机床数控原理复习资料Word文档下载推荐.docx
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15.进给功能字：
F，功能是指令切削的进给速度；
16.主轴转速功能字：
S；
主要来指定主轴转速或速度，单位RPM或mm/min
17.刀具功能字：
T；
用来选择刀具
18.辅助功能字：
M；
用来指令数控机床的辅助动作及其状态。
第二章数控系统的插补与刀具补偿原理
1.插补是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线型的要求，在已知数据点之间插入中间点的方法。
2.插补运算类型：
①基准脉冲插补（数字脉冲乘法器插补法、逐点比较法、数字积分法、矢量判断法、比较积分法、最小偏差法、目标点跟踪法、直接函数法、单步跟踪法、加密判别和双判别法）；
②数据采样插补（直接函数法、扩展数字积分法、二阶递归扩展数字积分圆弧插补法、圆弧双数字积分插补法、角度逼近圆弧插补法、ITM法）；
3.刀具补偿分为两种，刀具长度补偿；
刀具半径补偿；
刀具补偿指令：
G43，正补偿；
G44负补偿
4.刀具半径补偿作用：
①根据刀补指令，数控机床可自动进行刀具半径补偿；
②当刀具有少量磨损时，只需要对刀补参数做适当的修改即可；
③在进行粗加工时运用刀具半径补偿，无需修改刀具尺寸或建模尺寸而重新生成新的程序，只需在数控机床上对刀补参数做适当的修改即可。
5.逐点比较插补的步骤：
①差别判别：
判别刀具当前的位置与实际轮廓的偏离情况，决定刀具的走向；
②进给控制：
根据判定结果，控制刀具进给，向给定的轮廓逼近，减少偏差；
③新偏差计算：
进给后产生新的位移变差，进一步计算，为下一次偏差判别做准备；
④终点判别：
判定刀具是否到达预设的轮廓终点，如果没有，继续差别判断，如果已经到达，插补完成。
6.第一象限直线插补原理：
如图第一象限直线段插补，用户给出起点和终点坐标，令起点坐标为坐标原点，终点为Pe（xe,ye）,插补点Pi的坐标为（xi,yi）（i=1，2，3）：
1差别判断：
直线OPe，OPi与x轴的夹角分别为αe，αi，则：
tanαe=ye/xetanαi=yi/xi
若插补点P1（xi，yi）恰在直线上，则：
tanαe=tanαifi=yixe-xiye=0
若插补点P1（xi，yi）恰在直线上方，则：
tanαe＞tanαifi=yixe-xiye＞0
若插补点P1（xi，yi）恰在直线下方，则：
tanαe＜tanαifi=yixe-xiye＜0
综上所述，令偏差函数fi=yixe-xiye则有
fi=0，则插补点（xi，yi）恰在线上；
fi＞0，则插补点（xi，yi）恰在线上方；
fi＜0，则插补点（xi，yi）恰在线下方；
2
进给控制:
当fi≥0时，向﹢x方向进给一步；
当fi＜0时，向﹢y方向进给一步；
3新偏差计算：
判别函数的计算由递推迭加的方法实现
如果向﹢x向进给一步，则
fi+1=yi+1xe-xi+1ye=yixe–（xi+1）ye=fi-ye
同理，如果向﹢y向进给一步，则
fi+1=yi+1xe-xi+1ye=（yi+1）xe–xiye=fi+ye
4终点判别：
单向计数，取xe和ye中较大的作为计数长度；
双向计数，将xe和ye的长度相加作为计数长度；
分别计数，即计x又计y,直到x减到0，y也减到0，停止插补。
逐点比较法直线插补实例：
设脉冲当量=1，起点（0,0），终点（5,4）。
解：
①xe+ye=5+4=9，所以总步数为9步
该直线为第一象限直线，fi≥0，则想+x方向进给一步，fi+1=fi-ye;
fi＜0，则想+y方向进给一步，fi+1=fi+xe
序号
偏差判别
进给控制
偏差计算
终点判断
1
f0=0
+x
f1=f0-ye=0-4=-4
8
2
f1＜0
﹢y
f2=f1+xe=-4+5=1
7
3
f2＞0
﹢x
f3=f2-ye=1-4=-3
6
4
f3＜0
f4=f3+xe=-3+5=2
5
f4＞0
f5=f4-ye=2-4=-2
f5＜0
f6=f5+xe=-2+5=3
f6＞0
f7=f6-ye=3-4=-1
f7＜0
f8=f7+xe=-1+5=4
9
f8＞0
f9=f8-ye=4-4=0
第一象限逆圆弧插补原理：
公式：
fi＞0，走-x,fi+1=fi-2x+1,x=x-1,y=y
fi≤0，走+y，fi+1=fi+2y+1,x=x,y=y+1
7.C功能刀具直线过渡的转接类型判别：
根据两段轨迹的矢量夹角和刀具补偿的方向不同，有以下几种转接过渡方式：
①180°
≤α≤360°
，缩短型；
②90°
≤α＜180°
，伸长型；
③0°
≤α＜90°
，插入型；
8.在脉冲增量式插补算法中，可以通过改变插补周期T来控制进给速度；
在数据采集算法中，进给速度与插补周期没有直接联系，按照加减速控制算法与插补算法的先后位置关系，可分为前加减速控制和后加减速控制两种方案。
加减法控制的方法分为梯形、指数型、抛物线型和复合曲线加减速法等
9.逐点比较法实现4象限直线插补和逆圆插补的计算过程：
10.数字积分法实现第1象限直线插补的计算过程；
11.与直线插补比较，数字积分法实现第一象限逆圆插补的异同之处：
与直线插补类似，圆弧插补也可由两个数字积分器来实现，两者之间所不同的是直线插补是被积函数为常量（kxe,kye）,而圆弧插补被积函数为变量（kxi,kyi），且随着溢出脉冲变化而不断变化。
第三章数控系统的软硬件及相关技术
1.CNC系统的定义：
也称数控系统，是实现数字控制的装置。
2.CNC系统的结构：
操作面板，输入输出装置，PLC，CNC装置，伺服单元，驱动装置，测量单元
3.CNC软件的组成：
由管理软件和控制软件组成。
4.单微处理器的结构特点：
单微处理器是指在CNC装置中只有一个微处理器，工作方式为集中控制、分时处理CNC的各项任务。
特点：
①结构简单，容易实现；
②处理器通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换；
③由于只有一个微处理器来集中控制，其功能受到微处理器字长、数据宽度、寻址功能和运算速度等因素的限制；
由于插补等功能由软件实现，因此，数控功能的实现与处理速度成为一对矛盾。
5.多微处理机结构的特点：
多微处理器结构的CNC装置将数控系统的总任务划分为多个子任务，也称为功能模块，每个子任务由一个独立的CPU来控制。
在多微处理器结构中，CPU之间有两种耦合形式，即紧耦合和松耦合。
紧耦合结构由各微处理构成处理部件，有集中的操作系统，。
共享资源；
松耦合结构由各微处理器构成处理模块，有多种操作系统。
可有效地进行并行处理。
目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式系统总线式多主CPU系统和分布式系统。
在该系统中，有一个主处理器，其他则是从微处理器。
各微处理器都是完整而独立的系统。
只有主微处理器能控制总线并访问总线上的资源，主微处理器通过该总线对未处理器进行控制、监控，并协调整个多微处理器的操作；
从微处理器只能被动地执行主微处理器发出的指令或完成一些特定的功能，不能与主微处理器一起进行系统的决策和规划等工作，且一般不能访问系统总线上的资源。
主从微处理器间的通信可以通过I/O接口进行应答，也可以采用双端RAM技术进行，即通信的双方都通过自己的总线读写同一个存储器。
总结两类①共享总线结构②共享存储器结构。
6.多微处理器区别于单微处理器的最显著特点是通信，CNC各项任务和职能都是依靠组成系统的各CPU之间的相互通信配合完成的。
多微处理器结构的CNC的典型通信方式由共享总线和共享存储器两类。
7.CNC系统的多任务并行处理特性：
CNC是一个专用的实时多任务操作系统，他的系统程序包括管理和控制两大任务。
系统管理包括通信、显示、诊断、零件程序输入/输出以及人机界面管理（参数设置、程序编辑、文件管理等），这类程序实时性要求不高；
系统控制包括：
译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量输入输出控制等。
并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔处理两个或两个以上的性质相同或不相同的工作。
并行处理的优点是提高了运行速度。
8.CNC系统控制软件的输入、译码、预计算、插补计算、输出等模块的工作过程：
输入：
CNC系统通过纸带阅读器或其他读取设备输入零件程序，采用中断方式，在系统程序中通过自带的中断程序读入一个字符至接口中时，就向主机发出中断，由中断服务程序将该字符送入内存，每一个按键则向主机申请一次中断，调出一次键盘服务程序，对应的键盘命令进行处理。
译码：
经过输入系统工作，将数据段送入零件程序存储后，由译码程序将输入的零件程序数据段翻译成本系统能识别的语言。
预计算：
在插补运算前进行的数据预处理，目的是为了提高系统实时处理能力和减轻插补运算的工作负担。
预计算通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、象限及进给方向判断、进给速度换算和机床辅助功能判断等
插补计算：
插补计算是CNC计算中最重要的计算工作之一。
在软件系统中计算所需的插补轨迹这些数字电路必须由计算机的成形来模拟
输出：
①进行伺服控制。
②当进给脉冲改变方向是，要进行反向间隙补偿处理。
③进行丝杠螺距补偿。
④M、S、T等辅助功能的输出。
9.CNC系统的网络通信协议及接口
网络标准及协议：
①开放系统互联参考模型OSI/RM。
②TCP/IP协议。
③IEEE802标准
现场总线接口：
①SERCOS数字驱动接口。
②BROFIBUS
10.CNC装置的中断处理的类型和特点：
中断的类型主要有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断、程序性中断。
外部中断：
主要有光带阅读机读孔中断、外部监控中断（急停等）和键盘输入中断。
光带阅读机读孔中断和外部监控中断通常定义为优先级，键盘输入定义为较低的优先级
内部定时中断：
主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。
硬件故障中断：
由各种硬件故障检测装置发生的中断，如存储器出错，定时器出错及插补周期超时等
程序性中断：
程序中出现的各种异常情况的报警中断、如溢出、除零等。
11.数控系统I/O接口电路的作用和类型：
作用：
①进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的冲击破坏；
②进行电平转换和功率放大。
类型：
①开关量I/O接口；
②模拟量的I/O接口；
③机床控制I/O接口电路
第四章数控机床伺服驱动系统
1.伺服系统是数控机床重要的组成部分，是以位置为主要控制对象的自动控制系统，对位置的控制是以对速度控制为前提的，而伺服电动机及其速度控制单元只是伺服控制系统中的一个组成部分。
数控机床的进给伺服系统有伺服电路、机械驱动装置、机械传动装置及执行部件组成；
伺服系统按调节理论分类：
开环、半闭环、闭环、混合闭环；
按使用的驱动元件分为：
电液伺服系统、电气伺服系统；
按进给驱动和主轴驱动分类：
进给伺服系统、主轴伺服系统；
按反馈比较控制方式分类：
脉冲、数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统、全数字伺服系统。
2.步进电机步距角公式：
m是相数，
Zr是转子齿数，
单相或双相通电C=1，单双相轮流通电C=2.
3.步进式伺服系统的特点：
1可以用数字信号直接进行开环控制，整个控制系统较简单
2转速与脉冲信号的频率成正比，因此，转速范围较宽
3步进电机的启动、停止、正反转、变速等比较容易实现，响应特性较好
4角度误差小，没有累积误差
5容易与数字控制器接口
6固有的高转矩、位置增益
7停转时，能高度保持转矩以确定其位置
8只有定子发热，容易冷却
9允许开环速度控制
10步进电机的转角与输入脉冲数完全成正比。
同时，步进电机的缺点有
1步进电机带有惯性负载能力较差
2不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备驱动器
3步输出转矩随着转速的升高而下降
4从应用的角度上来说，严重制约步进电机的问题是失步和震荡。
4.直流伺服系统的特点：
直流伺服系统具有灵活、方便、听话等特点；
控制简单、调速性能优异；
由于机械换向装置的引入，起成本高，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰；
电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。
5.交流伺服系统的特点：
交流电机特别是感应电机克服了直流电机的换向器、电刷易磨损，换向产生火花等缺点，且转子惯量小，动态响应好，容量较大，能达到更高的电压和转速。
6.步进电机的种类：
按工作原理分：
①反应式VR型②永磁式PM型③混合式HB型；
用于数控机床驱动的电机主要有两类：
混合式和反应式。
反应式目前应用最广。
7.直流伺服电动机组成方案：
系统的精度仅仅取决于电动机伺服轴编码器，避免传动机构（如蜗轮蜗杆等减速装置）的误差。
被直流控制系统通过三种控制量来控制机床的传动及位置精度：
①转矩/电流控制②速度控制③位置控制，即所谓的三环反馈控制系统：
电流环、速度环、位置环。
8.PWM（脉冲宽度调制）驱动系统及数学模型：
直流电机电枢电压的控制和驱动是通过半导体功率器件完成的。
半导体功率器件可分为两种：
线性放大驱动和开关驱动。
线性放大驱动控制简单，输出波动小，线性好。
但是效率和散热问题严重。
适用于微小功率直流电机。
大多数采用开关驱动的方式。
即通过PWM来控制电枢电压，实现调速。
α表示了在一个周期T内，开关管导通的时间长短与周期的比值。
其变化范围0~1，当店员电压Us恒定时，电枢的端电压的平均值取决于占空比α的大小，改变α的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
这就是调速原理。
以下三种方法都可以改变占空比的值：
定宽调频、调宽调频、定频调宽。
目前主要使用定频调宽法。
9.无刷直流电机伺服控制系统的结构：
（电源模块、功率逆变和保护单元、检测单元、数字控制电路单元）
10.交流伺服系统的组成单元和结构：
交流伺服系统通常通过三环控制（位置控制、速度控制、电流控制）
11.交流伺服系统控制策略：
控制策略主要包括交流电机控制技术和系统的主要调节策略；
①交流伺服电机的变频调速②交流伺服电机的矢量控制调速。
12.伺服驱动系统的接口类型和作用：
1电源接口：
电源接口一般采用端子接线的形式。
2指令接口：
模拟量接口、脉冲接口、通信指令接口、总线式指令接口
3控制接口：
输入信号接口，接受CNC、PLC以及其他设备的控制指令
4状态与安全报警接口：
输出信号接口
5通信接口：
高级调试和控制功能，常用RS232、RS485
6反馈接口：
位置、速度检测反馈、位置反馈
7电动机电源接口
13.伺服驱动装置选型的原则：
①实用性②经济性③稳定可靠性④可操作性
14.伺服驱动装置的常用类型：
目前主要有步进电机驱动和交流伺服驱动两大类，步进电机一般应用于加工精度和进给速度要求不高的经济型数控机床，采用步进电机的数控机床分辨率一般为0.01mm，最快移动速度5m/min以下，步进电机一般在转速1000rpm以下工作。
永磁交流电机则用于中高档的数控机床，分辨率可以达到0.001mm，最快移动速度10m/min以上，交流伺服电机的额定转速一般为2000rpm。
15.步进式伺服系统、直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统的组成和作用：
第五章数控机床主轴驱动系统
1.数控机床主轴驱动系统包括主轴驱动放大器、主轴电动机、传动机构、主轴组件、主轴信号检测装置及主轴辅助装置
2.数控机床对主轴控制的要求
1调速范围：
要满足不同机床对调速范围的不同要求。
2主轴的旋转精度和运动精度：
3主轴的调速是依指令自动进行的，要求能在较宽的范围内进行无极调速，减少中间环节，简化主轴。
4要求主轴在整个范围内都能提供切削所需的功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电机的最大功率，即恒功率范围要宽
5要求主轴正反转时均可进行自动加减速控制，即要求具有四个象限驱动能力，并且加减速时间短
6主轴具有高精度的准停控制。
7具有旋转进给（C轴）的控制功能。
3.主轴驱动装置的功能：
1输出功率大
2在调速范围的速度稳定，恒功率范围宽
3加速时间短
4电机温升低
5振动噪音小
6可靠性高，寿命长、易维护
7体积小重量轻
主轴驱动装置的类型：
1直流主轴驱动装置
2交流主轴驱动装置：
交流异步伺服系统、交流同步伺服系统
4.数控装置与模拟主轴连接信号原理:
数控装置通过控制接口和PLC输入输出接口，连接各种主轴驱动器，实现正反转、定向、调速等控制，还可以外接主轴编码器，实现螺纹车削和铣床上的刚性攻丝功能。
1主轴启停（Y1.0停，Y1.1启）
2主轴速度控制（S800，±
10V）
3主轴编码器连接（螺纹、攻丝、转速在系统上显示，差分编码器）
5.主轴变速控制的类型和控制方法：
1有级变速：
配以齿轮变速的经济型数控机床
2无级变速：
交流或直流主轴伺服电动机（常用），以笼型感应交流电机配置矢量变换变频调速系统实现。
3分段无级变速：
在交流或直流主轴伺服电动机配以齿轮变速的数控机床（常用），在无级变速的基础上，配以齿轮传动装置实现分段无级变速。
6.自动换挡的工作时序M41~M44：
首先要在数控系统参数区设置M41~M44四挡对应的最高主轴转速，系统根据当前S指令值，判断应处的档，并自动输出相应的M41~M44指令给PLC及对应的挂挡齿轮，数控装置输出相应电压。
1当数控系统读到有档的变化S指令时，则输出相应的M代码（M41~M44）输出信号至PLC。
250ms后，CNC发出M对应选择的M信号Mstrobe,指令PLC读取并执行M代码，Mstrobe持续100ms确保M代码稳定，读数准确。
3PLC接受到Mstrobe信号后，立即使M完成信号为无效，告诉系统正在执行。
4PLC开始对M代码进行译码，并执行相应的换挡控制逻辑。
5M代码输出200ms后数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量，使主轴慢速转动或振动，已解决齿轮顶齿问题。
6PLC完成换挡后，置M信号有效，并告诉系统换挡工作完成。
7数控系统根据参数设置的每档主轴最高转速，自动输出新的模拟电压，主轴转速为给定的S值。
7.主轴与进给轴的关联控制的类型和作用
主轴旋转与轴向进给的关联控制
进给量与主轴转速关联控制
主轴转速与刀具轴向进给保持一定的协调关系
主轴旋转方向控制
控制主轴正反转以满足零件加工需要。
主轴绝对位置定位
用于主轴绝对位置的定位检测和控制
主轴旋转与径向进给的关联控制
确保恒定的切削线速度
8.主轴准停控制：
主轴准停功能又称主轴定向功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，也是换刀功能所必须的功能。
加工中心的主轴准停有两种：
机械准停和电气准停。
1主轴准停是自动换刀所必须的功能；
2退刀时为了避免刀具弹性恢复拉伤已加工表面，要求先让刀在退刀，必须要有准停。
9.机械准停：
机械准停一般要求主轴具有无级变速功能，接受到数控系统发出的准提指令r如M19后，控制主轴的电机带动主轴以可以设定的准停速度和方向旋转。
1接受到无触点开关有效信号，停止主轴，主轴电机与主轴传动依惯性继续旋转，同时控制定位销伸出压向主轴定位盘。
、
2接受到定位销到位信号后，通知系统准停指令完成。
10.电气准停：
实际上是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。
需要采用磁性传感器或位置观点编码器等检测元件用于主轴位置检测。
一般用于中高档数控机床，特别是加工中心。
1.磁传感器主轴准停方法步骤：
1转动或停止时，数控装置发出准停指令后，立即控制主轴加速或减速至某一准停速度（一般很慢）
2主轴到达定向速度并检测到准停位置信号时（即磁发体与磁传感器对准），立即控制主轴停止，并向主轴驱动器发出位控工作模式指令，主轴驱动器控制主轴电机在位控模式下静止锁死。
3若取消主轴准停状态，只需要撤销主轴驱动器的位控工作模式指令。
2.编码器型主轴准停方法步骤：
编码器主轴准停功能由主轴驱动器完成，数控系统只需发出准停指令信号然后监测主轴驱动器返回的准停完成信号即可。
1接收到准停指令后，控制主轴电机以准停速度和准停旋转方向旋转；
2监测带准停参考位置信号后，控制主轴电机相对准停参考位置转过一个角度后静止锁死；
3.数控系统控制准停：
这种准停控制方式的准停功能是由数控系统完成，准停时数控系统按进给系统的控制方式控制主轴工作在位置控制模式下，采用这种准停方式的主轴可以一直在位控模式下，也可仅在准停时工作在位控模式，平时则工作在速度控制模式，一般也由数控系统完成。
第六章可编程机床控制器
1.PLC的特点和应用：
①可靠性高，抗干扰能力强；
②配套齐全，功能完善，适用性强；
③易学易用，深受工程技术人员的欢迎；
④系统设计周期短，维护方便，改造容易；
⑤体积小，重量轻，能耗低。
应用：
广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等行业。
使用情况归纳为以下几类：
①开关量的逻辑控制②模拟量控制③运动控制④过程控制⑤数据处理⑥通信及联网。
2.PLC的组成：
硬件：
中央处理器CPU，存储器ROM/RAM，输入输出接口，电源，外设。
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