排 6 4 学时 3 3 知识点 知识点 伺服系统的概念 作用 数控机床对进给伺服系统的要求 伺服系统的分类及其特点 步进电机的工作原理及主要特性 步进电机的驱动控制线路 开环步进式伺服系统的工 作原理 闭环伺服系统的执行元件及其调速 鉴相式伺服系统工作原理 鉴幅式伺服系 统工作原理 数字脉冲比较式伺服系统工作原理 进给伺服系统对位置测量装置的要求 位置检测装置的分类 感应同步器的工作原理及 其工作方式 脉冲编码器的工作原理 4 4 重点 难点 步进电机的工作原理及主要特性 步进电机的驱动控制线路 开环步进式伺服系统的工 作原理 闭环伺服系统的执行元件及其调速 鉴相式伺服系统工作原理 鉴幅式伺服系 统 工作原理 数字脉冲比较式伺服系统工作原理 习题 习题 1 数控机床对伺服系统有哪些要求 2 数控机床的伺服系统有哪几种类型 各自有何特点 3 步进电机步距角的大小取决于哪些因素 4 简述提高开环系统的伺服精度方法 5 数控机床对检测装置有哪些要求 第七章第七章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 1 1 本章内容概述 本章内容概述 本章主要讲解数控机床常用的伺服驱动装置及其系统 常用的位 置检测装置工作原理 2 2 自学学时安排 自学学时安排 2 学时 3 3 知识点 知识点 伺服系统的概念 作用 数控机床对进给伺服系统的要求 伺服系统的 分类及其特点 步进电机的工作原理及主要特性 步进电机的驱动控制线路 开环步进式伺服系统的工 作原理 进给伺服系统对位置测量装置的要求 位置检测装置的分类 感应同步器的工作原理及 其工作方式 脉冲编码器的工作原理 闭环伺服系统的执行元件及其调速 鉴相式伺服系统工作原理 鉴幅式伺服系统工 7 作原理 数字脉冲比较式伺服系统工作原理 4 本章重点本章重点 步进电机的工作原理及主要特性 步进电机的驱动控制线路 开环步进式伺服系统 的工作原理 进给伺服系统对位置测量装置的要求 位置检测装置的分类 感应同步 器的工作原理及其工作方式 脉冲编码器的工作原理 习题 习题 1 数控机床对进给运动系统有哪些要求 2 数控机床的主轴准停装置的作用 3 滚珠丝杆如何预紧 4 数控机床的导轨副有哪些形式 5 数控机床导轨副有哪些特点 章节习题答案章节习题答案 第一章第一章 1 1 答 答 数控机床由输入装置 CNC 装置 伺服系统和机床的机械部件构成 2 2 答 答 1 开环控制的数控机床 其特点 a 驱动元件为步进电机 b 采用脉冲插补法 逐点比较法 数字积分法 c 通 常采用降速齿轮 d 价格低廉 精度及稳定性差 2 闭环控制系统 其特点 a 反馈信号取自于机床的最终运动部件 机床工作台 b 主要检测机床 工作台的位移量 c 精度高 稳定性难以控制 价格高 3 半闭环控制系统 其特点 a 反馈信号取自于传动链的旋转部位 b 检测电动机轴上的角位移 c 8 精度及稳定性较高 价格适中 应用最普及 3 3 答 答 a 加工零件的适用性强 灵活性好 b 加工精度高 产品质量稳定 c 柔性好 d 自动化程度高 生产率高 e 减少工人劳动强度 f 生产管理水平提高 适用范围 零件复杂 产品变化频繁 批量小 加工复杂等 4 4 答 答 1 点位控制数控机床特点 只与运动速度有关 而与运动轨迹无关 如 数控 钻床 数控镗床和数控冲床等 2 直线控制数控机床特点 a 既要控制点与点之间的准确定位 又要控制两相关 点之间的位移速度和路线 b 通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能 以及主轴转速控 制功能 3 连续控制数控机床 轮廓控制数控机床 对刀具相对工件的位置 刀具的进 给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统 具有点位控制系统的全部功能 适用于连续 轮廓 曲面加工 第二章第二章 1 什么是对刀点 刀位点 换刀点 对刀点 在数控机床上加工零件时 道具相对与工件运动的起点 刀位点 刀具在机床上的位置 换刀点 刀架转位换刀时的位置 2 什么是数控编程中的数值计算 它包含哪些内容 根据工件的图样要求 按照已确定的加工路线和允许的变成误差 计算出数控 系统所需输入的数据 基点和节点的计算 刀位点轨迹的计算 辅助计算 3 什么是基点 什么是节点 基点 把各几何元素间的连接点 节点 当利用基友直线插补功能的数控机床加工零件的曲线轮廓时 任一几何 元素均用直线逼近 即任一轮廓的曲线军用连续的折线来逼近 这时 应根据 编程所允许的误差 将曲线分割成若干个直线段 其相邻的而直线的交点称为 节点 4 数控车削编程的特点是什么 1 在一个程序段中 根据图样上标注的尺寸 可以采用绝对值编程 增量 值编程或二者混合编程 2 由于图样尺寸和测量值都是直径值 故直径方向用绝对值编程时 X 以 直径值表示 用增量值表示时 以经向实际位移量的二倍值表示 9 3 为提高工件的径向尺寸精度 X 向的脉冲当量取 Z 向的一半 4 由于毛胚常用棒料或断料 加工余量较大 所以数控装置常具备不同形 式的固定循环功能 可进行多次重复循环切削 5 编程时 为提高工件的加工精度 当编制圆头刀程序时 需要对刀具半 径进行补偿 对不具备刀具自动补偿功能的数控车床 编程时 需先计算补偿 量 6 许多数控车床用 X Z 表示绝对坐标指令 用 U W 表示增量坐标指令 而 不用 G90 G91 指令 7 第三坐标指令 I K 在不同的程序段中作用也不相同 I K 在圆弧切削时表 示圆心相对圆弧的起点的坐标位置 而在有自动循环指令的程序中 I K 坐标 则用来表示每次循环的进给量 5 车削固定循环功能的作用是什么 常用的有哪些 由于车削的毛胚多为棒料和铸锻件 因此车削加工多为大余量多次进给切除 所以在车床的数控装置中总是设置各种不同形式的固定循环功能 常用的循环指令 柱面循环指令 锥面循环指令 简单螺纹循环指令 复杂螺 纹循环指令 复合式粗车循环指令 6 数控铣削编程的特点是什么 1 铣削是机械加工中最常用的方法之一 它包括平面铣削和轮廓铣削 使 用数控铣床的目的在于 解决复杂的和难加工的工件的加工问题 把一些用普 通机床可以加工的工件 改用数控铣床加工 可以提高加工效率 2 数控铣床的数控装置具有多种插补方式 一般都具有直线插补和圆弧插 补 有的还具有极坐标插补 抛物线插补 螺旋线插补等多种插补方式 3 程序编制是要充分利用数控铣床齐全的功能 如刀具位置补偿 刀具长 度补偿 刀具半径补偿和固定循环 对称加工等问题 4 由直线 圆弧组成的平面轮廓铣削的数学处理比较简单 非圆曲线 空 间曲线和曲面的轮廓铣削加工 数学处理比较复杂 一般采用计算机辅助计算 和自动编程 第三章第三章 何为插补 有哪两类插补算法 插补的任务就是要按照进给速度的要求 在轮廓起点和终点之间计算出若干中 间点的坐标值 分类 脉冲增量插补和数据采样插补 试述逐点比较法的 4 个节拍 第一节拍 偏差判别 判别刀具当前位置相对于给定的轮廓的偏离位置 一次决定刀具移动方向 10 第二节拍 进给 根据偏差判别结果 控制刀具相对于工件轮廓进给一步 即向给定的轮廓靠拢 减少偏差 第三节拍 偏差计算 由于刀具进给已改变了位置 因此应计算出刀具当前 位置的新偏差 为下一次判别做准备 第四节拍 终点判别 判别刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点 到达停 止 未到继续 圆弧终点判别有哪些方法 两种方法 一是把每个程序段中的总步数求出来 每走一步 n 1 只到 n 0 为 止 二是每走一步判断 且 是否成立 如果成立 插补结束 圆弧自动过象限如何实现 圆弧自动过象限是指圆弧的起点和终点不在同一象限内 为实现一个程序段的 完整功能 需设置圆弧自动过象限功能 首先应判别何时过象限 过象限有一显著特点 就是过象限时正好是圆弧和坐 标轴相交的时刻 因此在两个坐标值中必有一个为零 判断是否过象限只要检 查是否有坐标值为零即可 简述 DDA 稳速控制的方法及其原理 方法 左移规格化 按进给速度率数 FRN 代码编程 数据采样插补是如何实现的 数据采样插补是根据程编的进给速度将轮廓曲线按时间分割为采样周期的进给 段 即进给步长 采样数据补偿一般分为粗 精补偿两步完成 第一步是粗插补 由它在给定曲 线的起 终点之间插入若干个中间点 将曲线分割成若干个细小直线段 即用 一组微小直线段来逼近曲线 这些微小直线段由精插补进一步进行数据点的密 化工作 即进行对直线的脉冲增量插补 脉冲增量插补的进给速度控制常用哪些方法 方法 软件延时法和中断控制法 软件延时法 根据程编进给速度 可以求出要求的进给脉冲频率 从而得到两 次插补运算之间的时间间隔 t 它必须大于 CPU 执行插补程序的时间 t 程 t 与 t 程之差即为应调节的时间 t 延 可以编写一个延时子程序来改变进给速度 中断控制法 根据程编进给速度计算出定时器 计数器的定时时间常数 以控 制 CPU 中断 在中断服务中进行一次插补运算并发出进给脉冲 CPU 等待下 一次中断 如此循环进行 直至插补完成 加减速控制有何作用 有哪些实现方法 为了保证加工质量 在进给速度突变时必须对送到进给电动机的脉冲频率和电 压进行加减速控制 当速度突然升高时 应保证加在伺服进给电动机上的进给 脉冲频率或电压逐渐增大 反之减小 方法 前加减速控制 后加减速控制 11 第四章第四章 CNC 系统有哪几部分组成 其核心是什么 数控程序 输入输出设备 CNC 装置 PLC 主轴驱动装置和进给驱动装置 核心 CNC 装置 CNC 装置的软件有哪几部分组成 管理软件 零件程序的输入输出程序 显示程序 CNC 装置的自诊断程序 控制软件 译码程序 刀具补偿计算程序 速度控制程序 插补运算程序和位 置控制程序 CNC 装置的主要功能是什么 每一部功能的内容是什么 控制功能 CNC 装置能够控制的并且能够同时控制联动的轴数 它是 CNC 装 置的重要性能指标 准备功能 用来指明机床的下一步如何动作 插补动能 用于对零件轮廓加工的控制 固定循环加工功能 将典型动作事先编好程序并储存在内存中 用 G 代码进 行指定 进给功能 用 F 指令给出各进给轴的进给速度 主轴功能 指令主轴转速 设置恒定线速度 主轴准停 辅助功能 指定主轴的正转 反转 停止 切削液泵的打开和关闭 换刀等动 作 刀具功能 选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的值 补偿功能 把刀具长度或半径的相应补偿量 丝杠的螺距误差和反向间隙误差 的补偿量输入到其内部储存器 在控制机床进给时按一定的计算方法将这些补 偿量补偿 显示功能 显示程序 零件图形 人机对话编程菜单 故障信息 通信功能 完成上级计算机与 CNC 装置之间的数据和命令传送 自诊断功能 装置运行过程中 运行前或故障停机后进行诊断 CNC 装置软件结构有何特点 多任务并行处理 实施中断处理 CNC 装置软件采用的并行处理方法有哪几种 这些方法是如何实现并行 处理的 资源共享 资源重复和时间重叠 资源共享 根据分时共享原则 使多个用户按时间顺序使用同一套设备 时间重叠 根据流水线处理技术 使多个处理工程在时间上互相错开 资源重叠 通过增加资源提高运算速度 CNC 装置中断结构模式有哪两种 各有何特点 中断型结构模式 除了初始化程序之外 整个系统软件的各种任务模块分别安 排在不同级别的中断服务程序中 整个软件就是一个大的中断系统 前后台型结构模式 前后程序是一个中断服务程序 完成全部实时功能 12 第五章第五章 数控机床 PLC 的有哪些控制对象 数控机床 PLC 在机床里控制 M 功能 S 功能 T 功能 和机床操作面板 急停限位等 M 功能 辅助功能 包括主轴控制 正转 反转 停止 换挡 定向 定位 等 卡盘控制 冷却控制 润滑控制 中心架控制 尾座控制 液压控制 等 S 功能 主轴速度功能 主轴转速 T 功能 刀具功能 刀库换刀 转塔转位 急停 限位 方式选择 进给倍率 快移倍率 主轴倍率 循环启动 进给保持 单段 跳步 空运行 机床锁住 选择停 程序再启动 辅助功能锁住 等 都是由 PLC 控制 与继电器线路比较 与继电器线路比较 PLC 有何优势有何优势 功能强 性能价格比高 2 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 3 可靠性高 抗干扰能力强 4 系统的设计 安装 调试工作量少 5 编程方法简单 6 维修工作量少 维修方便 7 体积小 能耗低 可编程控制器的硬件系统有哪几部分组成 各部分的作用是什 么 1 CPU 它是 PLC 的核心部分 是 PLC 的运算和控制中心 2 存储器 有随机存储器 RAM 和只读存储器 EPROM 存放用户程序和系统 程序 13 3 输入 输出 I O 模块 是 CPU 与现场输入输出设备之间的连接部件 4 电源模块 用来对 PLC 内部电路供电 某些 PLC 还为外部输入设备提供 24V 直流电源 5 编程器 用于用户程序的输入 编辑 调试和监视 还可以通过其键盘 调用和显示 PLC 的一些内部状态和系统参数 6 外设 I O 接口 外设 I O 接口的作用就是将外设与 CPU 连接 某些 PLC 还可以通过通信接口与其他 PLC 或上位计算机连接 以实现联网功能 7 I O 扩展接口 当用户所需的 I O 点数超过基本单元的 I O 点数时 可用 I O 扩展单元来扩展 I O 点数 简述 PLC 的基本工作原理 并说明 PLC 在输入和输出的处理上有什么特点 PLC 的工作原理可以简单地表述为在系统程序的管理下 通过运行应用程序 对控制要求进行处理判断 并通过执行用户程序来实现控制任务 1 输 入映像区中的数据 取决于本扫描周期输入采样阶段所处的状态 在程序执 行阶段和输出刷新阶段 输入映像区中的数据不会因为有新的输入信号而发生 改变 2 输出映像区中的数据由程序中输出指令的执行结果决定 在输 入采样阶段和输 出刷新阶段 输出映像区的数据不会发生改变 3 输 出端子直接与外部负载连接 其状态由输出状态寄存器中的数据来确定 第六章第六章 14 答 答 a