数控1.docx

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数控1

第一章概述

一、 基本概念

1.数控技术（NC技术）：

是指用数字化的信息发出指令并实现自动控制的技术。

2.数控系统（NCSystem）：

采用了数字控制技术的自动控制系统。

3.计算机数控：

是指用计算机来实现部分或全部的基本数控功能的数控系统。

4.数控机床：

装备了数控系统的机床。

5.插补功能：

知道了要加工曲线轮廓的种类、起点、终点及速度等信息后，根据给定的函数在起点、终点之间确定一些中间点，已达到数据点密化的功能。

二．基本组成

1.数控机床：

CNC系统和计算机主机及辅助装置。

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、测量装置和机械本体五个部分组成。

2.CNC系统：

程序、输入输出设备、CNC装置及主轴和进给驱动装置。

3.CNC装置：

计算机、可编程序控制器（PLC）、接口。

4.柔性制造系统：

计算机控制系统和机械系统。

5.柔性制造系统的计算机控制系统：

FMS计算机系统、网络与数据库、各设备的控制装置。

6.柔性制造系统的机械系统：

加工设备、传输设备和存储装置。

三．基本概念

1.加工中心（ATC自动换刀装置）

2.直接数字控制（群控）DNC

3.柔性制造单元FMC

4.柔性制造系统FMS

5.计算机集成制造系统CIMS

四．数控机床主机的结构特点

①高刚度和高抗振性；②小的机床热变形；

③高效率、无间隙、低摩擦传动；④简化的机械传动结构；

五．数控机床分类

（1）按控制轨迹的特点分类

①点位控制数控机床或位置控制数控机床；

②轮廓控制数控机床。

（2）按伺服系统的类型分类

①开环控制数控机床（不带位置检测反馈装置，工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度比较低，多为经济型）；

②闭环控制数控机床（位置检测装置安装在机床工作台上，加工精度很高，稳定性差）；

③半闭环控制数控机床（检测单元安装在电动机或丝杠的端头，可获得比较稳定的控制特性，精度没有闭环控制数控机床高，但调试比较方便）。

●区别：

位置检测装置及安装位置

●性能比较：

精度、成本、调试和维护

六．数控机床的发展趋势

①．高速度高精度化；②．更高的可靠性；

③．更完善的自动编程技术；④．更高的通讯功能；

⑤．智能化；⑥．数控系统的开放化。

七．1952年，美国帕森斯公司和麻省理工大学伺服机构实验室合作研制成一台控制三坐标立铣床的数控系统，其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制系统由真空管组成，这就是第一代数控系统。

第二章数控加工程序编制

一．基本概念

1.数控机床的程序编制方法：

手工编程和自动编程。

2.国际上的两种数字控制标准：

ISO（国际标准化组织标准）和EIA（美国电子工业协会标准）。

3.在自动编程系统中，按所完成的功能分为主信息处理和后置处理。

4.数控机床的输入介质是指纸带、磁盘和软盘等。

5.数控机床的标准坐标系：

采用右手直角坐标系，基本坐标为X、Y、Z直角坐标，对应每个坐标轴的旋转符号为A、B、C。

数控机床的主要运动是刀具与工件间的相对运动，数控机床坐标系是假定刀具相对于工件移动确定的。

6.数控机床坐标系：

是数控机床的基本坐标系，其坐标和运动方向视机床的类型和结构而定。

机床坐标系的原点M也称为机械原点或零点。

机械原点不仅是机床坐标系的原点，也是其他坐标系和机床内的基准点。

7.工件坐标系：

为了编制的方便，往往选择工件上的某一点作为坐标原点，平行于机床坐标轴建立一个新坐标系，即称为工件坐标系。

二．数控机床的标准坐标系是如何建立的?

（X、Y、Z）

1.Z坐标轴

标准规定：

Z坐标平行主轴轴线的进给轴。

①若没有主轴（牛头刨床）或者有多个主轴，则选择垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。

②若有多个主轴，则选择垂直与工件装夹面的方向为Z坐标。

※Z坐标正方向的规定：

刀具远离工件的方向。

2.X坐标轴

标准规定：

X坐标是水平的，平行于工件装夹平面。

①若是没有旋转刀具或旋转工件的数控机床，X坐标平行于主要的切削方向，且以该方向为正方向。

②在刀具旋转的机床上（铣床、钻床、镗床等）。

＊Z轴水平（卧式），则从刀具（主轴）向工件看时，X坐标的正方向指向右边。

＊Z轴垂直（立式）；

⊙单立柱机床，从刀具向立柱看时，X的正方向指向右边；

⊙双立柱机床（龙门机床），从刀具向左立柱看时，X轴的正方向指向右边。

③机床上（车床、磨床等）主轴带工件旋转机床，X轴的运动方向是工件的径向并平行于横滑座，且刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。

3.Y坐标轴

利用已确定的X、Z坐标的正方向，用右手定则或右手螺旋法则，确定Y坐标的正方向。

＊右手定则：

大姆指指向+X，中指指向+Z，则+Y方向为食指指向。

＊右手螺旋法则：

在XZ平面，从Z至X，姆指所指的方向为+y。

三．常用的基本指令

准备功能指令

1、快速点定位指令G00（要求刀具以点位控制方式从刀具所在位置以允许的最高速度移动到指定位置）；

2、工件坐标系设定指令G92（用来设定刀具的刀位点在工件坐标系中的坐标值，G92XYZLF,格式中的X、Y、Z为尺寸字，用来指定刀位点在工件坐标系中的初始位置）；

3、直线插补指令G01（刀具相对于工件沿直线插补程序计算出来的直线轨迹，程序段F指令给出的进给速度，程序段中必须编入F指令）；

4、圆弧插补指令G02、G03（是刀具在给定的平面内沿着圆弧插补程序计算出来的圆弧轨迹，G02为顺时针，G03为逆时针，格式中X、Y、Z为圆弧的终点位置，圆心坐标I、J、K为圆心相对于圆弧起点的分矢量且总是为增量值）；

5、刀具半径补偿指G40（刀具偏置注销，即取消偏置值，仅用在G00或G01程序段中，用G40则G41和G42指令无效）、G41（左偏刀具半径补偿）、G42（右刀补），（使用G41或G42需事先输入刀具半径补偿值，通常用D或H，刀具半径补偿的程序格式：

刀补建立、刀补进行、刀补撤销）；

6、刀具长度补偿指令G43、G44；

7、零点偏移设置指令G54、G57、G43、G53；

8、绝对和相对编程指令G90、G91；

9、坐标平面选择指令G17（XY平面）、G18（ZX平面）、G19（YZ平面）；

辅助功能指令

1.程序停止指令M00；

2.计划停止指令M01（只有控制面板上的“选择停开关”处于接通状态时，才起作用）；

3.主轴控制指令M03（控制主轴顺时针方向转动）、M04（控制主轴逆时针方向转动）、M05（停止转动）；

4.换刀指令M06；

5.冷却液控制指令M07（用于雾状冷却液开）、M08（用于液状冷却液开）、M09（冷却液关）；

6.夹紧、松开指令M10、M11；

7.主轴及冷却液控制指令M13（主轴顺时针方向转动并冷却液开）、M14（主轴逆时针方向转动并冷却液开）；

8.程序结束指令M02（常用来使数控装置或机床复位）、M30（程序返回到初始状态）。

三．注意

①.G50S1000：

主轴最高转速限定为1000RPM

②.G70P5Q13：

精加工固定循环，首段程序号5，末段程序号13

③.G96S120：

控制主轴使切削点的速度保持在120m/min

④．T0101：

01号刀具01补偿号

⑤．G92X10.0Y20.0：

螺纹切削循环，位置坐标10、20

⑥．G80：

固定循环取消

⑦．G04P1000：

暂停1s;

⑧．M98P0001L3：

调用子程序0001，3次

⑨．M06T02：

将当前刀换为02号刀

第三章CNC装置及其接口电路

一.CNC装置应该具备以下功能：

（1）主轴功能

（2）进给功能

（3）准备功能即G功能。

（4）插补功能

（5）控制功能（6）辅助功能

（7）选刀及工作台分度功能

（8）补偿功能（9）固定循环功能

（10）字符、图形显示功能（11）诊断功能

（12）通讯功能（13）在线自动编程功能

二.硬件结构

1.单微处理器结构和多微处理器结构

2.单微处理器结构的CNC装置

●单微处理器结构的CNC装置并非只有一个微处理器（有的CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但只有一个能够控制系统总线，占有总线资源）；

●多采用“集中控制，分时处理”的方式来完成各项数控功能。

3.CPU是CNC装置的核心，它由运算器和控制器两个部分组成，运算器是对数据进行算术和逻辑运算的部件，控制器是统一指挥和控制数控系统各部件的中央机构。

4.单微处理器结构的CNC装置在逻辑上是面向总线的，按印刷电路板插接方式的不同分为大板结构和模块化结构。

5.多微处理器结构CNC装置

●多微处理器结构CNC装置的六种基本功能模块：

（１）CNC管理模块（２）CNC插补模块

（３）位置控制模（４）存储器模块

（５）PLC模块　（６）指令、数据的输入／输出及显示模块；

●多微处理器结构CNC装置的典型结构

（1）共享总线结构

（2）共享存储器结构

三.常见的CNC软件结构有前后台式软件结构和中段式软件结构

四．PLC

1.可编程序控制器简称PLC。

2.PLC采用循环（巡回）扫描工作方式工作。

3.数控机床中，PLC有内装型和独立型之分。

4.机床PLC的工作方式

数控机床用PLC的循环扫描程序分为高级顺序程序和低级顺序程序两个部分。

五．机床I/O接口

1.功能：

用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；还用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。

2.作用和要求：

①进行必要电隔离，防止干扰信号串入，防止高压串入对CNC装置的损坏；

②进行电平转换和功率放大。

3.机床I/O接口中常用的器件及电路有：

①光电耦合②簧式继电器

③固态继电器（SSR）④接口驱动电路

4.标准输入输出设备接口

①光电阅读机接口②键盘及其接口

③显示器及接口

第四章插补、刀具补偿与速度控制

一．插补

1.插补：

指数据密化的过程。

在对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坐标数据，即所谓数据密化，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个轮廓曲线的轨迹运行，以满足加工精度的要求。

2.普通用的插补算法有脉冲增量插补算法和数字增量插补算法两种。

3.脉冲增量插补就是通过向各坐标分配脉冲，来控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而实现刀具和工件之间的相对运动。

4.数子增量插补法就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线，由于这些微小线段是根据程编进给速度，按系统给定的时间间隔来进行分割，所以又称为“时间分割法”。

5.逐点比较法：

又称区域判别法或醉步式近似法。

其基本思路是：

当刀具按要求的轨迹移动，每走一步都要与规定的轨迹比较，根据比较的结果决定下一步的移动方向。

逐点比较法既可以实现直线插补，也可以实现圆弧插补。

6.逐点比较法直线插补的偏差判别函数是什么？

它与刀具位置有何关系？

①当Fii=0时，点P（xi，yi）正好落在直线上；

②当Fii＞0时，点P（xi，yi）落在直线的上方；

③当Fii＜0时，点P（xi，yi）落在直线的下方；

7.逐点比较法圆弧插补的偏差判别函数是什么？

它与刀具位置有何关系？

①当Fii=0时，点P（xi，yi）正好落在圆弧上；

②当Fii＞0时，点P（xi，yi）落在圆弧外；

③当Fii＜0时，点P（xi，yi）落在圆弧内；

二．刀具补偿

1.刀具补偿一般分成刀具长度补偿和刀具半径补偿

2.刀具半径补偿：

为了加工出符合图纸要求的零件轮廓，必须进行刀具半径偏移。

加工外轮廓时，应向轮廓外偏移一个刀具半径；加工内轮廓时，应向轮廓内偏移一个刀具半径，通常把这种偏移叫做刀具半径补偿。

3.在零件轮廓加工过程中，刀具半径补偿的执行过程分为三个阶段：

①刀具半径补偿建立②刀具半径补偿进行③刀具半径补偿注销

4.根据相邻两段编程轨迹矢量间夹角的不同，刀具补偿方式的不同，对应的刀具中心轨迹的转接过渡类型也不同，又可分为三种转接过渡类型：

缩短型、伸长型和插入型。

插入型又分为直线过渡型和圆弧过渡型。

三．闭环CNC装置的进给速度及加减速控制

1.在闭环CNC装置中，加减速控制多数都采用软件来实现，可放在插补前，也可放在插补后进行。

2.前加减速控制：

放在插补前的加减速控制。

3.后加减速控制：

放在插补后的加减速控制。

第五章伺服驱动系统

一、数控机床伺服系统

1.伺服驱动系统简称伺服系统（Servosystem），是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。

2.伺服驱动系统通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。

3.数控机床伺服系统控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。

4.数控机床对伺服驱动系统的基本要求

①高精度②可靠性高③快速响应，无超调④调速范围宽⑤低速扭矩大

二．检测装置

1.检测装置的作用是检测位移和速度。

2.检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。

3.系统精度是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值。

4.系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量。

5.感应同步器有鉴相和鉴幅两种工作方式。

6.光栅作为高精度位置检测装置，用在数控机床进给伺服驱动系统中，主要用来检测位移。

7.光栅由标尺光栅和光栅读数头两大部分组成。

8.根据光栅尺制造方法和光学原理的不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅。

9.光栅莫尔条纹有如下特点：

①放大作用；B=ω/θ②误差均化作用；③利用莫尔条纹测量位移。

10..编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字（脉冲）形式表示，故又为脉冲编码器。

它是数控机床上使用最为广泛的位置检测装置，也可以用于速度检测。

11.按测量的坐标系，脉冲编码器可分为增量式和绝对式。

脉冲编码器按码盘的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。

数控机床上使用光电脉冲编码器。

12.步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。

向步进电机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度称为一步。

由于步进电动机采用这种步进形式的运动方式，故称为步进电动机。

13.脉冲数量决定着步进电机的角位移（或线位移），脉冲频率决定着步进电机的旋转速度。

分配脉冲的相序改变后，步进电机则反转。

14.步进电机的步距角

步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：

式中：

α—步进电机的步距角；

m—电机相数；Z—转子齿数；

K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。

例1设欲加工第Ⅰ象限逆时针走向的圆弧AE（见图2-3）,起点A（4，3），终点E（0，5）。