《机床数控技术 第4版》课件 李郝林 第3-9章 数控机床程序编制中的工艺处理-自由曲线及曲面的加工

机床数控技术

第一节概述一、数控加工工艺的特点 1.数控加工工艺的内容十分具体 2.数控加工的工艺处理相对严密二、数控加工工艺处理的主要内容 1.选择并确定进行数控加工的零件的内容 2.对被加工零件的图样进行工艺分析 3.设计数控加工工序 4.选择对刀点、换刀点的位置，确定加工路线，刀补。 5.分配数控加工中的容差。 6.数控加工工艺技术文件的定型与归档。第三章数控机床程序编制中的工艺处理一、选择数控加工的零件

1.最适应类 1）形状复杂，加工精度要求高。 2）用数学模型描述的复杂曲线或者曲面轮廓零件。 3）具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的内腔壳体或者盒型零件。 4）必须在一次装夹中合并完成铣、镗、铰等多工序的零件。第二节选择数控加工的零件及数控加工的内容第三章数控机床程序编制中的工艺处理

2.较适应类 1）在通用机床上加工时极易受人为因素的干扰，零件价值高的零件。 2）在通用机床上加工时必须制造复杂的专用工装的零件。 3）多次更改设计后才能定型的零件。 4）通用机床上加工需要作长时间调整的零件。 5）通用机床加工生产效率很低的零件。 3.不适应类 1）生产批量大的零件。 2）装夹困难的零件。 3）加工余量很不稳定。 4）必须用特定的工艺装备协调加工的零件。二、选择数控加工的内容第三章数控机床程序编制中的工艺处理一、分析零件图样中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点二、分析构成零件轮廓的几何元素的条件是否充分三、分析零件定位的基准的可靠性第三节数控加工零件的工艺性分析第三章数控机床程序编制中的工艺处理一、加工工序划分

在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，一次装夹应尽可能完成全部工序。与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点。第四节数控加工工艺路线设计第三章数控机床程序编制中的工艺处理2.以粗精加工划分工序

数控加工要求工序尽可能集中，常常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。对轴类或盘类零件，将各处先粗加工，留少量余量精加工，来保证表面质量要求。同时，对一些箱体工件，为保证孔的加工精度，应先加工表面而后加工孔。3.按所用刀具划分工序

数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其它部位。同时应尽量减少空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。1.根据装夹定位划分工序一、走刀路线（加工路线）的确定在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。

确定加工路线的原则：（1）必须保证被加工零件的尺寸精度和表面粗糙度要求。第五节数控加工工序的设计第三章数控机床程序编制中的工艺处理切向切入径向切入第三章数控机床程序编制中的工艺处理n个))(1)1(2bananb+-=-+=（黄线长红线长ba+切入/出段+切入/出段（2）走刀路线尽量短，为了提高生产效率，在确定加工路线时应尽量缩短加

工路线，减少刀具空行程时间。（3）为了减少编程工作量，还应使数值计算简单，程序段数量减少，程序短。第三章数控机床程序编制中的工艺处理三、夹具的选择、工件装夹方法的确定数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点： 1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产

准备时间。

2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。

4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。四、刀具的选择五、确定对刀点与换刀点六、切削用量的确定二、定位基准与夹紧方案的确定七、数控编程的误差控制第五节数控加工工艺路线设计第三章数控机床程序编制中的工艺处理八、数控加工工艺分析实例

数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。如：通用台虎钳、数控分度转台等。第三章数控机床程序编制中的工艺处理三、夹具的选择、工件装夹方法的确定1．夹具的选择

数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：

第三章数控机床程序编制中的工艺处理1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。

2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。2.工件装夹方法的确定

与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断屑和排屑性能好；同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。第三章数控机床程序编制中的工艺处理四、刀具的选择

工件装夹方式在机床确定后，通过确定工件原点来确定了工件坐标系，加工程序中的各运动轴代码控制刀具作相对位移。例如：某程序开始第一个程序段为N0010G90G00X100Z20，是指刀具快速移动到工件坐标下X=100mmZ=20mm处。究竟刀具从什么位置开始移动到上述位置呢？所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。

第三章数控机床程序编制中的工艺处理五、对刀点、换刀点的设置1．对刀点的定义

在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是：

1）便于数值处理和简化程序编制。

2）易于找正并在加工过程中便于检查。

3）引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。例：以外圆或孔定位零件，可以取外圆或孔的中心与端面的交点作为对刀点。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心；平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点；球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。

加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。

第三章数控机床程序编制中的工艺处理2．对刀点、换刀点的设置第三章数控机床程序编制中的工艺处理1．主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。其计算公式为：

n=1000v/πD

式中 v----切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定；

n----主轴转速，单位为r/min；

D----工件直径或刀具直径，单位为mm。

计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。第三章数控机床程序编制中的工艺处理六、切削用量的确定第三章数控机床程序编制中的工艺处理2．进给速度的确定

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

确定进给速度的原则：

1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100～200mm/min范围内选取。

2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取。

3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内选取。

4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。

3．背吃刀量确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2～0.5mm。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。第三章数控机床程序编制中的工艺处理1.数控编程的误差组成

逼近误差

插补误差

圆整误差

程序误差一般控制在零件公差的1/5~1/10第三章数控机床程序编制中的工艺处理七、数控编程的误差控制机床数控技术第一节概述1、操作面板知识。数控机床所提供的各种功能是通过控制面板上的键盘操作得以实现的。因此学习数控机床操作，需要了解操作面板上各种键的使用方法。2、加工准备知识。在实现零件的数控加工前需对一些加工参数进行设置。如刀具补偿值、零点偏置值、进给率、主轴数据等3、程序管理知识包括程序编辑、复制、删除等。4、数控操作几种模式的内容及实现方法的知识。数控操作分为手动、MDA以及自动运行三种模式。第四章数控系统操作知识第二节数控机床的操作面板数控系统为数控机床提供了较完善的远硬件资源，以满足不同数控机床的性能要求。数控机床的操作可以通过数控系统提供的人机对话界面显示器、CNC面板、机床数控操作面板上相关的远硬件、按键来有序的操作实现。对于数控机床操作控制的基本要求是必须熟练掌握各个软硬件按键的功能。并根据实际生产要求正确使用这些按键。这样才能充分利用数控机床的功能。第四章数控系统操作知识

控制面板主要实现：加工程序编写、坐标系、刀具参数、机床参数等设置，程序、各种参数、报警信息显示等功能。第二节数控机床的操作面板第四章数控系统操作知识数控机床操作面板由进给控制键、主轴控制键、加工方式选择键、急停开关等组成。在该操作面板上可控制进给轴快速进给，切削进给；控制主轴正转、反转、停止。控制主轴速度，切削进给速度等。第二节数控机床的操作面板第四章数控系统操作知识机床可以装配绝对的或增量的行程测量系统。配备增量行程测量系统的轴在打开控制系统之后必须返回参考点，而配备绝对行程测量系统的轴则不必返回参考点。在增量行程测量系统中，所有的机床轴必须首先返回参考点，该参考点参照于机床零点且坐标已知。第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识机床一旦断电后，机床机械原点的坐标值丢失。故当再次接通数控电源后，操作者必须首先进行返回参考点的操作在重复的加工过程中，返回参考点点可消除进给运动部件的坐标累计误差。机床操作过程当中遇到急停信号或超程报警后，恢复机床正常工作时必须返回参考点的操作。返回参考点的目的第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识1.按下<JOG>键2.按下<REF.POINT>键。3.选择待运行的轴。4.按下<->或者<+>键。所选的轴返回到参考点。如果您按下错误的方向键，则无法进行操作，无法实现运动。如果到达参考点，在轴旁边会显示一符号。返回参考点的步骤第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识在加工程序执行自动运行之前，必须通过面板操作，设定刀具的半径，长度，补偿值。以便加工程序中用半径补偿指令和长度补偿指令调用其值。刀具补偿功能的作用主要在于简化编程。G代码在编制程序时可以只按零件轮廓进行编制。在加工前，操作者测量实际的刀具长度、半径和确定补偿正负符号，作为刀具补偿参数，输入数控系统使得由于换刀或刀具磨损带来的刀具尺寸参数变化时，不改变源程序却仍能加工出图纸尺寸的零件轮廓。第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识对于车刀而言，刀具参数指刀偏量（刀具偏置量或位置补偿量），刀尖半径和刀尖位置。车刀参数第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识数控对数控铣刀而言，刀具参数指铣刀直径（或半径）、铣刀长度。当程序调用刀具半径，长度补偿指令时，系统自动进行刀具的半径和长度补偿。铣刀参数第三节数控机床的加工准备第四章数控系统操作知识激活的程序

通过程序管理器您可以随时访问程序，执行、更改、复制或重命名程序，或者删除多余的程序，清空存储器。当前选中的程序即：激活的程序标有绿色符号第四节程序管理操作第四章数控系统操作知识打开和关闭程序如果您希望进一步查看程序或更改程序，可以在编辑器中打开程序。保存在NCK存储器中的程序在打开时便可以浏览，但是要等程序完全打开后，才能够加以编辑。在对话框中您可以查看程序的打开进度。但是如果程序保存在本地驱动器、USB设备或网络驱动器中，则只有在程序完全打开时，才可以浏览，窗口中会有一个进度条显示打开进度。第四节程序管理操作第四章数控系统操作知识

选择操作区域“程序管理器”。2.选择所需存储器，将光标移到需要处理的程序上。3.按下软键“打开”。或者按下<INPUT>键。或者

按下<光标向右>键。

或者

双击程序。所选的程序在“编辑器”操作区打开。4.进行所需的程序修改。5.按下软键“NC选择”，切换至“加工”操作区并开始执行程序。

打开程序第四节程序管理操作第四章数控系统操作知识按下软键“>>”和“关闭”，重新关闭程序和编辑器。或者

位于程序的第一行开头时，可以按下<光标向左>键关闭程序和编辑器。要重新打开已经关闭的程序时，可以按下<PROGRAM>键。关闭程序第四节程序管理操作第四章数控系统操作知识

JOG运行方式属于机床的手动操作与调整适用于以下的情况：●返回参考点，即：将加工轴返回参考点●为机床在自动方式下执行程序做准备，即测量刀具、测量工件以及定义程序中使用的零点偏移。●移动轴，例如当程序中断时手动移动个坐标轴●实现轴定位功能第五节JOG运行方式第四章数控系统操作知识第六节MDA运行方式在MDA运行方式下，可以用程序段方式输入和执行G代码命令，以便设置机床或执行某些特定操作和程序测试。执行MDA程序1.选择操作区域“Machine”（加工）。2.按下<MDA>键。打开MDA编辑器。

3.使用键盘输入所需的G代码指令。4.按下<CYCLESTART>（循环启动）键。第四章数控系统操作知识第七节自动加工操作在自动模式下，启动程序运行后，工件加工将自动开始和停止。机床进行对工件的自动加工过程。必须满足以下前提才能执行程序：●加工程序进入CNC系统●控制系统的测量系统建立了机床坐标系。●输入了所需的刀具补偿和零偏。●激活了由机床制造商设置的必须的安全锁止。第四章数控系统操作知识3.按下<CYCLESTART>（循环启动）键。启动和处理程序。1.在程序管理器中选择所需程序。在“NC”、“本地驱动器”、“USB”或设置的网络驱动器下选择所需程序。2.按下软键“Select”（选择）。选择要进行处理的程序并自动切换到“Machine”（加工）操作区中。执行自动加工程序第七节自动加工操作第四章数控系统操作知识停止加工按下<CYCLESTOP>键。加工立即停止，单个程序段不会执行到程序结束。在下一次启动时，会从上次中断的位置开始加工。中断加工按下<RESET>键。程序中断。下次开始时继续加工。第七节自动加工操作第四章数控系统操作知识1.按下软键“程序控制”并在栏“SBL”中选择需要的类型。2.按下<SINGLEBLOCK>键。3.按下<CYCLESTART>键。根据选择的处理类型开始处理第一个程序段。然后停止加工。通道状态行中会显示：停止：单步结束”。4.按下<CYCLESTART>键。根据模式继续处理程序直至下一停止。5.如果不再需要以单段方式加工，再次按下<SINGLEBLOCK>键。再次取消选择该键。如果再次按下<CYCLESTART>键，程序将没有任何中断执行到结尾。单段运行程序第七节自动加工操作第四章数控系统操作知识机床数控技术43第一节概述数控系统的组成第五章典型计算机数控系统介绍1、具有灵活性CNC装置的硬件、软件采用模块化设计。只要改变相应控制软件，就可改变和扩展其功能，以满足用户的不同需要。2、具有通用性CNC装置硬件结构有多种形式，模块化硬件结构使系统易于扩展；模块化软件能满足各类数控机床(如车床、铣床、加工中心等)的不同控制要求；标准化的用户接口，统一的用户界面，既方便系统的维护又方便用户的培训。第一节概述数控系统的优点第五章典型计算机数控系统介绍3、丰富的数控功能利用计算机的高速数据处理能力，及高级语言的应用，使CNC装置能方便地实现许多复杂的数控功能，如曲线插补功能、曲面直接插朴功能、各类固定循环、函数和子程序调用、动态图形显示、刀具半径和长度补偿功能等。4、提高系统的可靠性随着大规模集成电路，超大规模集成电路芯片技术的发展，硬件使用的元器件数量少，质量高。可靠性获得了极大的提高。5、使用维修方便CNC装置有诊断程序，当数控系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障部位，减少了维修停机的时间。第五章典型计算机数控系统介绍无论是普及型数控机床，还是标准型机床，或者是模块化高端机床，SINUMERIK数控系统都能为不同类型的机床提供最佳解决方案。无论是单件生产还是批量生产，无论是简单工件还是复杂工件，无论是何种加工工艺，从原型样机、刀具制造到模具制造再到大批量生产，SINUMERIK数控系统始终能高效胜任。第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK808•基于操作面板的紧凑型数控系统•最多控制5根进给轴/主轴•1个加工通道•8.4"彩色显示屏•SIMATICS7-200PLC第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK828

紧凑型数控系统，适用于标准型机床SINUMERIK828数控系统适用于大批量加工、模块化程度较低的标准机床。不论是SINUMERIK828DBASIC、828D还是SINUMERIK828DADVANCED，都是一款高性价比的数控系统，结构紧凑，数控性能高，便于调试。第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK840基于传动的模块化CNC适用于各种CNC工艺应用最多控制93根进给轴/主轴任意数量的PLC轴最多控制30个加工通道模块化面板设计，最大支持24"彩色显示屏SIMATICS7-300PLCSINAMICSS120CombiSINUMERIK840DslBASICSINUMERIK840DslSINAMICSS120,第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

2024/10/714:04数控50第五章典型计算机数控系统介绍NC模块轨迹控制、数据传输、输入输出及人机信息交换管理。它是核心模块。电源模块提供各个模块的电源。驱动模块控制驱动各伺服电机的运行及反馈信号的处理。伺服电机机床传动的动力。HMI模块人机通信界面模块包括显示器、NC操作模板、机床操作面板。第三节西门子840DSL数控系统组成

第五章典型计算机数控系统介绍数控第三节西门子840DSL数控系统组成

NC模块接口第五章典型计算机数控系统介绍2024/10/714:04数控53第三节西门子840DSL数控系统组成

NC模块接口第五章典型计算机数控系统介绍数控驱动与电机第五章典型计算机数控系统介绍驱动、电机与测量实例第三节西门子840DSL数控系统组成

第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

驱动、电机与测量实例第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

驱动、电机与测量实例第五章典型计算机数控系统介绍机床数控技术一、概述1、位置检测的作用实时测量执行部件的位移和速度信号。第六章数控机床位移检测装置第六章数控机床位移检测装置1、光电编码器

2、光栅尺2、旋转变压器3、霍尔元件4、激光测量系统5、陀螺仪测角

6、测速发电机旋转编码器

角度编码器

常见的位置检测装置第六章数控机床位移检测装置第六章数控机床位移检测装置第二节编码器

装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和角位移检测方式可分为：接触式、光电式和电磁式。增量式编码器绝对式编码器第六章数控机床位移检测装置角度编码器18000线旋转编码器3600线第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栅板节距τm+τ/4信号处理装置第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz节距τm+τ/4AAa第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz节距τm+τ/4第六章数控机床位移检测装置Z……码盘转一圈AB90°第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器各输出信号的作用：A、B两相的作用：根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理。第六章数控机床位移检测装置ABCP90O四倍频细分处理第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器各输出信号的作用：

Z相的作用：被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数计数信号。相的作用：后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z……码盘转一圈回参考点时！第六章数控机床位移检测装置作业请绘制增量编码器正反转输出A相、B相、Z相及反相的信号波形，叙述各波形的作用。第六章数控机床位移检测装置

结构和工作原理

码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221202、绝对式脉冲编码器定义：码盘每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码第六章数控机床位移检测装置2、绝对式脉冲编码器编码方式及特点方式：二进制编码，特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111100023222120请问：8位输出的编码，可测量的最小角位移是几度？第六章数控机床位移检测装置2、绝对式脉冲编码器格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小分辨率上。但编码与位置循序无直接规律。1111000111011100010001010111011000100011000010001001101110101110232221200001->0011->0010->0110第六章数控机床位移检测装置第三节光栅用途分：物理光栅和计量光栅运动方式分：长光栅和圆光栅光线的走向分：透射光栅和反射光栅光栅的分类：第六章数控机床位移检测装置按原理分物理光栅计量光栅按形状分直线光栅圆光栅按输出信号种类分增量式光栅绝对式光栅第六章数控机床位移检测装置按材质分-金属光栅-玻璃光栅-陶瓷光栅按光路分-透射式光栅-反射式光栅按结构分-封闭式光栅-开放式光栅第六章数控机床位移检测装置1－床身；2－光栅尺；3－扫描头；4－滚珠丝杠螺母副；5－床鞍光栅尺在机床上的安装示意图第六章数控机床位移检测装置光栅尺在机床导轨上的安装第六章数控机床位移检测装置光栅检测装置的结构透射光栅第六章数控机床位移检测装置1、计量光栅的组成标尺光栅光源指示光栅光电接受器件第六章数控机床位移检测装置010,00,11,01,1衍射光栅第六章数控机床位移检测装置透射光栅优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担。缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。透射光栅尺的长度一般都在1～2m，常见的线纹密度为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。反射光栅优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，常用线纹数为4、10、25、40、50。第六章数控机床位移检测装置光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换成脉冲信号输出。有垂直入射读数头、分光读数头、镜像读数头和反射读数头等。圆光栅测量角位移圆光栅刻有辐射形的线纹，相互间的夹角相等。圆周内线纹的数制一般有二进制、十进制和六十进制等三种形式。直径为Ф270mm，360进制的圆光栅，一周内有刻线10,800条。第六章数控机床位移检测装置光栅尺横向莫尔条纹及其参数

光栅原理（莫尔条纹）

-栅距，a-线宽，b-缝宽=a+b,a=b=/2

第六章数控机床位移检测装置条纹宽度：

特例：当=0,1=2

→W=

→光闸莫尔条纹当=0,

1≠2

→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第六章数控机床位移检测装置放大作用；使栅距的节距误差平均化；根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向莫尔条纹的特点：光栅横向移动一个节距ω，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。第六章数控机床位移检测装置2、光栅测量的基本原理第六章数控机床位移检测装置

当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。莫尔条纹：第六章数控机床位移检测装置2、光栅测量的基本原理当主光栅间距W1=指示光栅间距W2时：tana=-tanθ/2B=W/θB=W1/θ第六章数控机床位移检测装置平均效应3、莫尔条纹特点若移动的指示光栅长度10mm,当光栅距离W=0.01mm,则一条莫尔条纹由1000条线纹组成。测量长度时，决定其精度的不是一两条线纹，而是一组线纹的平均效应。第六章数控机床位移检测装置放大作用3、莫尔条纹特点B=W/θB是W的1/θ倍若W=0.01mm,θ=0.001rad，则光栅的栅距是多少？放大了多少倍？第六章数控机床位移检测装置S1S2S1和S2的光元件信号曲线？对应关系第六章数控机床位移检测装置作业光栅栅距为0.02mm，指示光栅与标尺光栅的夹角为0.0057度时，莫尔条纹的宽度。第六章数控机床位移检测装置机床数控技术97第七章数控机床的伺服系统7.4直流伺服电动机控制系统7.3交流伺服电动机控制系统7.2步进电动机控制系统7.1概述第七章数控机床的伺服系统

机床伺服系统接受来自数控装置的指令，控制伺服电动机驱动机床的各运动部件，按指定的速度与目标位置运行，达到工件加工所需要的外形与尺寸。99第七章数控机床的伺服系统7.1概述电机机械执行部件CNC插补指令伺服驱动功率放大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开环系统半闭环系统100第七章数控机床的伺服系统7.1概述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全闭环系统101第七章数控机床的伺服系统7.2步进电动机控制系统步进电动机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步距角

输入一个电脉冲

电机就转过一个相应角度。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数量及其频率成正比。102第七章数控机床的伺服系统（一）步进电动机的工作原理B

假设三相电源供电，定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相，采用Y连接，假设转子有四个齿。ACIAIBIC定子转子103第七章数控机床的伺服系统

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC104第七章数控机床的伺服系统1.三相单三拍运行方式CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。

“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。105第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30

角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30

角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A106第七章数控机床的伺服系统

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。107第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。2.三相六拍运行方式

按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15

，到达左图所示位置。

A、B相同时通电，第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。第七章数控机床的伺服系统3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15

。第七章数控机床的伺服系统

三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34123412CA'BB'C'A第七章数控机床的伺服系统AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。3.三相双三拍运行方式

按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第七章数控机床的伺服系统A

B

C

D4.四相通电的情景（1）单四拍通电（2）双四拍通电AB

BC

CD

DA（3）四相八拍通电A

AB

B

BC

C

CD

D

DA第七章数控机床的伺服系统

从以上对三相步进电动机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：

—步距角Z—转子齿数K—每个通电循环周期的拍数m—给电的相数第七章数控机床的伺服系统

步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相定子A、B、C，三相每相两极：AA’,BB’,CC’，每极上5个齿。齿距角9度

为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的第七章数控机床的伺服系统

定子上线圈的绕法

转子（40齿）

齿距角9度第七章数控机床的伺服系统A相

B相C相定子转子定子转子定子转子B相C相第七章数控机床的伺服系统

由于交流电动机可变速驱动系统控制的数字化，使得交流电动机的驱动大范围平滑调速成为现实，且其具有结构简单，容易维护和转子转动惯量小，可经受高速运转等优点。7.3交流伺服电动机控制系统第七章数控机床的伺服系统7.3交流伺服电动机控制系统交流伺服电动机的内部结构第七章数控机床的伺服系统Nsnsnr

θ

SsSNf:电源频率p:定子磁极对数交流伺服电动机的定子绕组在接通三相交流电或两相交流电，产生圆形或近似椭圆形旋转磁场(Ns,Ss)以同步转速ns旋转。第七章数控机床的伺服系统交流伺服电机的优点:结构简单、成本低较硬的机械特性转子的转动惯量小`机械特性：转速受负载影响的程度第七章数控机床的伺服系统交流伺服电动机驱动系统实例上海开通数控KT220系统第七章数控机床的伺服系统7.4直流伺服电动机控制系统RdIdIdFUaEdΦUd=Ea+IaRaEd=CeΦnM=CmΦIa基本方程：第七章数控机床的伺服系统直流伺服电动机的机械特性方程第七章数控机床的伺服系统直流伺服电动机的机械特性方程可调整多个参量实现调速，调速性能好。输出扭矩大，过载能力强。电刷和换向器易磨损，最高转速受限制。直流伺服电机逐渐的被交流伺服电机所取代。特点：机床数控技术127第八章数控系统插补原理

什么是插补?

通过在邻近点取已知函数值的加权平均来估计缺失的函数值。插补是一个数据密化的过程.

G01X45Y75F0.1yoxA(xe,ye)yox在直线上在直线上方在直线下方(1)偏差函数-F第八章数控系统插补原理§8-1逐点比较插补法一、平面直线插补(2)进给方向及偏差函数计算偏差判别进给方向坐标计算偏差计算yoxF<0F>0进给方向判断刀具始终朝向终点坐标移动，并且始终靠近直线移动当刀具在直线上或在直线上方，刀具将沿着+X方向移动一步。当刀具在直线的下方，刀具将沿着+Y方向移动一步。第八章数控系统插补原理进给的总步数：(3)终点判断yoxF<0F>0(4)插补过程偏差判别进给方向偏差计算终点判断第八章数控系统插补原理脉冲数偏差判别进给方向偏差计算终点判断0

12345678910AYX∑=10∑=10-1=9∑=9-1=8∑=8-1=7∑=7-1=6∑=6-1=5∑=5-1=4∑=4-1=3∑=3-1=2∑=2-1=1∑=1-1=0F0=0F1=F0-Ye=0-4=-4F6=F5-Ye=0-4=-4F2=F1+Xe=-4+6=2F3=F2-Ye=2-4=-2F4=F3+Xe=-2+6=4F5=F4-Ye=4-4=0F9=F8+Xe=-2+6=4F7=F6+Xe=-4+6=2F8=F7-Ye=2-4=-2F10=F9-Ye=4-4=0F=0F=0F<0F<0F<0F<0F>0F>0F>0F>0+X+X+X+X+X+X+Y+Y+Y+Y当数控系统执行以下指令时，请用逐点比较法在右图做出插补曲线，并在下表中填写计算过程.N10G0X0Y0N20G1X6Y4F0.1练习

第八章数控系统插补原理OE(6,4)98754321610YX练习

第八章数控系统插补原理象限处理XY处理方法:使用坐标的绝对值计算偏差.进给方向:绝对坐标增大的方向为进给方向.F<0F>0F<0F>0F<0F>0F<0F>0第八章数控系统插补原理0

F0=0∑=101F=0-XF1=F0-|Ye|=-4∑=10-1=92F<0+YF2=F1+|xe|=2∑=9-1=83F>0-XF3=F2-|Ye|=-2∑=8-1=74F<0+YF4=F3+|xe|=4∑=7-1=65F>0-XF5=F4-|Ye|=0∑=6-1=56F=0-XF6=F5-|Ye|=-4∑=5-1=47F<0+YF7=F6+|xe|=2∑=4-1=38F>0-XF8=F7-|Ye|=-2∑=3-1=29F<0+YF9=F8+|xe|=4∑=2-1=110F>0-XF10=F9-|Ye|=0∑=1-1=0脉冲数偏差判别进给方向偏差计算终点判断第八章数控系统插补原理yox圆弧上圆弧外圆弧内二、圆弧插补第八章数控系统插补原理(1)偏差函数偏差判别进给方向坐标计算偏差计算yoxF<0F>0A(xa,ya)进给方向判别刀具朝终点移动并向圆弧靠近刀具在圆外/上，则向圆内进给刀具在圆内，则向圆外进给终点第八章数控系统插补原理(2)进给方向与偏差计算-逆圆偏差判别进给方向坐标计算偏差计算yoxF<0F>0A(xa,ya)进给方向判别刀具朝着终点移动并向圆弧靠近刀具在圆外/上，则向圆内进给刀具在圆内，则向圆外进给终点第八章数控系统插补原理(2)进给方向与偏差计算-顺圆1）判断插补或进给的总步数yox2）分别判断各坐标轴进给步数第八章数控系统插补原理（3）终点判别对于第一象限圆弧AB，起点A（4，0），终点B（0，4）

步数偏差判别进给偏差计算坐标计算终点判别起点12345678F0=0x0=4,y0=0Σ=4+4=8F0=0-xF1=F0-2x0+1=0-2×4+1=-7x1=4-1=3，y1=0Σ=8-1=7F1<0+yF2=F1+2y1+1=-7+2×0+1=-6x2=3，y2=y1+1=1Σ=7-1=6+yF2<0F3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=2Σ=5F3<0+yF4=F3+2y3+1=2x4=3,y4=3Σ=4F4>0-xF5=F4-2x4+1=-3x5=2,y5=3Σ=3F5<0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,y6=4Σ=2F6>0-xF7=F6-2x6+1=1x7=1,y7=4Σ=1F7<0-xF8=F7-2x7+1=0x8=0,y8=4Σ=0第八章数控系统插补原理插补举例逆圆逆圆逆圆顺圆顺圆顺圆逆圆顺圆OXY处理方法：偏差函数坐标以绝对值运算，轴走向按图示方向。过象限标志：xi=0或yj=0，每走一步进行终点、过象限判别。第八章数控系统插补原理象限处理对于第三象限圆弧AB，起点A（-4，0），终点B（0，-4）

步数偏差判别进给偏差计算坐标计算终点判别起点12345678F0=0x0=-4,y0=0Σ=4+4=8F0=0+xF1=F0-2│x0│+1=0-2×4+1=-7x1=4-1=3，y1=0F1<0-yF2=F1+2│y1│+1=-7+2×0+1=-6x2=3，y2=y1+1=1-yF2<0F3=F2+2│y2│+1=-3x3=3,y3=2Σ=5Σ=7Σ=6F3<0-yF4=F3+2│y3│+1=2x4=3,y4=3Σ=4F4>0+xF5=F4-2│x4│+1=-3x5=2,y5=3Σ=3F5<0-yF6=F5+2│y5│+1=4x6=2,y6=4Σ=2F6>0+xF7=F6-2│x6│+1=1x7=1,y7=4Σ=1F7<0+xF8=F7-2│x7│+1=0x8=0,y8=4Σ=0第八章数控系统插补原理综合练习数字积分法：数字微分分析器（DigitalDifferentialAnalyzer，简称DDA）。优点：运算速度快、脉冲分配均匀、易于实现多坐标联动或多坐标空间曲线的插补。第八章数控系统插补原理§8-2数字积分插补法求函数x=f（t）对t的积分运算，是求函数曲线与t轴在积分区间所包围的面积F。求面积F可转化成

数字运算时，一般取Δt为单位“1”，即一个脉冲当量，则第八章数控系统插补原理(1)数字积分原理起点O（0,0），终点A（xe

,ye），设进给速度V是均匀的，直线长度L，则有：△t时间内，X和Y方向移动的微小增量△x、△y

：积分可得第八章数控系统插补原理(2)DDA直线插补取△t＝1，则若寄存器位数为n，则xe

、ye最大值为2n－1，所以DDA直线插补整个过程需要2n次累加才能到达终点。一般取

k（2n－1）<1，则：m＝2n时插补完成，即：第八章数控系统插补原理(2)DDA直线插补要插补如图所示直线轨迹OA，起点坐标为O(0,0)，终点坐标为A(5,3),若被积函数寄存器Rx、Ry和余数寄存器Rax、Ray以及终点计数器Re均为三位二进制寄存器。请写出插补过程、画出DDA直线插补轨迹。yxoA(5,3)注：插补前Rax、Ray、Re为零，Rx、Ry分别存放xe=5，ye=3，