数控技术3-数控装置.ppt

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上午12时45分,数控技术,1,第三章计算机数控装置（CNC）,内容提要本章将详细讨论CNC装置的基本功能；CNC装置的软件硬件结构；CNC装置的原理及实现方法。

上午12时45分,数控技术,2,第一节概述,上午12时45分,数控技术,3,第一章：

数控装置是机床数控系统的核心，在数控机床中扮演着大脑的角色，并对其主要作用也有了一个概括性的了解第二章：

G代码编程,把一个加工任务用数控机床能够听懂的语言-G代码程序,表达出来,送给计算机数控装置第四章：

进给伺服系统,作用是接受数控装置的指令,驱动机床的工作台、主轴等部件完成加工任务本章是重点。

第一节概述,上午12时45分,数控技术,4,1.接通电源：

检查机床状态是否正常、电源电压是否符合要求，接线是否正确；按下控制面板上的“急停”按钮；接通机床、数控系统电源；检查风扇电机运转是否正常、面板上的指示灯是否正常。

接通电源后，数控系统将自动运行系统软件，显示装置会显示系统上电屏幕（软件操作界面）。

2.复位：

系统进入软件操作界面时，若工作方式为“急停”，需旋转并拔起控制面板上的“急停”按钮使系统复位，以接通伺服电源。

然后，机床操作者可按软件操作界面的菜单提示，运用NC键盘和控制面板，进行手动回参考点、点动进给、增量（步进）进给、手摇进给、自动运行、手动机床动作控制等操作，控制系统运行，完成操作者期望的动作。

、CNC系统的一般操作过程,上午12时45分,数控技术,5,3.返回机床参考点：

系统接通电源、复位后，应进行机床各轴手动回参考点操作（使用绝对式测量装置时，可不回参考点），以建立了机床坐标系，为自动运行奠基。

回参考点的一般操作方法：

置工作方式为“回零”；选择回参考点坐标轴，按回参考点启动按钮；被选轴将快速移近参考点；碰到参考点开关后减速运行；当检测反馈基准脉冲时，被选轴停止运行，回参考点结束，此时回参考点指示灯亮。

4.手动进给

（1）点动进给：

置工作方式为“点动”；选择点动进给轴，按压点动按钮；被选轴将产生正向或负向连续移动；松开点动按钮，被选轴减速停止。

可同时按压“快进”按钮。

、CNC系统的一般操作过程,上午12时45分,数控技术,6,4.手动进给

（2）增量进给：

置工作方式为“增量”；选择增量进给轴，按一下增量进给按钮；被选轴将向正向或负向移动一个增量值；松开并重新按一下增量进给按钮，被选轴继续移动一个增量值。

（3）手摇进给：

置工作方式为“手摇”；选择手摇进给轴；顺时针或逆时针旋转手摇脉冲发生器一格，被选轴将向正向或负向移动一个增量值。

5手动机床动作控制：

主轴正转；主轴反转；主轴停止；冷却启动与停止；卡盘夹紧与松开,、CNC系统的一般操作过程,上午12时45分,数控技术,7,6.自动运行：

置工作方式为“自动”，在菜单提示下，选择要运行的零件程序，按下“循环启动”按钮，自动加工开始；自动运行过程中，按下“进给保持”按钮，自动运行暂停，运动轴减速停止；在暂停状态下，按下“循环起动”按钮，系统将重新启动，从暂停前的状态继续运行。

自动方式下，按下“空运行”按钮，CNC处于空运行状态，坐标轴以快移速度移动，空运行一般用于零件程序的校验，不做实际切削。

自动运行前，按下“机床锁住”，再按“循环启动”按钮，系统执行零件程序，显示装置显示坐标轴位置信息变化，但不输出轴移动指令，机床停止不动。

此功能亦用于校验程序。

、CNC系统的一般操作过程,上午12时45分,数控技术,8,7.紧急情况的处理

（1）急停：

危险情况下，按下“急停”按钮，CNC进入急停状态，伺服轴及主轴立即停止工作；确认故障排除后，松开“急停”按钮，CNC进入复位状态。

急停解除后应重新回参考点。

上电、关机之前应按下“急停”按钮以减少设备电冲击。

（2）超程解除：

为防止伺服机构损坏，当碰到行程极限开关开关时，超程报警，系统视为紧急停止。

退出超程状态：

松开“急停”按钮，置工作方式为“点动”或“手摇”；一直按压“超程解除”按钮（控制器暂时忽略超程状况）；在点动（手摇）方式下，使该轴向相反方向退出超程状态；松开“超程解除”按钮。

8.关机：

按下“急停”按钮，断开伺服、系统、机床电源。

、CNC系统的一般操作过程,上午12时45分,数控技术,9,功能：

满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。

基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能（对用G代码或其它语言表达的加工任务进行解释、分析、计算，分解为伺服系统可以接收的动作指令，并输出给伺服系统，以驱动执行部件完成加工任务）；选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,10,1、进给控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数。

CNC的进给轴分类：

移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）。

联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,11,2.准备功能（G功能）指令机床动作方式的功能。

已在第二章介绍。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,12,3.插补功能和固定循环功能插补功能数控系统实现零件轮廓（二次曲线、样条、空间曲面）加工轨迹运算的功能。

固定循环功能数控系统实现典型加工循环（如：

钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能,二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,13,4.进给功能进给速度的控制功能。

进给速度控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。

同步进给速度实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r（inch/min）。

进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,14,5.主轴功能主轴切削速度、周向位置控制功能。

主轴转速主轴转速的控制功能，单位：

r/min。

恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。

单位：

（m/min）,二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,15,主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。

C轴控制主轴周向任意位置控制的功能。

主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,16,6.辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。

已在第二章介绍。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,17,7.刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。

刀具几何尺寸管理：

管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用；刀具寿命管理：

管理时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示更换刀具；刀具类型管理：

用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,18,8.补偿功能刀具半径和长度补偿功能：

实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。

传动链误差补偿：

包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。

非线性误差补偿功能：

对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,19,9.人机对话功能在CNC装置中这类功能有：

菜单结构、操作界面；零件加工程序的编辑环境；加工的动、静态跟踪显示；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,20,10.自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。

开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,21,11.通讯功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP（制造自动化协议）模块，网卡适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。

二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,22,12.编程功能G代码篮图编程部分自动编程功能,二、CNC装置的功能,上午12时45分,数控技术,23,数控机床的中心目标是根据输入的零件程序，加工出符合图纸要求的零件。

因此，CNC系统的核心（首要）任务是控制零件程序的自动执行。

三、CNC系统要处理的主要任务,G92X0Z0G91G01Z-100F200G01X100,上午12时45分,数控技术,24,此外，CNC为了更好地执行零件程序，需要进行辅助和配合零件程序首先需输入（MDI、输入装置和通信）CNC装置；输入的零件程序如果有错还应该能编辑修改；零件程序的解释与执行往往需要通过MCP上的按钮、旋钮和机床检测开关（如参考点开关、行程极限开关等）的开闭来激活或暂停（如“循环启动”激活解释与执行，“进给保持”暂停解释与执行，自动执行前，需手动回参考点），所以CNC要能接收来自MCP的操作指令和来自机床的检测输入，并准确地加以执行（控制程序执行及输出相应的开关控制量）；执行过程最好能显示在显示装置上供操作者观察。

三、CNC系统要处理的主要任务,上午12时45分,数控技术,25,可见，数控系统要处理的主要任务有：

零件程序的解释与执行；零件程序的输入、编辑与校验；控制面板操作指令和机床检测输入的处理；系统状态显示；故障报警和诊断；系统管理。

三、CNC系统要处理的主要任务,上午12时45分,数控技术,26,编程人员在编好零件程序后，由操作人员输入至数控装置的零件程序存储区。

加工时，操作者可用菜单命令调入零件程序到加工缓冲区，数控装置在采样到来“循环启动”指令后，即对零件程序进行自动处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），加工出符合图纸要求的零件。

四、CNC系统对零件程序的处理流程,数控装置,上午12时45分,数控技术,27,l译码：

将输入的零件程序段翻译成CNC控制所需的信息；l刀补处理：

将编程轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹，从而大幅减轻编程人员的工作量；l速度处理：

解决加工运动的速度问题；l插补：

一方面，它将经过刀补处理的编程零件轮廓（直线，圆弧等），按编程进给速度，实时分割为各个进给轴在每个插补周期内的位移指令，并将插补结果作为输入送位置控制程序处理；另一方面，它从插补预处理结果中分离出辅助功能、主轴功能、刀具功能等，并送PLC控制程序处理。

l位置控制：

控制各进给轴按规定的轨迹和速度运行，即实现成形运动。

lPLC控制：

实现机床切削运动和机床I/O控制。

四、CNC系统对零件程序的处理流程,上午12时45分,数控技术,28,第二节译码,上午12时45分,数控技术,29,1、译码（解释）涵义将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序（数控加工的原始依据，含有待加工零件的轮廓信息，工艺信息和辅助信息），以程序段为单位转换成后续程序（刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。

第二节译码,上午12时45分,数控技术,30,2、译码缓冲区译码数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息，主要有：

X、Y、Z等坐标值；进给速度F；主轴转速S；准备功能G；辅助功能M；刀具功能T、H；子程序处理和循环调用处理等数据或标志等。

在数控系统中，习惯上称存放此数据结构的存储区为译码缓冲区。

第二节译码,上午12时45分,数控技术,31,StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/缓冲区状态，0空；1准备好。

intblock_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。

intF,S；/F（mm/min）S（r/min）。

charG0；/以二进制位存放G指令。

charG1；charM0；/以二进制位存放M指令。

charM1；charT；/存放本段换刀的刀具号。

longc_radius；/刀具半径补偿号D对应的刀具半径longc_length；/刀具长度补偿号h对应的刀具长度/待续,第二节译码,上午12时45分,数控技术,32,/坐标系变换参数doublex_offset;/工件坐标系X轴方向偏置值doubley_offset;/工件坐标系Y轴方向偏置值doublez_offset;/工件坐标系Z轴方向偏置值/坐标参数doublex_prog；/X轴编程坐标位置值doubley_prog；/Y轴编程坐标位置值doublez_prog；/Z轴编程坐标位置值longi，j，r；/园心及半径doublex_mid_g28;/X轴G28中间点doubley_mid_g28;/Y轴G28中间点doublez_mid_g28;/Z轴G28中间点longdealy_time;/延时时间（单位:

毫秒）；,第二节译码,上午12时45分,数控技术,33,以二进制位形式存放G指令示例,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,G00,0,：

无该指令；,1,：

有该指令,G01,0,：

无该指令；,1,：

有该指令,G02,0,：

无该指令；,1,：

有该指令,G03,0,：

无该指令；,1,：

有该指令,G90/G91,0,：

G90,；,1,：

G91,G06,0,：

无该指令；,1,：

有该指令,00,：

G40,；,11,：

G40,01,：

G41,；,10,；,G42,第二节译码,上午12时45分,数控技术,34,在系统中一般有若干个这种结构组成的译码缓冲区组：

l首先刀具半径补偿是根据相邻两个程序段的转接情况处理的；l其次，设置多个译码缓冲区是避免程序段间停顿、提高系统性能的有效手段，如高性能的GE-FANUC15系统可预处理64个程序段，以便实时预测轨迹形状和进行速度平滑修正；l最后，译码任务在CNC系统属实时性较低的任务，为充分利用CNC系统的空闲时间也需设置多个译码缓冲区。

当前程序段解释完后便将其译码信息送入缓冲区组中空闲的一个。

第二节译码,上午12时45分,数控技术,35,译码缓冲区组的管理：

多个译码缓冲区是一种先进先出的环形对列，即最后一个缓冲区的下一个为第1缓冲区，缓冲区的管理通过设置指针来实现：

第二节译码,上午12时45分,数控技术,36,3、译码准则刀具上一段运动的终点是下一段运动的起点；译码按零件编程轮廓进行，但它必须为刀补程序准备好半径和刀具补偿值；译码以机床坐标系为基准；模态代码具有继承性（下一程序段是在继承上一程序段模态信息的前提下进行译码的，同组的模态代码如果一个也没有指定，则以缺省值作为指定值）,第二节译码,上午12时45分,数控技术,37,4、译码过程,第二节译码,上午12时45分,数控技术,38,5、坐标值的译码1）增量编程译码例如：

G91G01X100Y200CNC对该程序段进行译码时，需把G91后的编程增量值换算为机床坐标系下的绝对坐标值，换算公式为x_progx_progXy_progy_progYz_progz_progZx_prog、y_prog、z_prog是程序段终点在机床坐标系下的绝对坐标值；X、Y、Z是本段编程的增量值（本例为100、200、0）,第二节译码,上午12时45分,数控技术,39,5、坐标值的译码2）工件坐标系编程译码（G54G59编程）例如：

G54G90G01X500Y400Z100译码时，首先要把系统存储记忆的G54坐标系偏置值读出，并存入x_offset、y_offset、z_offset；然后把G54下的编程值换算为机床坐标值，换算公式为x_progx_offsetXy_progy_offsetYz_progz_offsetZX、Y、Z是本段编程坐标值（本例为500、400、100）,第二节译码,上午12时45分,数控技术,40,5、坐标值的译码2）工件坐标系编程译码（G92编程）例如：

G92X10Y20Z30译码时，需计算新设置的工件坐标系偏置值，并存入x_offset、y_offset、z_offset，计算公式为x_offsetx_prog-Xy_offsety_prog-Yz_offsetz_prog-Zx_prog、y_prog、z_prog是对刀点在机床坐标系中的坐标值后续程序段如果采用绝对值编程，需把编程坐标值换算为机床坐标系下的坐标值，换算公式为x_progx_offsetXy_progy_offsetYz_progz_offsetZ,第二节译码,上午12时45分,数控技术,41,5、坐标值的译码3）公英制编程译码不加专门指定，CNC默认坐标值的单位是公制（mm）。

如果程序段中编入了G20，说明后面的坐标值单位是英制（inch），这就需要进行换算。

实际上的换算很简单，只要把编程值乘以25.4，再转换为二进制即可。

第二节译码,上午12时45分,数控技术,42,5、译码举例N06G90G41D11G01X200Y300F200；系统初始化时，把所有的译码缓冲区清0，并把第一译码缓冲区的模态代码（G、M、S、F）置为缺省值；当操作者选择了零件程序，按下“循环启动”键后，系统程序激活译码子程序，对其进行译码，读入第1程序段的信息，并将其相应编程值覆盖缺省值。

第二节译码,上午12时45分,数控技术,43,N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789-StructPROG_BUFFERcharbuf_state；0：

（开始）；1（；）intblock_num；06（N06）intF,S；F=200；（F200）charG0；D5=0；（G90）D6,D7=0,1（G41）D1=1；（G01）longc_radius；c_radius=D11对应的刀具半径doublex_offset;x_offset=G54偏置值doublex_prog；x_prog=x_offset200000；（X200）doubley_prog；y_prog=y_offset300000；（Y300）；,第二节译码,上午12时45分,数控技术,44,第三节刀具半径补偿,上午12时45分,数控技术,45,一、刀具半径补偿的基本概念1、什么是刀具半径补偿（ToolRadiusCompensation）根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,46,、刀具半径补偿功能的主要用途,实时将编程轨迹变换成刀具中心轨迹。

可避免在加工中由于刀具半径的变化（如由于刀具损坏而换刀等原因）而重新编程的麻烦；刀具半径误差补偿。

由于刀具的磨损引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可；减少粗、精加工程序编制的工作量。

由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。

加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,47,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,48,、刀具半径补偿的常用方法：

B刀补：

编程复杂；工件尖角处工艺性不好采用读一段、算一段、再走一段控制方法，仅根据本程序段编程轮廓尺寸进行刀具半径补偿。

因此，B刀补要求编程轮廓间以圆弧连接，并且连接处轮廓线必须相切；而对于内轮廓的加工，为了避免刀具干涉，必须合理地选择刀具的半径（应小于过渡圆弧的半径）。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,49,C刀补：

在现代CNC系统中得到了广泛的应用C刀补在计算刀具中心轨迹时，除了读入本段编程轮廓外，还提前读入下一段编程轮廓，并根据转接情况，自动计算出本段刀具中心轨迹：

A,B,C”,C,B,A,G41,刀具,G42,刀具,编程轨迹,刀具中心轨迹,C,可完全按工件轮廓编程而不必插入转接圆弧尖角工艺性好可实现过切自动预报（内轮廓加工时），避免产生过切,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,50,.刀具半径补偿的工作原理,.刀具半径补偿的工作过程刀补建立刀补进行刀补撤销。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,51,.C刀补的转接形式和过渡方式,转接形式根据前后两编程轨迹的不同，刀具中心轨迹有不同连接方法。

在一般的CNC装置中，均有园弧和直线插补两种功能。

对由这两种线形组成的编程轨迹有以下四种转接形式,直线与园弧园弧与园弧,直线与直线转接直线与园弧转接,园弧与直线转接园弧与园弧转接,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,52,过渡方式,过渡方式：

两编程轨迹间，刀具中心轨迹过渡连接形式。

矢量夹角：

指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,53,根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀补方向的不同，过渡方式有以下几种：

缩短型：

矢量夹角180o刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。

伸长型：

矢量夹角90o180o刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。

插入型：

矢量夹角90o在两段刀具中心轨迹之间插入若干段直线的过渡方式。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,54,.刀具中心轨迹的计算（刀具半径补偿的处理）,刀具半径补偿的任务是对不同的编程轨迹计算出合理的刀补路径，即刀具中心轨迹。

针对各种转接形式和过渡方式，以及刀补的不同阶段（建立、进行、撤消），刀具半径补偿的处理如下面两表所示。

表中实线表示编程轨迹；虚线表示刀具中心轨迹；为矢量夹角；r为刀具半径；箭头为走刀方向。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,55,刀具半径补偿的建立和撤消,形式,转接,夹角,矢量,刀补建立,（,G42,）,刀补撤消,（,G42,）,直线,-,直线,直线,-,圆弧,直线,-,直线,圆弧,-,直线,过渡,方式,180,o,缩,短,型,90,o,180,o,伸,长,型,90,o,插,入,型,r,r,r,r,r,r,r,r,r,r,r,r,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,56,刀具半径补偿的进行过程,90,o,插,入,型,r,r,r,r,r,r,r,r,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,57,.刀具半径补偿的实例,读入OA，判断出是刀补建立，继续读下一段。

读入AB，因为OAB90o，段间转接的过渡形式是插入型。

则计算出a、b、c的坐标值，并输出直线段oa、ab、bc，供插补程序运行。

c,b,a,B,A,O,C,D,E,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,58,读入BC，因为ABC90o，段间转接的过渡形式是插入型。

计算出d、e点的坐标值，并输出直线cd、de。

读入CD，因为BCD180o，段间转接的过渡形式是缩短型。

计算出f点的坐标值，由于是内侧加工，须进行过切判别（判别原理和方法见后述），若过切则报警，并停止输出，否则输出直线段ef。

f,e,d,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,59,读入DE（假定为撤消刀补段），因为90oCDE180o，段间转接的过渡形式是伸长型。

计算出g、h点的坐标值，然后输出直线段fg、gh、hE。

刀具半径补偿处理结束。

g,h,第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,60,.加工工过程中的过切判别原理,前面我们说过C刀补能避免过切现象，是指若编程人员因某种原因编制出了肯定要产生过切的加工程序段，系统在运行过程中能自动提前发出报警信号，避免过切事故的发生。

下面将就过切判别原理进行讨论。

第三节刀具半径补偿原理,上午12时45分,数控技术,61,.直线加工时的过切判别,如右图所示，当被加工的轮廓是直线段时，若刀具半径选用过大，就将产生过切削现象。

图中，编程轨迹为ABCD，B为对应于AB、BC的刀具中心轨迹的交点。

当读入编程轨迹CD时，就要对上段刀具中心轨迹BC进行修正，确定刀具中心应从B点移到C点。

显然，这时必将产生如图阴影部分所示的过切削。

A,D,C,B,C,D,B,A,编程轨迹,刀具中心轨迹,过切削