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《数控机床与编程实用教程》pdf

 

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  数控机床与编程实用教程 (第 版) 2 王宝成 主编 内容提要 本书是参照教育部颁发的《数控技术教学大纲》的基本精神,结合多 年的教学实践经验编写的。 本书共分八章。主要内容包括:数控机床的工作原理、数控系统、机 床结构、数控编程的基本知识和基本方法、数控机床的保养方法、常见故 障的排除与维护。 本书可作为高等职业技术院校机械类教学用书,也可以作为中等专业 学校机械类选用教材。 图书在版编目( )数据 CIP 数控机床与编程实用教程/王宝成主编 —天津:天津大学出版社,  ( 重版) 20041 200511 ISBN7-5618-1886-6 数 王 数控机床 程序设计 高等学校 教材 Ⅰ  Ⅱ  Ⅲ - - - Ⅳ TG659 中国版本图书馆 数据核字( )第 号 CIP 2003 124789 出版发行 天津大学出版社 出 版 人 杨欢 地 址 天津市卫津路 号天津大学内(邮编: ) 92 300072 电 话 发行部: — 邮购部: — 022 022 印 刷 天津津通印刷有限公司 经 销 全国各地新华书店 开 本 185mm×260mm 印 张 1875 字 数 千 468 版 次 年 月第 版 年 月第 版 2004 1 1 2005 11 2 印 次 年 月第 次 2005 11 3 印 数 — 7001 11000 定 价 元 2600 前 言 随着微电子技术的飞速发展,由微机控制的数控设备应用日益广泛,需要 一批既熟悉数控设备编程与操作,同时又懂得数控设备维护与保养的中、初级 技术人员。根据高等职业技术学院培养生产第一线的实用人才和管理人才的目 标,我们编写了这本教材。 本教材在保证必要的基础知识、基础理论的基础上,本着必需、够用的原 则,对其中涉及的各知识点进行了筛选。在编写上注重对学生数控设备的基本 操作能力、编程能力及对设备的维护保养能力的培养。内容丰富,详简得当, 实用性强。既有理论又有大量实例,内容的安排特别适合教师的教学和学生的 学习及实验。 本教材是由该课程教学第一线的教师在指导学生进行大量编程实验和机床 操作实训的基础上,结合十年来教与学的丰富经验而编写的。 本书由王宝成任主编,由肖卫宁、李桂云、张秋菊任副主编,吴联兴任主 审。其中第一、第四章由王宝成编写,第二、第三章由张秋菊编写,第五、第 六章由肖卫宁编写,第七、第八章由李桂云编写。许鑫华、冯小华、沈明兰等 参与了文稿的录入、描图等工作。 本书编写还得到了天津三英新技术发展有限公司的大力支持,在此表示感 谢。 限于编者水平和学识,书中难免有不妥和错误之处,恳请读者批评指正。 编者 20035 第 版说明 2 本书系《数控机床与编程实用教程》(天津大学出版社, )的第 版。 2004 2 本书保留了第 版的应用性和理论性兼备的特色。在“必需”、“够用”的前提 1 下,对第 版的第 、第 章增加法那克和西门子控制系统编程的基本知识,第 1 5 6 、第 章部分修订数控机床结构及操作与维修的基本知识。同时,在每章中均 7 8 增加了具有综合性、代表性的例题,并配有一定数量的操作实例练习题,对高 等职业技术学院培养生产第一线的实用人才和管理人才更具实践指导意义。 感谢天津冶金职业学院吴联兴、李桂云、肖卫宁、张秋菊对本书的撰写与 修改做出的贡献。 编者 年 月 2005 8 目 录 ………………………………………………………………………第一章 数控机床概述) ( 1 ………………………………………………………………第一节 数控机床及其特点) (1 第二节…………………………………………数控机床的工作原理、组成及其分类) (2 …………………………………………………………………第三节 数控技术的发展) (5 ………………………………………………………………………………………… 习题) (6 ……………………………………………………………………………第二章 数控系统) (7 ……………………………………………………………………第一节 数控系统概述) (7 ……………………………………………………………第二节 数控系统的基本结构) (8 ………………………………………………………第三节 数控系统插补原理与计算) (12 ………………………………………………………………第四节 数控系统接口技术) (21 ………………………………………………………………第五节 FANUC系统简介 ) (25 ………………………………………………………………………………………… 习题) (30 …………………………………………………………………第三章 数控机床伺服系统) (32 ………………………………………………………………………………第一节 概述) (32 ……………………………………………………………第二节 步进电动机控制系统) (33 ………………………………………………………第三节 直流伺服电动机控制系统) (36 ………………………………………………………第四节 交流伺服电动机控制系统) (38 第五节 位置控制系统 ( …………………………………………………………………… ) 39 …………………………………………………………………… ) 第六节 位置检测装置 (43 ………………………………………………………第七节 数控机床主轴驱动及控制) (54 ………………………………………………………………………………………… 习题) (57 第四章 数控编程基本知识 ( ………………………………………………………………… ) 59 …………………………………………………………第一节 数控编程的内容与方法) (59 …………………………………………………………… ) 第二节 数控编程的基本知识 (60 …………………………………………………………第三节 程序编制中的工艺分析) (68 …………………………………………………………第四节 程序编制中的数值计算) (74 ………………………………………………………………………………………… 习题) (81 ………………………………………………………………第五章 数控车床程序的编制) (82 ………………………………………………………………………………第一节 概述) (82 ……………………………………………第二节 数控车床基本编程指令及编程方法) (84 第三节 数控车床 ……………………………系统常用编程指令及编程方法) ( FANUC 107 第四节 典型数控车床编程综合实例 ( …………………………………………………… ) 126 ………………………………………………………………………………………… 习题) ( 130 1 ………………………………………………………………第六章 数控铣床程序的编制) ( 136 ………………………………………………………………………………第一节 概述) ( 136 ……………………………………………第二节 数控铣床基本编程指令及编程方法) ( 136 ……………………………………………第三节 系统编程指令及编程方法 ) ( FANUC 160 第四节 加工中心……………………………………系统的程序编制 ) ( SINUMERIK 171 ………………………………………………………………………………………… 习题) ( 184 ……………………………………………………………第七章 数控机床及其机械结构) ( 189 …………………………………………………………………………第一节 数控机床) ( 189 …………………………………………………………第二节 数控机床机械结构概述) ( 197 ……………………………………………………第三节 数控机床主传动系统的结构) ( 197 ……………………………………………………第四节 数控机床进给传动系统结构) ( 202 ……………………………………………………………………第五节 自动换刀装置) ( 218 ………………………………………………………………………………………… 习题) ( 224 ……………………………………………………………第八章 数控机床的操作与维修) ( 225 ……………………………………………………………………第一节 数控车床操作) ( 225 ……………………………………………………………………第二节 数控铣床操作) ( 256 ……………………………………………………………………第三节 加工中心操作) ( 266 ………………………………………………………第四节 数控机床维护与故障排除) ( 278 ………………………………………………………………………………………… 习题) ( 285 ………………………………………………………………………………………参考文献) ( 290 2 第一章 数控机床概述 第一节 数控机床及其特点 一、数控机床的基本概念 数控是数字控制( , )的简称,其含义是用数字和符号构成的数字 NumericalControl NC 信息自动控制机床运转。简言之,数控机床就是装备数控装置的机床,也称 机床。 NC 随着科学技术的进步,数控机床得到了飞速发展。机械装备日新月异,机械产品日趋精 密、复杂。特别在宇航、造船、精密仪器、军事工业、计算机工业等机械零件要求精度高、 形状复杂、批量小、加工困难、生产效率低这一系列问题中,只有采用了数控机床才会得到 解决。 数控机床发展到今天,完全依赖于数控系统的发展。自 年美国第一台数控机床诞 1952 生起已经经历了几代的变化: 第一代数控, 年到 年采用电子管元件构成的专用数控( )装置; 1952 1959 NC 第二代数控, 年到 年采用晶体管电路的 装置; 1959 1964 NC 第三代数控, 年到 年采用小、中规模集成电路的 装置; 1965 1970 NC 第四代数控, 年到 年采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统 1971 1974 ( ); CNC 第五代数控,自 年开始采用微型电子计算机控制的系统( )。 1974 MNC 目前,数控系统以价格低廉、工作可靠为数控机床的发展开辟了广阔天地。 二、数控机床的特点 生产柔性大 1 在数控机床上加工不同零件时,只需改变加工程序即可,而不需要制造或更换许多工 具、模具和夹具,这一特点满足了当前产品更新快的市场竞争需要。因此,数控机床特别适 合于零件频繁更换或单件和中小批量的生产场合。 加工精度高 2 数控机床由精密机械和自动化控制系统组成。所以,数控机床本身具有很高的控制精度 和制造精度。数控机床加工零件的过程是按照预定的程序自动进行的,消除了操作者的人为 误差,提高了同一批零件加工尺寸的一致性,使加工质量稳定,产品合格率高。 生产效率高 3 数控机床具有良好的刚性,可以采用较大的切削用量,并且又是自动进行加工,节省了 机动时间。数控机床通常不需要专用的工夹具,因而可省去工夹具的设计和制造时间,所 以,数控机床的生产效率高。 1 减轻劳动强度,改善劳动条件 4 数控机床是按照预先编好的程序自动完成加工的,操作者只需操作键盘、装卸零件和观 察、监视加工过程;不需要进行繁重的、重复性的手工操作,劳动趋于智力型工作。数控机 床一般是封闭式加工,既清洁又安全。 5良好的经济效率 数控机床可以提高产品质量,降低材料及资源损耗,降低生产成本;可以缩短产品开发 生产的周期,降低生产设备投资的费用,提高生产率。 第二节 数控机床的工作原理、组成及其分类 一、数控机床的工作过程 数控机床工作过程如图 所示。首先将被加工零件的形状、尺寸及工艺要求等,采 1-1 用手工或计算机进行零件的加工程序编制,把加工零件所需的机床各种动作及工艺参数变成 数控装置所能接受的信息代码,并将这些信息代码存储在信息载体(纸带、磁带、光盘等) 上,然后经输入装置读出信息并送入机床的数控装置。当信息载体为纸带时,用光电读带机 输入;若信息载体为磁盘或光盘时,可用驱动器输入,或用计算机和数控机床的接口直接进 行通信。进入数控装置的信息经一系列的处理和运算变成脉冲信号,有的脉冲信号送到机床 的伺服系统,经传动机构驱动机床相关部件,完成零件的加工;有的脉冲信号送到可编程序 控制器中,按顺序控制机床的其他辅助部件,完成工件夹紧、松开、冷却液的开闭、刀具的 自动更换等。 图1-1 数控机床工作过程示意图 二、数控机床的组成 数控机床的种类很多,但其主要是由程序载体、输入装置、数控装置、伺服装置和机床 本体及其辅助装置组成,如图 所示。 1-2 2 图1-2 数控机床的组成 程序载体 1 在加工过程中,机床的全部动作过程和刀具相对于工件的运动轨迹,都是通过编制加工 程序以一定的格式和代码存储在一种载体上,如穿孔纸带、磁带、磁盘等。 输入装置 2 输入装置的作用是将程序载体内有加工的信息输入到数控装置。根据程序载体的不同, 输入装置可以是光电阅读机、录音机或软盘驱动器等。 现代数控机床,可以利用机床上的CRT (或液晶)显示屏及键盘手动输入加工程序指 令(即 方式输入);也可以利用 / 软件在计算机上编程,然后通过计算机用 MDI CAD CAM 通信方式将程序传送到数控装置。 数控装置 3 数控装置是数控机床的核心,数控装置通常由专用(或通用)计算机、输入输出接口板 及机床控制器等组成。其功能是完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算及实现各种控 制。 伺服系统 4 伺服系统是数控机床的执行机构,其作用是把来自数控装置的脉冲信号转化为机床移动 部件的运动。伺服系统的性能影响机床加工精度、零件的表面质量和生产率的高低。 机床本体 5 机床本体是数控机床的主体,是用于完成各种切削加工的机械部分。与传统机床相比, 它具有结构简单、精度高、结构刚性好、可靠性高、传动效率高等特点。 三、数控机床的分类 数控机床的种类很多,常见的分类有以下几种。 按工艺用途分类 1 )普通数控机床 包括数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床等,而 1 且每种类型中又有很多品种。 )加工中心 加工中心是在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置,工件经一 2 次装夹后,可进行多种工艺、多道工序的集中加工,减少了工件装卸次数、更换刀具等辅助 时间,机床的生产效率较高。 3 )多坐标数控机床 数控装置可同时控制超过三个坐标轴数的机床称为多坐标数控机 3 床。多坐标数控机床常见的是 个坐标,能加工复杂形状的零件。 4~6 )数控特种加工机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床 4 等。 按控制运动方式分类 2 )点位控制数控机床 数控装置只控制移动部件从一个位置(点)精确地移到另一个 1 位置(点),而对它们的运动轨迹没有严格要求,在移动过程中不进行任何加工,如图 1-3 ()所示。常见的有数控钻床、数控冲床等。 a )直线控制数控机床 直线控制数控机床的数控装置不仅要控制两点间的准确位置, 2 还要控制移动速度和轨迹。在刀具相对于工件移动时进行切削加工,其轨迹是平行于机床各 坐标轴的直线,如图 ()所示。常见的有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等。 1-3 b 图1-3 控制运动方式 ()点位控制;()直线控制;()连续控制 a b c )连续控制数控机床 连续控制数控机床的数控装置能够同时对两个或两个以上的坐 3 标的位移和速度进行连续相关的控制,使其加工出符合图纸要求的形状复杂的零件,如图 1 ()所示。常见的有数控车床、数控铣床、加工中心等。 -3 c 按伺服系统的控制方式分类 3 )开环控制系统的数控机床 开环控制系统的数控机床没有检测反馈装置,通常使用 1 功率步进电动机作为执行元件。机床加工精度低,但是由于系统结构简单,系统平稳,容易 调试和维修,成本低,所以常用于经济型数控机床。 )闭环控制系统的数控机床 闭环控制系统的数控机床在机床移动部件上装有位置检 2 测装置,在加工中,随时将测量到的实际位移值反馈到数控装置中,与输入的指令位移值进 行比较,用其差值进行控制,直到实现位移部件的最终精确定位。其特点是加工精度很高, 但设计和调试困难。主要用于一些精度要求较高的数控镗铣床、超精车床和加工中心等。 )半闭环控制系统的数控机床 将位置检测元件安装在驱动电动机或传动丝杠的端部, 3 间接测量执行部件的实际位置或位移。其精度低于闭环系统,但测量装置结构简单,安装调 试方便,常用于中档数控机床。 按功能水平分类 4 )经济型数控机床 经济型数控机床指采用单片机或单板机与步进电动机组成数控系 1 统的数控机床。其功能简单,价格便宜,适用于自动化程度要求不高的场合。 4 )标准型数控机床 这类数控机床的功能较全,价格适中,应用较广。 2 )多功能型数控机床 这类数控机床的功能齐全,价格较贵。 3 第三节 数控技术的发展 由于计算机技术的发展,数控机床已经研制出了 、 、 、 坐标轴的数控机床,现在 3 4 5 6 世界许多工业化发达国家已经广泛应用数控机床,其产量和应用程度已成为衡量一个国家工 业化程度和技术水平的重要标志之一。 我国从 年开始研制数控机床,到 世纪 年代末和 年代初,简易的数控线 割机床已在生产中广泛使用。 年代初,我国引进了国外先进的数控技术,使我国的数控 80 机床在质量和性能上都有了很大的提高。从 年代起,我国已向高档数控机床方向发展。 90 随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、传感器、检测技术和精密机加工技术的 高速发展,数控机床在技术上的更新换代周期越来越短;另外,随着社会对机械产品的种 类、形状、结构及加工质量等多样化需求的增强,人们希望生产一种适应性更强、加工范围 可以随时调整、柔性更大的新系统 柔性制造系统。 一、柔性制造系统( ) FMS 是一个自动化制造系统。它是将若干台数控机床用一套自动物料搬运系统连接起 FMS 来,通过计算机系统进行综合管理与控制,协调机床加工系统和物料搬运系统的功能,从而 使整个系统自动地适应零件生产混合变化及生产量的变化。 柔性制造系统可由以下几部分组成。 )加工系统(加工单元) 它实施对产品零件的加工,如切削加工、焊接、喷漆、装 1 配、清洗等。构成加工系统的设备可以是焊接机械、喷漆设备、清洗机或各类数控机床。 )传递系统(物流系统) 它实现对毛坯、夹具、工件等的出入库和装卸等工作。它 2 所需要的设备主要是仓库和自动上、下料装置,如传送带、机器人、自动小车和随行夹具系 统等。但这种传递系统必须是自动分配系统,运送工具也应有一定的智能。 )控制系统 它是由一个分布式多级计算机系统实施对整个柔性制造系统的控制与监 3 督。它不仅可以对机床、加工设备、传输系统和中央刀库实行管理和控制,根据需要还可以 对整个车间的设备和人事档案、生产计划的调度与实施进行控制。控制系统除了上述控制功 能外,还必须实施对机床、刀具和工件的监控,利用专用的传感器和信息网络监控刀具状态 及工件的实际加工尺寸等。 二、计算机集成制造系统 计算机集成制造系统( ),就是通过计算机信息集成实现现代化的生产制造,使企 CIMS 业获得更高的总体利益。 包括三个计算机系统: CIMS 计算机辅助设计和计算机辅助制造系统,即 / 系统,此系统进行产品设计 ① CAD CAM 与制造; 计算机辅助生产控制系统,即 / 系统,此系统对加工过程进行计划、调度与 ② CAP CAC 5 控制; ③工厂自动化系统,它将实现产品的自动装配与测试、材料的自动运输与处理等。 习 题 1-1 什么叫数控机床? 1-2 数控机床的特点是什么? 1-3 数控机床主要由哪些部分组成? 1-4 点位控制和连续控制有什么区别?各自适用于什么场合? 1-5 开环控制与闭环控制有什么区别?各自适用于什么场合? 1-6 什么是柔性制造系统? 6 第二章 数 控 系 统 第一节 数控系统概述 数控机床的核心部分是数控系统,其发展过程经历了硬件( )数控系统和计算机数 NC 控系统( )阶段。目前数控机床所采用的数控系统均为 系统。 CNC CNC CNC系统是用计算机控制加工,实现数值控制的系统。它的硬件电路是由小型或微型 计算机加上通用或专用大规模集成电路制成,因此又称微机数控( ),其部分或全部控 MNC 制功能由系统软件实现。所以修改和增减系统功能时,不需变动硬件电路,只需改变系统软 件。 NC系统又称普通数控系统。其控制功能均由专用的数字逻辑电路实现,因此系统的通 用性和灵活性较差,而且成本较高,现已被CNC系统取代。 一、数控系统的组成 数控机床的数据处理和控制电路以及伺服系统等统称为数控系统。它由加工程序、输入 设备、输出设备、计算机数字控制( )装置、可编程控制器( )、主轴控制单元和 CNC PLC 进给(伺服)驱动装置等组成,如图 所示。 2-1 图 系统的组成 2-1 CNC 程序是指操作者根据被加工零件的图样要求,按规定的代码和格式编制的零件加工程 序。加工程序可以通过键盘手工输入,也可以由上一级计算机或编程机通过通信接口输入数 控系统。 输入设备的作用是将程序载体内的加工信息输入到数控装置。 数控系统根据输入的加工程序进行信息处理,然后由输出设备将处理结果送到数控机床 的执行机构。 计算机数字控制装置是数控系统的核心,它接收各种输入信息并执行各种控制功能。 可编程控制器是一种专用控制微机。在数控系统中主要用来实现辅助功能( 、 、 M S T 7 功能),其控制方式是开关量控制。 主轴控制单元的作用主要是控制主轴转速,并与可编程控制器配合实现主轴定位。 数控机床进给轴的控制要求很高,它直接关系到数控系统的精度和速度。进给伺服系统 有速度控制和位置控制两个控制环路,通常由计算机数控装置处理位置控制信息,由速度控 制单元进行速度控制。 二、数控系统的特点 与 系统相比, 系统具有以下特点。 NC CNC ①灵活性,即所谓的柔性。由于使用了CNC装置,使系统具有软件功能,只要改变控 制程序即可改变控制功能,而不必改变硬件。 ②通用性。硬件采用模块结构,通过改变软件来满足不同要求;接口电路可由标准部件 组成,实现标准化。只用一种CNC系统就能满足大部分数控机床(车床、铣床、加工中心、 钻镗床等)的要求。 ③可靠性。加工程序被一次送入计算机存储器,避免了因程序载体的故障而产生的停机 现象。采用大规模和超大规模的集成电路,使系统可靠性大大提高。 ④易于实现许多复杂功能。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程,从而 具有真正的柔性,并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息,使数控系统的性能大大提 高。 ⑤具有与机床连接及进行远程通信功能。 第二节 数控系统的基本结构 计算机数控系统主要由硬件和软件两大部分组成。 一、数控系统的硬件结构 如图 所示,计算机数控系统的硬件由中央处理单元和总线、存储器、位置控制单 2-2 元、输入/输出接口及外部设备等组成。 中央处理单元( )和总线 CPU BUS CPU是微处理器的核心,由运算器、控制器和内存储器组成。它对系统内的部件及操 作进行统一的控制,按程序中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机的整体。 总线( )是信息和电能公共通路的总称。总线按功能分为数据总线( )、地址总 BUS DB 线( )和控制总线( )。 AB CB 存储器 2 系统中的存储器包括只读存储器( )和随机存储器( )两种。 CNC ROM RAM 只读存储器一般采用可以用紫外线擦除的EPROM。系统程序放在只读存储器中,只能 被CPU读出,不能写入;运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存 放在随机存储器( )中,它可以随时地读出和写入,断电后信息丢失;零件的加工程 RAM 序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的CMOSRAM 中,或者存放在磁盘存储器中, 这些信息在这种存储器中能被随机读出,还可以根据操作需要写入或修改,断电后信息仍 8 保留。 图2-2 数控系统的硬件结构 位置控制单元 3 CNC系统中的位置控制单元又称为位置控制器或位置控制模板。位置控制主要是对数 控机床进给运动的坐标位置进行控制。例如工作台的前后或左右移动、主轴箱的上下移动、 围绕某一轴线旋转运动等。 输入/输出( /)接口 4 IO 指外设与CPU 间的连接电路。微机与外设要有输入输出数据通道,以便交换信息。 CPU向外设送出信息的接口称为输出接口,外设向CPU传递信息的接口称为输入接口。 二、数控系统的软件结构 图 所示为 系统软件的组成。 系统软件可分为管理软件和控制软件两部 2-3 CNC CNC 分。管理软件包括零件程序的输入、输出、显示、诊断和通信功能软件;控制软件包括译 9 码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能软件。下面就几个主要程序作一概括 介绍。 图 系统软件的组成 2-3 CNC 输入程序 1 CNC系统中零件的加工程序,一般是通过键盘、磁盘等方式输入的。在软件设计中, 这些输入方式大多采用中断方式来完成,且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。 如在键盘输入时,每按一个按键,硬件就向主机CPU发出一次中断申请,若CPU 响应中 断,就调用一次键盘服务程序,完成相应键盘命令的处理。 在CNC系统中,无论哪一种输入方式,都要将输入的零件加工程序先放在缓冲器中 (以免微机受到干扰,系统陷入瘫痪),然后再经缓冲器放到零件程序存储器中。零件程序的 读取也要经过缓冲器。程序的存取如图 所示。 2-4 图2-4 程序的存取 ()零件程序存储;()零件程序读取 a b 译码程序 2 在输入的零件加工程序中,含有零件的轮廓信息、工艺要求的加工速度及其他辅助信 息。这些信息在计算机插补运算与操作控制之前,必须翻译成计算机内部所能识别的语言。 译码程序的功能就是把程序段中的各个数据,根据其前后的文字地址送到相应的缓冲寄存器 中。 数据处理程序 3 数据处理程序有三个任务,即刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。刀具半 径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹;速度计算是用来确定加工数据段的运动速 度;辅助功能的处理是指换刀、主轴启动停止、冷却液开停等辅助功能的处理(即 、 、 M S T功能的传送及其先后顺序的处理)。 数据处理是为了减轻插补工作的负担及速度控制程序的负担,提高系统实时处理能力, 所以数据处理程序又称插补的准备程序或预计算。 插补计算程序 4 插补计算是CNC系统中最重要的计算工作之一,是在理想的轨迹或轮廓上的已知点之 10 间确定一些中间点的计算。在CNC系统应用中,常采用粗、精插补相结合的方法,即把插 补功能分成软件插补和硬件插补两部分。数控系统控制软件把刀具轨迹分成若干段,而硬件 电路再在各段的起点和终点之间进行数据点的“密化”,即软件实现粗插补,硬件实现精插 补。 伺服(位置)控制程序 5 伺服(位置)控制程序的主要功能是对插补值进行处理,计算出位置的指令值,同时读 一次实际的反馈值,然后计算出指令值与反馈值之间的差值(称为位置跟随误差),再经过 换算得到速度指令值。 输出程序 6 输出程序的主要功能如下。 ①伺服控制。 ②反向间隙补偿。当进给方向改变时,要进行反向间隙补偿处理。反向间隙值由程序预 置。若某一轴由正向变成反向运动,则在反向前输出 个正向脉冲;反之,则输出 个反 Q Q 向脉冲。 ③丝杠的螺距误差补偿。预先对机床各点精度进行测量,作出误差曲线,将各点的修正 值制成表格存入数控系统的存储器,数控系统对各点坐标位置自动进行补偿,以提高精度。 、 、 辅助功能的输出。 、 、 代码大多是开/关量控制,由机床强电系统执 ④M S T M S T 行。需在软件设计前确认哪些功能是在插补输出之后执行,哪些功能必须在插补输出之前执 行。 管理程序 7 管理程序是实现计算机数控装置协调工作的主体软件。当一个数据段开始插补加工时, 管理程序就准备下一个数据段的读入、译码、处理,调用各功能子程序,准备好下一段数 据,一旦本数据段加工完毕立即开始下一段插补。 为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行控制。 诊断程序 8 完善的诊断程序可以防止故障的发生或扩大,在出现故障后,可以迅速查明故障类型和 位置,减少故障停机时间。 诊断分多种情况,有启动诊断、在线诊断、停机诊断、远程通信诊断等。 三、硬件和软件的关系 计算机数控系统由硬件和软件两大部分组成。硬件和软件两者缺一不可,硬件为软件的 运行提供了支持环境;没有软件,硬件便无法工作。 硬件处理速度快,但造价高,线路复杂,故障率也高;软件设计灵活,适应性强,但处 理速度慢。因此在系统中,软、硬件的分工是由性能价格比决定的。 现代 系统中,软件和硬件的界面关系是不固定的。早期的 装置中,数控系统 CNC NC 的全部信息处理功能都由硬件来实现。随着微机技术的发展和微机性能价格比的提高,微机 成为数控系统中信息处理的主角,并由软件完成数控工作。随着产品的不同和功能要求的不 同,软件和硬件的界面是不一样的,图 所示是三种典型 系统的软硬件界面。 2-5 CNC 11 图2-5 三种典型CNC系统的软硬件界面关系 第三节 数控系统插补原理与计算 一、插补的基本概念 数控系统的主要任务之一是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般已知运动轨迹的起点 坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程,由数控系统计算出各个中间点的坐标,“插入”、“补上” 运动轨迹中间点的坐标值,通常把这个过程称为“插补”。换言之,就是沿着规定的轮廓, 在轮廓的起点和终点之间按一定的算法进行数据点的密化。插补结果输出运动轨迹中间点的 坐标值,机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动,走出预定轨迹。 需要指出的是,刀具的运动轨迹是折线,而不是光滑的曲线。刀具不能严格地沿着要求 的曲线运动,只能沿折线逼近所要加工的曲线。 二、常用插补方法 (一)基准脉冲插补法 在插补过程中不断地向各个坐标轴发出进给脉冲,驱动各坐标轴的伺服电动机转动。每 发出一个脉冲,工作台就移动一个基本长度单位,即脉冲当量。脉冲当量的大小决定了加工 精度,发送给各坐标轴的脉冲数目决定了相对运动距离,而脉冲的频率代表了坐标轴的速 度。基准脉冲插补的实现方法比较简单,既可以用硬件来实现,也可以用软件来实现。基准 脉冲插补有多种方法,最常用的是逐点比较插补法和数字积分插补法。 (二)数据采样插补法 数据采样插补法是软件插补法,用于闭环伺服系统中,其输出的结果不是脉冲而是数 据。计算机定时地对反馈回路采样,得到的采样数据与插补产生的指令数据相比较,用误差 信号驱动伺服电动机。采样周期各系统不尽相同,一般取 左右。采样周期太短计算机 10ms 来不及处理,太长会损失信息影响伺服精度。这种方法所产生的最大速度不受计算机最大运 算速度的限制,但插补程序比较复杂。 12 三、逐点比较插补法 所谓逐点比较插补法,就是每进给一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的轨迹相比较, 判断其偏差,然后决定下一步的进给方向。进给方向总是向着逼近给定轨迹的方向,如果实 际加工点在给定轨迹的上方,下一步就向给定轨迹的下方进给;如果实际加工点在给定轨迹 的里面,下一步就向给定轨迹的外面进给。如此每进给一步,算一次偏差,比较一次,决定 下一步的进给方向,以逼近给定的轨迹,直至加工结束。 (一)逐点比较法直线插补 直线 假定加工如图 所示的第 象限直线 Ⅰ Oe 起点为坐标原点,终点坐标 ( , )为已知,即直线 eX Y Oe e e 为给定轨迹, ( , )点为加工点即动点。若 点在直 m X Y m m m 线 上,则该直线的方程为 Oe / / X Y = X Y m m e e 即 Y X -X Y = 0 图 第 象限直线 Ⅰ 由此,可定义直线插补的偏差判别式为 F = Y X -X Y m m e m e 若 ,表示动点在直线 Oe m m 若 ,表示动点在直线 上方,如 ; F >0 Oe m′ m 若 ,表示动点在直线 下方,如 。 F <0 Oe m″ m ()坐标进给 2 坐标进给应逼近给定直线方向,根据这个原则: 当 时,向 方向进给一步; F >0 +X m 当 时,向 方向进给一步; F <0 +Y m 当F =0时,为保证插补继续进行,可以向+X 方向进给,也可以向+Y 方向进给, m 这里规定向+X 方向进给一步。 ()偏差计算 3 当 时,动点向 方向进给一步,进给后的新坐标值为 F ≥0 +X m X =X +1 m +1 m Y =Y m +1 m 新点偏差为 F = Y X -X Y m 1 m 1 e m 1 e + + + ( ) = Y X - X +1Y m e m e = Y X -X Y -Y m e m e e ( ) = F -Y 2-1 m e 当 时,动点向 方向进给一步,同理可得 F <0 +Y m 13 ( ) F = F +X 2-2 m 1 m e + 从式( )和式( )可以看出,偏差计算与终点坐标值有关,而与动点的坐标值 2-1 2-2 无关,算法简单,易于实现。但要一步步递推,且需知道加工点处的偏差值。一般是采用人 工方法将刀具移到加工起点(对刀),这时刀具正好处于直线上,没有偏差,所以递推开始 偏差的初始值为 。 F =0 0 ()终点判别 4 终点判别的方法一般有下面两种。 在终点计数器中存入 和 两坐标进给的总步数 ,当 或 坐标 ① X Y N =|X |+|Y | X Y e e 进给时均在 中减 ,直至 时停止插补。也可以设置两个计数器,在计数器中分别存 N 1 N =0 入终点坐标 和 , 或 坐标方向每进给一步,就在相应的计数器中减去 ,直到两个 X Y X Y 1 e e 计数器中的数都减为零时停止插补。 在终点计数器中存入插补循环数 的初始值 和两坐标进给的总步数 ,每进行一次 ② i 0 N 插补循环即 或 坐标方向进给一步,就在循环数 上加 ,直到 时停止插补。 X Y i 1 i=N 其他象限的插补偏差计算式可同理推导,见表 所示。四个象限直线 和进给方向如图 所示。 2-7 表2-1 直线插补计算公式及进给方向 F ≥0 F <0 m

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