机床数控技术PPT课件

1、一、数控技术与数控机床1、数控技术： 是用数字化的信息对机械设备（如机床、绘图仪等）自动工作过程进行控制的一门技术。 NC CNC2、数控机床： 是指用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统，经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的运动，加工出所需工件的一类机床。3、现代数控机床综合应用了电子技术、计算机技术、自动控制技术、精密检测技术、伺服驱动技术、机械设计与制造技术等多方面的最新成果，是一种典型的机电一体化的产品。第1页/共117页二、数控机床的组成和工作原理1、数控机床的组成数控机床组成简图 输入输出设备、

2、数控装置、伺服系统和机床本体四个基本部分。第2页/共117页数控机床组成详图第3页/共117页1、数控机床的加工过程第4页/共117页三、数控机床的分类1、按工艺用途分类第5页/共117页第6页/共117页第7页/共117页第8页/共117页第9页/共117页2、按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床 （2）直线控制数控机床 （3）轮廓控制数控机床第10页/共117页3、按伺服系统分类电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大第11页/共117页（2） 半闭环数控系统 是一种带有测量反馈装置的数控系统，半闭环数控系统的位置采样点如图

3、所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，对旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第12页/共117页（3） 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第13页/共117页4、按数控装置的功能水平分类第14页/共117页四、数控机床的有关功能规定1、数控加工程序的编制有关规定1

4、）程序结构一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。例如：O0001 程序号N10 G92 X40 Y30； N20 G90 G00 X28 T01 S800 M03； 程序内容N30 G01 X-8 Y8 F200；N40 X0 Y0； N50 X28 Y30； N60 G00 X40；N70 M02； 程序结束2）程序段格式 所谓字-地址可变程序段格式，就是在一个程序段内数据字的数目以及字的长度（位数）都是可以变化的格式。第15页/共117页 程序段书写顺序格式3）G代码与M代码 参见JB3208-1999第16页/共117页2、数控机床的坐标系和运动方向的规定 JB3051

5、1999数字控制机床坐标和运动方向的命名的标准，对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。 1）坐标和运动方向命名的原则永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。 2）标准坐标系的规定第17页/共117页3）运动方向的确定JB305182中规定：机床某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具之间的距离的方向。（1）Z坐标的运动 Z坐标的运动，是由传递切削力的主轴所决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。 对于工件旋转的机床，如车床、外圆磨床等，平行于工件轴线的坐标为坐标。 对于刀具旋转的机床，如铣床、钻床、镗床等，则平行于旋转刀具轴线的坐标为Z坐标。 如果机床没有主轴（如牛头刨床），Z轴垂直于工件装

6、卡面。 Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。如在钻镗加工中，钻入和镗入工件的方向为Z坐标的负方向，而退出为正方向。第18页/共117页（2）X坐标的运动 规定X坐标为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。X坐标是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。 对于工件旋转的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向，如图2-4所示。 对于刀具旋转的机床（如铣床、镗床、钻床等），如Z轴是垂直的，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。如Z轴（主轴）是水平的，当从主轴向工件方向看时，X运动的正方向指向右方。（3）Y坐标

7、的运动 Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，其运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角迪卡儿坐标系来判断。 第19页/共117页（4）旋转运动A、B、C 如图2-3所示，A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动。A、B、C正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上，右旋螺纹前进的方向。（5）附加坐标 如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。如还有第三组运动，则分别指定为P、Q、R。（6）对于工件运动的相反方向 对于工件运动而不是刀具运动的机床，必须将前述为刀具运动所作的规定，作相反的安排。用带“”的字母，如X，表示工件相对于刀具正向运动指令。而不

8、带“”的字母，如X，则表示刀具相对于工件的正向运动指令。二者表示的运动方向正好相反。如图2-42-7所示。对于编程人员、工艺人员只考虑不带“”的运动方向。（7）主轴旋转运动方向 主轴的顺时针旋转运动方向（正转），是按照右旋螺纹旋入工件的方向。第20页/共117页数控车床坐标系立式数控铣床坐标系第21页/共117页第二节 插补原理 插补是指数据密化的过程，在数控系统输入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的中间坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，使机床加工出所要求的轮廓曲

9、线。q脉冲增量插补q数据采样插补第22页/共117页 脉冲增量插补又称基准脉冲插补。该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其特点是每次插补的结束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。脉冲增量插补在插补计算过程中不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲，驱动各坐标轴的电动机运动。脉冲当量：数控系统在控制过程中，每发出一个脉冲坐标轴所产生的位移量叫做脉冲当量，通常用 表示脉冲当量 是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定。普通精度的机床取 ， 较精密的机床取 或 。 mm01. 0mm001. 0mm005. 0第23页/共117页 数据采样插补又称时间标量插补或数字增量插

10、补。该插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是数字量。 适用场合：数据采样插补适用于交、直流伺服电动机为驱动元件的闭环和半闭环数控系统。 常用的脉冲增量插补方法：逐点比较法、数字积分法、比较积分法、矢量判断法、最小偏差法、数字脉冲乘法器法 适用场合：脉冲增量插补适用于以步进电动机为驱动元件的开环数控系统。第24页/共117页5 5、逐点比较法直线插补1 1）逐点比较法的直线插补原理在图3-13-1所示平面 第一象限内有直线段 ，以原点为起点，以为 终点，直线方程为：改写为：xyOE),(eeyxEeexyxy0eexyyx图3-1 第一象限直线插第25页/共117页 如果加工轨迹脱离直

11、线，则轨迹点的 、 坐标不满足上述直线方程。对位于直线上方的点 ，则有： 对位于直线下方的点B B，则有：因此可以取判别函数 来判断点与直线的相对位置， 为当加工点落在直线上时， ；当加工点落在直线上方时， ； 当加工点落在直线下方时， 。xyA0eaeayxxy0ebebyxxyFeexyyxF0F0FF0F第26页/共117页 称为“直线插补偏差判别式”或“偏差判别函数”， 的数值称为“偏差”。eexyyxFF 递推法：每走一步到新加工点，加工偏差用前一点的加工偏差递推出来, 这种方法称“递推法”。 第27页/共117页加工偏差计算公式：若 0时，则向 轴发出一进给脉冲，刀具从这点向 方向

12、迈进一步，新加工点 的偏差值为 jiF,xx),(1jiyxPeijejiyxyxF) 1(, 1 eeijeyyxyxejiyF,即： ejijiyFF, 1第28页/共117页如果某一时刻加工点 的 0F0，e = F-e = F-P Pf f00，则调速系统驱动工作台正向进给。只有当F F和P Pf f的脉冲个数相等时，偏差e = F-Pe = F-Pf f = 0= 0，工作台才重新稳定在指令所规定的平衡位置上。 （3 3）当指令脉冲F F为负向脉冲指令时，F0F0F0指令脉冲的控制过程相似，此时e0e0，工作台向反方向进给。最后，工作台准确地停在指令所规定的反向的某个稳定位置上。 （

13、4 4）比较环节输出的位置偏差信号e e为一个数字量，经D/AD/A转换后才能变为模拟给定电压，使模拟调速系统工作。闭环数字比较伺服系统工作原理： 第100页/共117页 常用的位置检测元件是旋转变压器和感应同步器，并工作于相位工作状态。 结构：相位比较伺服系统 基准信号发生器 滤 波放大器工作台感应同步器伺 服电 机伺 服放大器鉴相器脉 冲调相器脉冲指令F励磁信号PP位置检测信号BA滤 波 放 大第101页/共117页 也称为数字相位变换器，其作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。 该相位变化信号可用正弦信号或方波信号表示。若没有进给脉冲输出，则脉冲调相器的输出与基准信号发生

14、器发出的基准信号同相位，无相位差。 若输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角。 脉冲调相器第102页/共117页 鉴相器有两个输入信号，这两个输入信号同频，其相位均以与基准信号的相位差表示。 鉴相器的作用是鉴别这两个输入信号的相位差，其输出为正比于这个相位差的电压信号。 鉴 相 器第103页/共117页 相位比较伺服系统中，检测元件工作于相位工作状态。检测信号经整形放大后的P PB B作为位置反馈信号。进给脉冲（指令脉冲）F F经脉冲调相后，变成频率为F F0 0的脉冲信号P PA A。 P PA A、P PB B为鉴相器的输入，鉴相器的输出信号= P

15、= PA A- P- PB B 就反映了指令位置与实际位置的偏差。经伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，驱动工作台，实现位置跟踪。 2 2）工作原理第104页/共117页 以检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并依此作为反馈信号。 检测元件工作于幅值状态，常用的检测元件有旋转变压器和感应同步器。 幅值比较伺服系统 第105页/共117页第五节 经济型数控系统简介 一、经济型数控系统概述1、经济型数控系统的基本功能4）进给功能 用F指令代码直接指定加工的进给速度 （1）切削进给速度 （2）同步进给速度 （3）进给倍率 5）主轴功能 指定主轴转速的S功能 （1）转速表示S r/min mm/m

16、in （2）指定恒定线速度 （3）主轴定向准停第106页/共117页6 6） 辅助功能 7 7） 刀具功能 8 8） 补偿功能 （1 1）刀具的尺寸补偿 (2(2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿 9 9）字符、图形显示功能 1010） 自诊断功能 1111） 通信功能 1212） 人机交互图形编程功能 第107页/共117页2、经济型数控系统的特点1）价格便宜，性价比适中。2）适用于多品种、中小批量产品的自动化生产，对品种的适应性强。3）提高产品的质量、降低废品损失。4）能加工复杂零件，提高功效。5）节约大量工装费用，降低生产成本。6）减轻工人的劳动强度。7）增强企业的应变能力

17、，提高企业的竞争能力。8）结构简单、造价低、维修调试简单、运行维护费用低。第108页/共117页二、经济型数控系统的硬件结构CPU总 线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接 口EPROM纸带阅读机 接 口I/O接口纸带阅读机 机床操作主轴控制单 元CRTPLC接口M速度控制单 元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机第109页/共117页基于单片机的数控系统结构第110页/共117页二、经济型数控系统的软件结构CNC系统的任务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管理控制第111页/共117页第112页/共117页第一步：选择运动控制器第一步：选择运动控制器 1

18、.根据要开发设备的工作特点，确定伺服电机的类型。 2.确定要控制的电机轴数和电机工作模式。 3.确定位置检测、反馈模式，选择是否采用光电编码器或光栅尺。 4.确定输入输出开关量的数量。 5.根据以上内容，选择合适的运动控制器 第113页/共117页第二步：选择伺服电机及驱动器第二步：选择伺服电机及驱动器 1.根据设备工作过程的静、动载荷情况，分别计算满足各轴运动所需的最大扭矩和驱动功率。而后，在考虑一定的安全系数和安装空间的条件下，分别选定各轴电机、驱动器和相应的减速器。 2.对所选定的电机、驱动器和减速器，一般会有多个公司提供相关的标准化产品。用户可据自己的情况进行选购。 第114页/共117页第三步：连接运动控制器、驱动器、电机与设备第三步：连接运动控制器、驱动器、电机与设备 1.按照运动控制器接线端子排列说明和电机驱动器控制信号接线说明，首先将控制器与驱动器间的模拟或脉冲控制信号线、编码器反馈信号线妥善连接，然后将设备各轴的正负向行程开关与控制器接线板相连。必要时时还需连接零位开关。 2.将操作面板的开关、指示灯与运动控制器接线端子排上的通用数字I/O端子相连。 3.启动运动控制器调