工学数控技术3PPT学习教案

1、会计学1 工学数控技术工学数控技术3 3.1 3.1 概概 述述 计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC） 计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。 可编程控 制器PLC CNC控制器 计 算 机 硬 件 与 数 控 系 统 软 件 输出设备 打 印 机 穿 孔 机 电 传 机 显示设备 输入设备 编程计算机 操作面板 电子手轮 纸带阅读机 程序 电气控制 单 元 机床电器 速度控制 单 元 位置检测 进给电机 主轴控制 单 元 主轴电机 图3-1 CNC系统的组成 装 置 核心 第1页/共77页 从外部特征来看，CNC系统是由硬

2、件（通用硬 件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的， 共同实现各种数控功能. 3.2 3.2 计算机数字控制装置的硬件结构计算机数字控制装置的硬件结构 一、CNC装置的组成 硬件是基础，软件是灵魂 CNC系统本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控 制对象并使其协调运动的自动控制系统。 第2页/共77页 CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。 计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统 设设备备层层设设备备支支持持层层 接 口 人机控制 运动控制 PMC 其他I/O 其他设备 计算机系统 显示设备 输入/出设备 机 床 机器人 测量机

3、. PL C 第3页/共77页 操作系统 管理软件控制软件 零 件 程 序 管 理 显 示 处 理 人 机 交 互 位 置 控 制 输 入 输 出 管 理 插 补 运 算 故 障 诊 断 处 理 速 度 处 理 机 床 输 入 输 出 编 译 处 理 主 轴 控 制 刀 具 半 径 补 偿 . 图 3-2 CNC 软件系统功能框图 2 2、CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构 第4页/共77页 输 入 预处理 位置检测 插补运算 位置控制 速度控制 伺服电机 程序 硬件 硬件 硬件 硬件 硬件 软件 软件 软件 软件 软件和硬件的功能界面 软硬件功能界面划分的准则：系统的性能价格比 硬件处

4、理速度快；软件设计灵活 第5页/共77页 1.1.具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性 2.数控功能丰富 3.可靠性高、使用维护方便 4.易于实现机电一体化 二二. CNCCNC装置的特点装置的特点 第6页/共77页 指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段 n基本功能基本功能数控系统基本配置的必备功能。 n选择功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能。 三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能 第7页/共77页 1.1.控制功能控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 2 2、准备功能（、准备功能（G G功能）功能） 指令机床动作方式的功能。 3 3、插补功能、插补功能 数控系统实现零

5、件轮廓加工轨迹运算的功能。 4 4、进给功能、进给功能 进给速度的控制功能。 5、 主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。 辅助功能（辅助功能（M M功能）功能） 用于指令机床辅助操作的功能。 基本功能基本功能 第8页/共77页 刀具管理功能刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命 的管理功能。 8. 8. 字符图形显示功能字符图形显示功能 9. 9. 自诊断功能自诊断功能 基本功能基本功能 第9页/共77页 1.固定循环功能固定循环功能 是数控系统实现典型加工 循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、 深孔钻削和切螺纹等）的功能 选择功能选择功能 2.补偿功能 3.人机对话功能 4.通讯功能 第10页/共7

6、7页 四、四、CNCCNC系统的工作过程系统的工作过程 信息输入译码刀具补偿加工速度处理插补 位置控制I/O处理显示 诊断 第11页/共77页 q单机系统单机系统 整个CNC装置只 有一个CPU，它 集中控制和管理 整个系统资源， 通过分时处理的 方式来实现各种 NC功能。 五、CNC装置的单机系统和多机系统 按硬件含有CPU的多少来分 微 处 理 器 CP U 总 线 EPROM RAM存储 器 输入/输出 I/O接口 位置控制器 MDI/CRT 可编程控制 通信接口 第12页/共77页 n主从结构主从结构：系统中只有一个主CPU对系统 的资源有控制和使用权.其它带CPU的功能 部件，只能接

7、受主CPU的控制命令或数据， 或向主CPU发出请求信息以获得所需的数 据。 n多主结构多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统 资源有控制或使用权。有集中的操作系统，通过仲裁器来解 决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。 n分布式结构分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模 块有自己独立的运行环境。采用通讯方式交换信息。 如FANUC SIEMENS 等多机系统。 特点：“四高” 高速、高精、高效、高可靠性 q多机系统: 整个CNC装置中有两个或两个以上CPU 第13页/共77页 CNC管理模块 （CPU） 主存储器模块 对话式自动编程 模块（CPU） 操

8、作面板显示 总 线 CNC插补模块 （CPU） 位置控制模块 （CPU） PLC功能模块 主轴控制模块 （CPU） 图3-7 多微处理器共享总线结构 第14页/共77页 六、开放式数控系统六、开放式数控系统 IEEE(国际电气电子工程师协会) 的定义: “符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不 同平台上,可以与其它的系统应用互操作,并且具有一致 风格的用户交互界面”。 三种层次的开放： CNC系统的开放、用户操作界面的开放、CNC内核开放 第15页/共77页 将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进 给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控 制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符

9、合要求 的零件。 一、CNC装置软件的主要任务 3.3 计算机数字控制装计算机数字控制装 置的软件结构置的软件结构 第16页/共77页 程序输入 译 码 译码缓冲区 刀补处理 刀补缓冲区 速度预处理 插补缓冲区 插补处理 运行缓冲区 伺服驱动 位控处理 位置反馈 PLC控制 CNCCNC装置装置数据转换流程数据转换流程示意图示意图 CNC装置的数据转换流程 第17页/共77页 n根据G90/G91计算零件轮廓的终 点坐标值。 n根据R和G41/42，计算本段刀具 中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐 标值。 n根据本段与前段连接关系，进 行段间连接处理。 刀补处理刀补处理( (计算刀具中心轨迹计算刀

10、具中心轨迹) ) Pe（200，300） X R P0（72，48） Pe” Pe G41 G42 Y 第18页/共77页 位置控制处理位置控制处理 f（） + + + - + + 插补输出 X1Y1 指令位置 X1新Y1新 跟随误差 X3Y3 实际位置 X2新Y2新 反馈位置增量 X2、Y2 X1旧Y1旧 X2旧Y2旧 速度指令 VX、VY 位置控制转换流程 第19页/共77页 位置控制完成以下几步计算： q计算新的位置指令坐标值： X1新= X1旧+X1；Y1新= Y1旧 +Y1； q计算新的位置实际坐标值： X2新= X2旧+X2；Y2新= Y2旧 +Y2 q计算跟随误差(指令位置值 实

11、际位置值)： X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； q计算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3） 第20页/共77页 二、CNC装置的软件结构 1.前后台型结构 后台程序 PLC控制 监控和急停 前台程序 第21页/共77页 硬件实时中断服程序 背景程序 输出决策输入 机床接口 驱 动 系 统 伺 服 接 口 位 置 控 制 插补 程序 产生 轨迹 信息 PLC程序产生 辅助信息 插 补 准 备 存储器 MDI 键盘 阅读机 图3-16 前后台型软件结构中的信息流 第22页/共77页 入口 系统初始化 工作 方式选择 键盘服务程序加工服务程序手动操作服务程序 键盘

12、手动 自动单段 背景程序结构 工作方式功 能 说 明 键盘主要完成数据输入和零件加工程序的编辑。 手动用来处理坐标轴的点动和机床回原点的操作。 单段单段工作方式是加工工作方式，在加工完成一个程序段 后停顿,等待执行下一步。 自动自动工作方式也是加工工作方式，在加工一个程序段后 不停顿，直到整个零件程序执行完毕为止。 第23页/共77页 中断型软件系统结构中断型软件系统结构 图图 0级初始化程序 中断管理系统（硬件 + 软件） 1级中断服务程序 2 级中断服务程序 3 级中断服务程序 7级中断服务程序 2.中断型结构 第24页/共77页 优先级主要功能中断源 0初始化开机后进入 1CRT显示，R

13、OM奇偶校验由初始化程序进入 2工作方式选择及预处理16ms软件定时 3PLC控制，M、S、T处理16ms软件定时 4参数、变量、数据存储器控制硬件DMA 5插补运算，位置控制，补偿8ms软件定时 6监控和急停信号，定时2、3、52ms硬件时钟 7ARS键盘输入及RS232C输入硬件随机 8纸带阅读机硬件随机 9报警串行传送报警 10RAM校验，电源断开硬件，非屏幕中断 中断程序的优先级及其功能 第25页/共77页 3.4 CNC3.4 CNC装置的插补原理装置的插补原理 一、一、 插补的概念插补的概念 q插补插补( (Interpolation)Interpolation)原理原理：根据 给

14、定进给速度和给定轮廓线形的要 求，在轮廓的已知点之间，确定一 些中间点的方法 q插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种算法。 q插补功能是轮廓控制系统的本质特征。 第26页/共77页 插补方法的分类及各自特点：插补方法的分类及各自特点： 脉冲增量插补特点：脉冲增量插补特点： 每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当 量） 脉冲增量插补的实现方法较简单脉冲增量插补的实现方法较简单 插补速度较低、精度较低，适合开环系统插补速度较低、精度较低，适合开环系统 脉冲增量插补常用的算法： 逐点比较法；数字积分法（DDA） 分类： 脉冲增量插补(行程标量插

15、补) + 数字增量插补(时间标量插补) 第27页/共77页 数字增量插补特点及方法数字增量插补特点及方法 特点：特点： 插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运 行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标 轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。 数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂。 主要应用于闭环和半闭环的控制系统。 插补方法： 数字积分法(DDA)、二阶近似DDA插补法、双DDA插补法等。 第28页/共77页 二、二、逐点比较法逐点比较法 CNC系统在控制过程中，能逐点地计算和判 别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控 制进给轴向给定轮廓靠扰，缩小偏差，使加工 轮廓逼近给定轮廓。

16、第29页/共77页 1.1.逐点比较法加工直线的原理逐点比较法加工直线的原理（象限过原点直线为例）象限过原点直线为例） (Xe，Ye) (Xi，Yi) Y 直线 X Fi0 在直线上方，+X向输出一步; Fi0 在直线上， +X向输出一步; Fi0 在直线下方，+Y向输出一步 偏差函数: Fi = Xe Yi - Ye Xi e e i i X Y X Y 实际轨迹 理想轨迹 第30页/共77页 逐点比较法直线插补的计算步骤：逐点比较法直线插补的计算步骤： n偏差判别 n坐标进给 n偏差计算 n终点判别 Fi0， +X向输出一步; Fi0， +Y向输出一步 判断xixe?且yiye? 判断n=

17、xe+ye? 第31页/共77页 开始 初始化(xe,ye,Fo=0,=|xe|+|ye|) 结束 F0? 进给一步+X进给一步+y F-yeFF+xeF =0? Y N NY -1 图 3-22 第一象限逐点比较法 直线插补的运算流程 第32页/共77页 例例1 设设象限直线段象限直线段OAOA，A A（5 5，3 3），），写出插补计算步骤写出插补计算步骤 ； 并绘出插补轨迹。并绘出插补轨迹。 第33页/共77页 解：总步数=xe+ye=8 第34页/共77页 A（5，3） O Y X 3 5 第35页/共77页 推广：推广： 对不同象限的直线插补，由于其终点坐标和加工 坐标均取绝对值，偏

18、差函数F计算与第一象限相同。只 是坐标进给方向视具体象限而定。 Fm0,+y Fm0,-x Fm0,+x Fm0,+y Fm0,-yFmxe?且yiye? 判断n=xe-xA+ye-yA? 第38页/共77页 E(0,6) A(6,0) 开始 结束 F0? 进给-X进给+y F-2X+1F X-1X J=0? Y N NY J-1J 初始化：XAJX，YAJY，0JF =|XA-Xe|+|YA-Ye|J) F+2Y+1F Y+1Y 图3-26 逐点比较法圆弧插补流程 F 第39页/共77页 例例2 设象限逆时针圆弧AB，A（5，1），B（1，5），圆心为 （0，0）。写出插补计算的步骤；并绘出

19、插补轨迹。 第40页/共77页 解：总步数解：总步数=5-1+1-5=8=5-1+1-5=8 序号 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判别 0 X0=5,Y0=1 =8 1F0=0 -X F1=F0-2X0+1=-9 X1=4,Y1=1 =8-1=7 2F10 +Y F2=F1+2Y1+1=-6 X2=4,Y2=2 =6 3F20 +Y F3=F2+2Y2+1=-1 X3=4,Y3=3 =5 4F30 -X F5=F4-2X4+1=-1 X5=3,Y5=4 =3 6F50 -X F7=F6-2X6+1=3 X7=2,Y7=5 =1 8F70 -X F8=F7-2X7+1=0 X8=1

20、,Y8=5 =0 第41页/共77页 A（5，1） O Y X 5 5 B（1，5） 第42页/共77页 思考：思考：象限顺时针圆弧插补象限顺时针圆弧插补, ,推导偏差函数计算式。推导偏差函数计算式。 推广：对不同象限的圆弧插补，遵循： 圆外圆内圆外 插补第一步要向圆心靠拢！ 第43页/共77页 设象限顺时针圆弧AB，A（-7，1），B（-5，5） ，圆心为（0，0） 。采用逐点比较法进行插补。要求： （1）给出偏差函数计算式； （2）写出插补计算步骤； （3）绘出插补轨迹。 第44页/共77页 三、三、数字积分法数字积分法（DDA DDA ，Digital Differential Anal

21、yzer ） tVdtVY tVdtVX m i YY m i XX 1 1 t) t (fdt) t (fS m 1i 第45页/共77页 三、三、数字积分法数字积分法（DDA DDA ，Digital Differential Analyzer ） N为累加器位数k k tVdtVY tVdtVX m 1i YY m 1i XX 第46页/共77页 N位累加器的最大存数为2N1，当累加数等于或 大于2N时，便发生溢出、而余数仍存放在累加器中: 积分值溢出脉冲数+余数 终点判别的两种方法： X Y N 第47页/共77页 程序框图 第48页/共77页 DDA直线插补举例直线插补举例 设第一象

22、限直线设第一象限直线OA，A(10，6)，写出插补计算过写出插补计算过 程，并绘出插补轨迹程，并绘出插补轨迹.n=4 第49页/共77页 第50页/共77页 第51页/共77页 (2)DDA圆弧插补 随时在变的数值 (Xi，Yi) 动点坐标 第52页/共77页 终点判别终点判别 X Y J J J Y J X 第53页/共77页 程序框图 第54页/共77页 对于第一象限逆时针圆弧，两端点为A(5，0)和B(0，5)，采 用逆圆插补(n=3)。要求有计算过程，并绘出插补轨迹。 DDA圆弧插补举例 第55页/共77页 t JY(xi) J Y y Jx(yi) J x x 10 停止 计算过程

23、第56页/共77页 插补轨迹 第57页/共77页 其它象限的顺圆、逆圆的DDA插补计算过程与第一象限 逆圆插补基本一致，不同点在于控制各坐标轴的x 、y进 给脉冲走向不同，据此重新修正累加器中的数值。 推广: 第58页/共77页 练习：练习： 设象限顺时针圆弧AB，A（0，7），B（7，0）。采 用数字积分法（积分累加器位数n=3）进行插补。要求 写出计算步骤并绘出插补轨迹。 第59页/共77页 3.5 3.5 刀具半径补偿原理刀具半径补偿原理 1、 什么是刀具半径补偿( (Tool Tool Radius Compensation Offset)Radius Compensation Off

24、set)功功 能？能？ A B C” C B A G41 刀具 G42 刀具 编程轨迹 刀具中心轨迹 C 根据按零件轮廓 编制的程序和预先设 定的偏置参数，数控 装置能实时自动生成 刀具中心轨迹的功能. 第60页/共77页 2. . 刀具半径补偿功能的主要用途刀具半径补偿功能的主要用途 q实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。 可避免在加工中由于刀具的磨损或因换刀 引起刀具半径的变化而重新编程的麻烦。 q减少粗、精加工程序编制的工作量。 由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的， 在粗加工时，均要为精加工工序预留加工 余量。加工余量的预留可通过修改偏置参 数实现，而不必为粗、精加工各编制一个 程序

25、。 第61页/共77页 5-9 第62页/共77页 5-10 第63页/共77页 3.3.刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 q 刀补建立 q 刀补进行 q 刀补撤销。 起刀点 刀补建立 刀补进行 刀补撤销 编程轨迹 刀具中心轨迹 第64页/共77页 4. 4. 刀具半径补偿的常用方法：刀具半径补偿的常用方法： B刀补： 确定刀具中心轨迹时，读一段、算一段、再走一段； 只能计算出直线或圆弧的终点坐标值。 A B C” C B A G41 刀具 G42 刀具 编程轨迹 刀具中心轨迹 C 图3-37 B刀补 对轮廓的连接以圆弧进行的。 其缺点： 在内轮廓尖角加工时，由于C”点不易求得，编

26、程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于或等于刀具半径的圆弧，这样才能避免产生过切。 第65页/共77页 C刀补：第一段程序读入计算后暂存；第二段程序读入计算同时修正 第一段；送出第一段以进行插补、执行，执行同时读入第三 段 即CNC系统内总是同时存有三个程序段的信息。 特点：采用直线作为轮廓之间的过渡；程序段间过渡时，直接求出 刀具中心交点；可自动预报过切。 4. 4. 刀具半径补偿的常用方法：刀具半径补偿的常用方法： C刀补中，所有的编程输入轨迹（直线、圆弧、刀具半径）都视为矢量。 圆弧：起点、终点的半径及起点到终点的弦长 刀具半径：加工中始终垂直于编程轨迹并指向刀具中心。 第66页/共77

27、页 5. 5. C C刀补的转接形式和过渡方式刀补的转接形式和过渡方式 q 转接形式 在一般的CNC装置中，均有圆弧和直线插补两种功能。而 C刀补的主要特点就是采用直线过渡。 转接情况： 直线与直线 圆弧与直线 直线与圆 弧 圆弧与圆 弧 第67页/共77页 刀具中心轨迹 编程轨迹 非加工侧 加工侧 非加工侧 编程轨迹 刀具中心轨迹 加工侧 q过渡方式过渡方式 轨迹过渡时矢量夹角的定义： 指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角 第68页/共77页 根据两段程序轨迹的矢量夹角 和刀补方向的不同，又 有以下几种转接过渡方式： 缩短型：矢量夹角180 刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。 伸长型：矢量夹角90180 刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。 插入型：矢量夹角90 在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。 q过渡方式过渡方式 第69页/共77页 刀具半径补偿的进行过程刀具半径补偿的进行过程 刀 补 进 行（G42） 直线 - 直线直线 - 圆弧圆弧 - 直线圆弧 - 圆弧 过渡 方式 180o 缩 短 型 90o180o 伸 长 型 90o 插 入 型 r r r r r r r r 第70页/共77页 刀具半径补偿的建立和撤消