第3章数字程序控制技术-数控技术

1、3.1 3.1 数控加工的概念数控加工的概念3.2 3.2 数字程序控制基础数字程序控制基础3.2.1 3.2.1 数字程序控制方式数字程序控制方式 3.2.2 3.2.2 开环数字程序控制开环数字程序控制 3.3 3.3 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 3.3.1 3.3.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补 3.3.2 3.3.2 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补3.4 3.4 步进电机控制技术步进电机控制技术 3.4.1 3.4.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 3.4.2 3.4.2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 3.4.3 3.4.3 步进电机控制接口及

2、输出字表步进电机控制接口及输出字表 3.4.4 3.4.4 步进电机控制程序步进电机控制程序第三章第三章 数字程序控制技术数字程序控制技术13.1 3.1 数控数控加工的概念加工的概念( (了解了解) ) 计算机数控计算机数控CNC CNC (Computer Numerical Control)(Computer Numerical Control) 数控加工数控加工根据零件图样及工艺要求等原始条根据零件图样及工艺要求等原始条件件, ,编制零件数控加工程序编制零件数控加工程序, ,并输入到并输入到数控机床的数控数控机床的数控系统系统, ,以控制数控机床中刀具与工件的相对运动以控制数控机床中刀

3、具与工件的相对运动, ,从而从而完成完成零件的加工零件的加工. .2数控加工的过程数控加工的过程 制制定定工工艺艺阅阅读读零零件件工工艺艺分分析析数数控控编编程程程程序序传传输输 虽然数控加工与传统的机械加工虽然数控加工与传统的机械加工相比相比, ,在加工的方法和内容上有许多在加工的方法和内容上有许多相似之处相似之处, ,但由于采用了但由于采用了数字化的控数字化的控制形式和数控机床制形式和数控机床, ,许多传统加工过许多传统加工过程中的人工操作被计算机和数控系统程中的人工操作被计算机和数控系统的自动控制所取代的自动控制所取代. . 3 通过把数字化了的刀具通过把数字化了的刀具移动轨迹信息移动轨

4、迹信息( (通常指通常指CNCCNC加工程序加工程序),),传入数控机床的数控装置传入数控机床的数控装置, ,经过译码、经过译码、运算运算, ,指挥执行机构指挥执行机构( (伺服电机伺服电机带动的主轴和工作台带动的主轴和工作台) )控制刀具与工件做相对运动控制刀具与工件做相对运动, ,从而加工出符合编程设从而加工出符合编程设计要求的零件计要求的零件. .数控加工的数控加工的原理原理 4伺伺服服驱驱动动机床零点机床零点5可装可装2020把刀把刀的无臂的无臂式式ATCATC刀具库刀具库可装可装2424把刀把刀的有臂的有臂式式ATCATC刀具库刀具库常见的常见的刀具库刀具库6可装可装3232把刀的有

5、把刀的有臂式刀具库臂式刀具库可装可装6060把刀的把刀的刀具库刀具库7五轴高速铣削头五轴高速铣削头8数控车床与普通车床结构差别数控车床与普通车床结构差别 右图是同一品右图是同一品牌的数控车床与普通牌的数控车床与普通车床车床. .结构上具有明显结构上具有明显差异差异R数控系统数控系统；R床身稳固床身稳固 装有防护装有防护门；门；R保留主轴箱、尾座；保留主轴箱、尾座；Q取消挂轮箱、进给箱、取消挂轮箱、进给箱、溜板箱、光杆、丝杆等；溜板箱、光杆、丝杆等；R配备配备自动刀架自动刀架 对刀仪对刀仪 自动排屑等辅助设备自动排屑等辅助设备. .R伺服系统伺服系统；数控车床结构及分类数控车床结构及分类9卧式卧

6、式数控车床数控车床10立式立式电脑车床电脑车床1112华中华中XKA71402XKA71402数控立式铣床数控立式铣床数控铣床的结构及类型数控铣床的结构及类型华中华中XKA714XKA714数控立式铣床数控立式铣床13华中华中ZJK7532-AZJK7532-A铣钻床铣钻床龙门铣龙门铣14TOSHIBATOSHIBA四轴高速加工四轴高速加工镗铣床镗铣床FIDIAFIDIA五轴高速铣床五轴高速铣床15 加工中心与数控铣床的异同加工中心与数控铣床的异同: :加工中心是在数加工中心是在数控机床的基础上发展起来的控机床的基础上发展起来的, ,都是通过程序控制多都是通过程序控制多轴联动走刀进行加工的数控

7、机床轴联动走刀进行加工的数控机床. .不同的是不同的是加工中心加工中心具有具有刀库和自动换刀功能刀库和自动换刀功能. . 加工中心的主要加工中心的主要加工对象加工对象1617典型零件的数控加工工艺典型零件的数控加工工艺N0010 G92 X5 Y5 Z5 N0020 G91 N0030 G17 G00 X40 Y30 N0040 G98 G81 X40 Y30 Z-5 R15 F150 N0050 G00 X5 Y5 Z50N0060 M05N0070 M02 1 1、加工、加工2020孔程序孔程序( (手工安装好手工安装好2020钻头钻头) )设置对刀点设置对刀点相对坐标编程相对坐标编程在在

8、XOYXOY平面内加工平面内加工钻孔循环钻孔循环抬刀抬刀主轴停转主轴停转程序结束程序结束18N0010 G92 X5 Y5 Z50N0020 G90 G41 G00 X-20 Y-10 Z-5 D01N0030 G01 X5 Y-10 F150N0040 G01 Y35 F150N0050 G91N0060 G01 X10 Y10 F150 N0070 G01 X11.8 Y0N0080 G02 X30.5 Y-5 R20N0090 G03 X17.3 Y-10 R20N0100 G01 X10.4 Y0N0110 G03 X0 Y-25N0120 G01 X-90 Y0N0130 G90 G

9、00 X5 Y5 Z10N0140 G40N0150 M05N0160 M30 2 2、铣轮廓程序铣轮廓程序( (手工安装好手工安装好55立铣刀立铣刀, ,不考虑刀具长度补偿不考虑刀具长度补偿) ) 19 数控机床生产厂家必须向用户提供安装、数控机床生产厂家必须向用户提供安装、使用与维修有关的技术资料使用与维修有关的技术资料, ,主要有主要有: : 数控机床数控机床电气使用说明书电气使用说明书 数控机床数控机床电气原理图电气原理图 数控机床电气数控机床电气连接图连接图 数控机床结构简图数控机床结构简图 数控机床参数表数控机床参数表 数控机床数控机床PLCPLC控制程序控制程序20 数控系统数控

10、系统操作手册操作手册 数控系统数控系统编程手册编程手册 数控系统安装与维修手册数控系统安装与维修手册 伺服驱动系统伺服驱动系统使用说明书使用说明书 数控机车的技术资料对故障分析与诊断非常数控机车的技术资料对故障分析与诊断非常重要重要, ,必须认真仔细地阅读必须认真仔细地阅读, ,并对照机床实物并对照机床实物, ,做做到心中有数到心中有数. .一旦机床发生故障一旦机床发生故障, ,再进行分析的同再进行分析的同时查阅资料时查阅资料. .主要品牌主要品牌: :日本日本FANUC,FANUC,德国德国SIEMENSSIEMENS.21 所谓所谓数字程序控制数字程序控制, ,就是计算机根据输入的指令就是

11、计算机根据输入的指令和数据和数据, ,控制生产机械控制生产机械( (如各种加工机床如各种加工机床) )按规定的按规定的工工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动等规律自动地完成工作的自动控制地完成工作的自动控制. . 数控系统数控系统: :输入装置、输出装置、控制器和插补输入装置、输出装置、控制器和插补器器. . 3.2 3.2 数字程序控制基础数字程序控制基础22步骤步骤: : 1. 1.曲线分段曲线分段: : 图中曲线分为三段图中曲线分为三段, ,分别为分别为ABAB、BCBC、CD,CD,四点坐标四点坐标A A、B B、C C、D D送计算机送

12、计算机. . 分割原则分割原则: :应保证线段所连的曲线与原图形的应保证线段所连的曲线与原图形的误差误差在允在允许范围之内许范围之内. .23 2. 2. 插补计算插补计算: : 插补插补计算计算: :给定曲线基点坐标给定曲线基点坐标, ,求得曲线中间值的数值计求得曲线中间值的数值计算方法算方法. . 插补计算原则插补计算原则: :通过给定的基点坐标通过给定的基点坐标, ,以一定的速度连续以一定的速度连续定出一系列定出一系列中间点中间点, ,这些这些中间点的坐标值以一定的精度逼近给定中间点的坐标值以一定的精度逼近给定的线段的线段. . 插补插补: : (1)(1)直线插补直线插补-在给定的两个

13、基点之间用一条在给定的两个基点之间用一条近似直线近似直线来逼近来逼近(2)(2)二次曲线插补二次曲线插补( (圆弧、抛物线、双曲线圆弧、抛物线、双曲线)-)-在给定的两个基在给定的两个基点之间用一条点之间用一条近似曲线近似曲线来逼近来逼近3. 3. 折线逼近折线逼近: : 根据插补计算出的根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号中间点、产生脉冲信号, ,驱动驱动x x、y y方向上的步进电机方向上的步进电机, ,带动绘图笔、刀具等带动绘图笔、刀具等, ,从而绘出图形或加工从而绘出图形或加工所要求的轮廓所要求的轮廓. .24步长步长: :刀具对应于每个脉冲移动的相对位置刀具对应于每个脉冲移动的相对位

14、置, ,可以可以用用x,x,y y表示表示, ,一般一般x=x=y y x x方向步数方向步数: :N Nx x(x(xe e-x-x0 0)/)/x x y y方向步数方向步数: :N Ny y(y(ye e-y-y0 0)/)/y y 253.2.1 3.2.1 数字程序控制方式数字程序控制方式 数字程序控制的数字程序控制的3 3种方式种方式: :点位控制、直线切点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制削控制、轮廓切削控制. . 26(1)(1)点位控制点位控制(Point To Point)(Point To Point) 只要求控制刀具行程只要求控制刀具行程终点的坐标值终点的坐标值, ,即

15、工件加工即工件加工点点准确定位准确定位, ,对对刀具的移动路径、移动速度、移动方刀具的移动路径、移动速度、移动方向不作规定向不作规定, ,且在移动过程中不做任何加工且在移动过程中不做任何加工, ,只是在只是在准确到达指定位置后才开始加工准确到达指定位置后才开始加工.(.(定位定位) )(2)(2)直线直线切削控制切削控制(Strait Cut Control System)(Strait Cut Control System) 控制行程的终点坐标值控制行程的终点坐标值, ,还要求刀具相对于工件还要求刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动平行某一坐标轴作直线运动, ,且在运动过程中进行切且在运动

16、过程中进行切削加工削加工.(.(单轴切削单轴切削) )27 三种方式三种方式比较比较: :点位点位控制控制: : 驱动电路简单驱动电路简单, ,无需插补无需插补 直线切削直线切削控制控制: :驱动电路复杂驱动电路复杂, ,无需插补无需插补 轮廓切削轮廓切削控制控制: :驱动电路复杂驱动电路复杂, ,需插补需插补(3)(3)轮廓轮廓的切削控制的切削控制(Continuous Path) (Continuous Path) 控制刀具沿工件轮廓曲线运动控制刀具沿工件轮廓曲线运动, ,并在运动过程中并在运动过程中将工件加工成某一形状将工件加工成某一形状. .这种方式借助于这种方式借助于插补器插补器进进

17、行行.(.(多轴切削多轴切削) ) 283.2.2 3.2.2 开环数字程序控制开环数字程序控制 闭环方式闭环方式 执行机构多采用执行机构多采用直流电机直流电机作为驱动元件作为驱动元件 反馈测量元件反馈测量元件采用采用光电编码器、光栅、感应同步器光电编码器、光栅、感应同步器等等 开环方式开环方式 29光栅光栅光电编码器光电编码器感应同步器感应同步器303.3 3.3 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 逐点比较法逐点比较法插补插补, ,就是刀具或绘图笔每走一步就是刀具或绘图笔每走一步都要和都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次给定轨迹上的坐标值进行比较一次, ,决定下决定下一步的进给方向一步的

18、进给方向: :用用阶梯折线逼近曲线阶梯折线逼近曲线. . 走一步走一步-比较一次比较一次-决定下一步的走向决定下一步的走向 逐点比较法的最大误差逐点比较法的最大误差: :一个脉冲当量一个脉冲当量( (步长步长) )313.3.1 3.3.1 逐点比较法逐点比较法直线直线插补插补 (1)(1)插补步骤插补步骤: : 偏差判别偏差判别 - - 坐标进给坐标进给 - - 偏差计算偏差计算 - - 终点判断终点判断 走一步走一步 - - 比较一次比较一次 - - 决定下一步的走向决定下一步的走向 32(2)(2)第一象限内第一象限内的直线插补的直线插补 偏差计算式偏差计算式: :若点若点M M在在OA

19、OA直线段上直线段上, ,则有则有x xm m/y/ym m=x=xe e/y/ye e 即即y ym mx xe e-x-xm my ye e0 0 取取偏差计算式偏差计算式为为F Fm m=y=ym mx xe e-x-xm my ye e 33(3)(3)偏差判别偏差判别: : 偏差判别式偏差判别式: : Fm=YmXe-XmYe 若若F Fm m=0=0, ,则点则点m m在在OAOA直线段上直线段上； 若若F Fm m00, ,则点则点m m在在OAOA直线段的直线段的上方上方； 若若F Fm m0=0=0时时, ,沿沿+x+x轴轴方向走一步；方向走一步； 当当F Fm m 0=0=

20、0, ,这时沿这时沿+x+x轴轴方向走一步至方向走一步至m m1 1点点 ( (x xm+1m+1,y,ym+1m+1)=()=(x xm m+1+1,y,ym m ) ) F Fm+1m+1=y=ym+1m+1x xe e- -x xm+1m+1y ye e= y= ym mx xe e-(-(x xm m+1+1)y)ye e= = y ym mx xe e-x-xm my ye e-y-ye e= =F Fm myye e2.2.设加工点在设加工点在m m点点, ,若若F Fm m0 =0,F=0,Fm+1m+1=F=Fm myye e 若若F Fm m 0,F00,M,M点在圆弧点在圆

21、弧外外 F Fm m0=0=0, ,向向-x-x方向进给一步方向进给一步, ,并计算新的偏差；并计算新的偏差； 当当F Fm m 0=0,=0,向向-x-x方向进给一步方向进给一步: : ( (x xm+1m+1,y,ym+1m+1) = () = (x xm m-1-1,y,ym m ) ) F Fm+1m+1= x= xm+1m+12 2+y+ym+1m+12 2-R-R2 2= = F Fm m2x2xm m+1+1 当当F Fm m0, - 坐标进给坐标进给 - - 偏差计算偏差计算 -坐标计坐标计算算- - 终点判断终点判断 直线插补直线插补: :偏差计算使用偏差计算使用终点终点坐标

22、坐标x xe e,y,ye e 圆弧插补圆弧插补: :偏差计算使用偏差计算使用前一点前一点坐标坐标x xm m,y,ym m 45(6)(6)四个象限四个象限的圆弧插补的圆弧插补 第一象限第一象限顺顺圆弧的插补计算圆弧的插补计算 当当F Fm m=0=0, ,向向-y-y方向方向进给一步进给一步, ,F Fm+1m+1=F=Fm m2y2ym m+1+1 当当F Fm m0B-C-AA-B-C-A相轮流通电相轮流通电, ,则磁场沿则磁场沿A A、B B、C C方向转动方向转动360360度角度角, ,转子沿转子沿ABCABC方向转动了一个齿距的位置方向转动了一个齿距的位置. .齿数为齿数为4,

23、4,齿距角为齿距角为9090度度, ,即即1 1个齿距转动了个齿距转动了9090度度. .55单三拍单三拍56 步进电机的步进电机的“相相”和和“拍拍” ” “相相”: :绕组的个数绕组的个数 “拍拍”: :绕组的通电状态绕组的通电状态. .如如: :三拍表示一个周期共有三拍表示一个周期共有3 3种通电状态种通电状态, , 六拍表示一个周期有六拍表示一个周期有6 6种通电状态种通电状态, ,每个周期步进电机转动一个齿距每个周期步进电机转动一个齿距. . 步进电机的步进电机的步距角步距角的计算的计算: : N: N:步进电机的拍数步进电机的拍数 Z:Z:转子的齿数转子的齿数. . 齿距角齿距角z

24、=360/Zz=360/Z 步距角步距角=360/(NZ)=360/(NZ): :步进电机每拍步进的角度步进电机每拍步进的角度. . 573.4.2 3.4.2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 1.1.步进电机的通电方式步进电机的通电方式 单相单相通电方式、通电方式、双相双相通电方式、通电方式、单相双相单相双相交叉交叉通电方式通电方式. . 2.2.三相步进电机可工作于三相步进电机可工作于三相三拍三相三拍( (单三拍单三拍) )、双相三、双相三拍拍( (双三拍双三拍) )、三相六拍、三相六拍工作方式工作方式. . 三相三拍三相三拍工作方式工作方式 A-B-C-AA-B-C-A 58双相三

25、拍双相三拍工作方式工作方式 AB-BC-CA-AB-BC-CA-AB- AB- 三相六拍三相六拍工作方式工作方式 A-AB-B-BC-C-CA-A-AB-B-BC-C-CA-A-A-59双相三拍双相三拍603.4.3 3.4.3 步进电机步进电机控制接口及输出字表控制接口及输出字表 步进电机常规控制电路步进电机常规控制电路61脉冲分配器脉冲分配器: :把把脉冲串按一定规律脉冲串按一定规律分配给脉分配给脉冲放大器的各相输入端冲放大器的各相输入端, ,又称又称环形分配器环形分配器. . (1)(1)输入输入: :步进脉冲步进脉冲,1,1个脉冲为个脉冲为1 1拍拍, ,走一步走一步(2)(2)方向选

26、择方向选择: :正转或反转正转或反转(3)(3)输出输出: :各相绕组的驱动脉冲各相绕组的驱动脉冲 功率放大器功率放大器: :脉冲分配器的输出电路不足以脉冲分配器的输出电路不足以驱动步进电机驱动步进电机, ,进行功率放大进行功率放大. . 62步进电机微机控制步进电机微机控制方式方式1 1: : 微机微机 环形分配器环形分配器 功放功放 运动控制及脉冲产生运动控制及脉冲产生 脉冲分配及放大脉冲分配及放大步进电机微机控制步进电机微机控制方式方式2 2: : 微机微机 + + 驱动电路驱动电路 运动控制和脉冲分配运动控制和脉冲分配 功率放大功率放大63输出字以表的形式顺序存放在内存输出字以表的形式顺序存放在内存: : 正转正转访问顺序访问顺序: ADX1-ADX2-ADX6 : ADX1-ADX2-ADX6 ADY1-ADY2-ADY6 ADY1-ADY2-ADY6 反转反转访问顺序访问顺序: ADX6-ADX5-ADX1 : ADX6-ADX5-ADX1 ADY6-ADY5-ADY1 ADY6-ADY5-ADY1 微机的运动控制功能微机的运动控制功能 (1)(1)改变各相绕组的改变各相绕组的通电顺序通电顺序, ,控制步进电机的控制步进电机的转向