数控机床及应用.pptx

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1、学习目标结合典型的数控系统,掌握机床数控系统的组成、原理、分类和功能,了解开放式数控系统第1页/共124页图2-1 CNC系统组成框图第2页/共124页图2-2 CNC装置硬件组成第3页/共124页图2-3 单机系统CNC结构框图第4页/共124页图2-4 CMOS RAM存储器框图 第5页/共124页图2-5 位置控制芯片 第6页/共124页图2-6 位置控制模板结构框图第7页/共124页图2-7 数控装置、控制设备和机床之间的连接第8页/共124页图2-8 多CPU共享总线结构框图第9页/共124页图2-9 串行总线仲裁连接方法第10页/共124页图2-10 并行总线框图第11页/共124

2、页图2-11 共享存储器结构 第12页/共124页图2-12 三种典型的软硬件界面第13页/共124页图2-13 CNC系统任务分解第14页/共124页图2-14 任务的并行处理 第15页/共124页图2-15 CPU分时共享和中断优先级第16页/共124页图2-16 资源重叠流水管理第17页/共124页图图2-17 CNC2-17 CNC中的信息交换中的信息交换第18页/共124页图2-18 逐点比较插补法程序流程图第19页/共124页图2-19 直线插补第20页/共124页图2-20 逐点比较法第一象限直线插补程序流程图第21页/共124页图2-21 插补轨迹第22页/共124页图2-22

3、 四象限直线偏差和进给方向第23页/共124页图2-23圆弧插补第24页/共124页图2-24逆弧插补的进给方向第25页/共124页图图2-252-25第一象限圆弧插补的第一象限圆弧插补的程序流程图程序流程图第26页/共124页图2-26 圆弧插补走刀轨迹第27页/共124页图2-27 四个象限的圆弧 第28页/共124页图2-28数字积分原理第29页/共124页图2-29数字积分法直线插补第30页/共124页图2-30 数字积分法直线插补框图第31页/共124页图2-31 数字积分法第一象限直线插补程序流程图第32页/共124页图2-32 数字积分法直线插补轨迹第33页/共124页图2-33

4、 数字积分法圆弧插补原理框图第34页/共124页图2-34数字积分法第一象限逆圆插补程序流程图第35页/共124页图2-35 数字积分法圆弧插补轨迹第36页/共124页图2-36 弦线逼近圆弧第37页/共124页图2-37 时间分割法直线插补第38页/共124页图2-38 时间分割法圆弧插补第39页/共124页图2-39 刀具中心偏差 第40页/共124页图2-40 直线刀具补偿的计算 第41页/共124页图2-41 圆弧刀具半径补偿的计算 第42页/共124页图2-42 直线至直线左刀补情况 第43页/共124页图2-43 直线至直线右刀补情况 第44页/共124页图2-44 直线至圆弧、圆

5、弧至直线、圆弧至圆弧的转接第45页/共124页图2-45 换刀后刀补示意图第46页/共124页图2-46 840D数控系统的基本结构第47页/共124页图2-47 NC模块 第48页/共124页图2-48 电源模块第49页/共124页图2-49 单轴驱动模块611D第50页/共124页图2-50 双轴驱动模块611D第51页/共124页图2-51 840D数控系统典型接线图第52页/共124页图2-52 PC连接型CNC 第53页/共124页图2-53 PC内藏型CNC例第54页/共124页图2-54 CNC内藏型例（PMAC控制器）第55页/共124页图2-55开放式数控系统总体结构框图 第

6、56页/共124页21 机床数控系统的组成2.1.1 数控系统的组成2.1.2 计算机数控装置（CNC）的组成和特点2.1.3 数控装置的功能2.1.4 CNC系统的硬件组成2.1.5 CNC系统的软件组成第57页/共124页2.1.1 数控系统的组成CNC数控系统的组成，如图2-1所示（1）程序、输入输出设备（2）计算机数字控制装置（3）可编程控制器（PLC）（4）通信及网络设备（5）主轴驱动装置（6）进给驱动装置等组成第58页/共124页2.1.2 计算机数控装置（CNC）的组成和特点1.计算机数控装置（CNC）的组成 硬件和软件两部分硬件由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口、M

7、DI/CRT接口、位置控制等部分组成，如图2-2所示。软件由管理软件和控制软件组成。2.数控装置的特点（1）灵活性和通用性 （2）可靠性高 （3）数控功能丰富（4）使用维修方便（5）易于实现机电一体化 第59页/共124页2.1.3 数控装置的功能1、基本功能2、选择功能第60页/共124页1基本功能（1）控制功能（2）准备功能（3）插补功能（4）进给功能 1）切削进给速度 2）同步进给速度 3）快速进给速度 4）进给倍率。（5）主轴功能 即主轴转速的控制功能（6）刀具管理功能（7）显示功能（8）辅助功能（9）自诊断功能 第61页/共124页2.选择功能（1）补偿功能 包括以下方面：1）刀具长

8、度和半径的补偿 2）工艺量的补偿 （2）固定循环功能 （3）通信功能 第62页/共124页2.1.4 CNC系统的硬件组成CNC装置从硬件的组成上可分为：单机系统和多机系统。、单机系统的组成、多机系统的组成第63页/共124页1单机系统的组成单机系统指整个CNC装置只有一个CPU，集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式，完成数控加工中各个任务，如图2-3所示。单机系统包括微型计算机系统的基本结构：（1）微处理器和总线（2）存储器（3）位置控制单元（4）I/O接口第64页/共124页（1）微处理器和总线微处理器主要完成控制和运算两方面的任务。控制功能主要包括：内部控制、对零件加工程序输入

9、、输出的控制及对机床加工现场状态信息的记忆控制。运算任务是完成一系列的数据处理工作，主要包括译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补计算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据总线，即通常所说的三总线。传输信息的高速度和多任务性，使总线结构和标准也在不断发展。第65页/共124页（2）存储器 CNC系统中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。即使断电，程序也不会丢失。程序只能被CPU读出，不能写入。必要时经擦除后，再重写。运算的中间结果，需显示的数据，

10、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中。它可以随时读出和写入，断电后，信息就消失。加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池的CMOS RAM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，信息仍保留。如图图2-4所示为CMOS RAM存储器框图。第66页/共124页（3）位置控制单元CNC装置中的位置控制单元又称为位置控制器或位置控制模块。位置控制主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。例如：工作台前后、左右移动，主轴箱的上下移动，围绕某一直线轴旋转运动等。进给轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置精度的控制有严

11、格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的协调运动，精确配合。对主轴的控制要求在很宽的范围内速度连续可调，并在每一种速度下均能提供足够的切削功率和转矩。在某些高性能的CNC机床上还要求主轴位置可任意控制（即C轴位置控制）。在加工中心上，为了能够任意选择刀库不同位置上的刀具，需要有刀库位置控制，以控制刀库准确停在要选用的刀具位置。刀库位置控制与轴控制相比，性能要低得多，故称简易位置控制。1）位置控制芯片2）位置控制模板 第67页/共124页1）位置控制芯片 MB8739的结构如图2-5所示，CPU输出的位置指令，经过芯片MB8739处理后，送往D/A变换，再经过速度控制单元以控制电动机运动

12、。电动机的轴上装有光电脉冲发生器，随着电动机转动产生系列脉冲。该脉冲经接收器后反馈到MB8739，然后将其分为两路，一路作为位置量的反馈，一路经频率/电压（F/V）变换，作为速度量的反馈信号送往速度控制单元。结构主要包括以下几部分：1DDA插补器 2CMR 3误差寄存器 4位置增益控制5误差的脉宽调制P.W.M 6 漂移补偿控制 7鉴相器8DMR 9参考计数器 10地址译码。第68页/共124页2）位置控制模板 图2-6为采用位置控制模板的CNC系统结构框图。位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现。软件负责计算位置跟随误差和进给速度指令的数值。硬件接收进给指令，进行D/A变换，为速度单元提供命

13、令电压；将位置反馈信号与指令值进行比较。硬件由位置控制输出组件和位置测量模板组成。位置测量组件处理处理位置反馈信号后送“跟随误差计数器”与指令值进行比较。位置控制输出组件的作用是将微机数控系统输出的以数字形式表示的跟随误差转换为驱动执行元件所需的电流或电压信号。第69页/共124页（4）I/O接口I/O接口与数控装置、控制设备和机床间的接口与其它工业上的许多标准接口一样，于1975年由国际电工委员会第44委员会制定并批准了国际标准，称为“机床/数控接口”标准。如图2-7所示，标明了数控装置、控制设备和机床之间的接口范围。具体联接详见第五章信号连接。第70页/共124页2.多机系统的组成多微处理

14、机结构中，有两个以上的CPU构成处理部件和各种功能模块，处理部件、功能模块之间采用紧藕合，有集中的操作系统，共享资源；或者各CPU构成独立部件，其间采用松藕合，有多层操作系统，有效地实行并行处理。（1）多机系统的典型结构（2）多机系统结构的特点第71页/共124页（1）多机系统的典型结构多处理器连接方式：总线、环线、交叉、多级开关、混合交换互换等多微处理器的CNC装置一般采用总线互连方式，典型结构有共享总线型、共享存储器型以及它们的混合型结构。1）功能模块 2）共享总线结构 3）共享存储器结构 第72页/共124页1）功能模块1、CNC管理模块2、CNC插补模块3、PLC模块4、位置控制模块5

15、、操作控制数据输入、输出和显示模块6、存储器模块 第73页/共124页2）共享总线结构图2-8为FANUC15系统的CNC装置为多微处理器共享总线结构。按照功能将系统划分为：带CPU的为主模块，不带CPU的为从模块。FANUC15CNC装置中，主CPU为68020（32位），从为在可编程控制器、轴控制等中的CPU。系统装置可控制2根轴至15根轴。只有主模块有权控制使用系统总线。每个主模块按其担负任务的重要程度，已预先排好优先级别的顺序。由总线仲裁器解决。总线仲裁有两种方式，串行方式和并行方式。串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按链接位置确定，如图2-9所示。并行总线裁决方式中，要配备专用逻辑电

16、路来解决主模块的优先权问题，通常采用优先权编码方案。如图2-10所示。第74页/共124页）共享存储器结构图2-11所示为GE公司的MTC1数控装置的结构框图，这是一种共享存储器型结构。功能模块之间通过公用存储器连结耦合在一起，共有3个CPU。CPU1为中央处理器，其任务是数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入。此外，作为主处理器，它还控制CPU2和CPU3，并与之交换信息。CPU2为CRT显示处理器，是根据CPU1的指令和显示数据，在显示缓冲区中组成一幅画面数据，通过CRT控制器、字符发生器和移位寄存器，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外，它还定时扫描键盘和倍率开关状态，并送CPU

17、1进行处理。CPU3为插补处理器。完成的工作是插补运算、位置控制、机床输入/输出接口和RS232C接口控制。MTC1数控装置中的公用存储器，是通过CPU1分别向CPU2或CPU3发送总线请求保持信号HOLD，才被占用的，此时CPU2或CPU3处于保持状态，CPU1与公用存储器进行信息交换。信息交换结束，CPU1撤消HOLD信号，CPU1释放公用存储器，CPU2和CPU3恢复对公用存储器的控制权。第75页/共124页（2）多机系统结构的特点1）计算处理速度高 2）可靠性高 3）有良好的适应性和扩展性 4）硬件易于组织规模生产 第76页/共124页2.1.5 CNC系统的软件组成1CNC装置软件结

18、构的特点2CNC系统软件结构第77页/共124页1CNC装置软件结构的特点（1）CNC装置软硬件的界面图2.12所示 软件和硬件的界面关系是不固定的。（2）系统软件的内容及结构类型 系统软件包括管理和控制两大部分。系统的管理部分包括：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。（3）多任务并行处理 1）CNC系统的多任务性如图2.13所示 2）并行处理如图2.14所示，采用“资源分时共享”图2.15和“资源重叠的流水处理”图2.16（4）实时中断处理 CNC系统的中断类型1）外部中断 2）内部定时中断 3）

19、硬件故障中断 4）程序性中断 第78页/共124页2CNC系统软件结构1)前后台软件结构在前后台软件结构中，前台程序是一个中断服务程序，完成全部的实时功能。后台程序是一个循环运行程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行中，实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。2)中断型软件结构 中断型软件结构的特点是除了初始化程序外，整个系统软件的各种任务模块，都分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。第79页/共124页22 数控系统的插补原理2.2.1 插补和插补方式2.2.2 脉冲增量插补

20、2.2.3 数据采样插补第80页/共124页2.2.1 插补和插补方式插补：一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程，由数控系统实时地计算出各个中间点的坐标。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，通常这个过程被称为“插补”。插补算法：插补方法又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。在计算机数控系统（CNC）中，插补工作一般由软件来完成。也有用软件进行粗插补，用硬件进行细插补的CNC系统。软件插补方法分为两类：脉冲当量插补和数据采样插补。第81页/共124页2.2.2 脉冲增量插补脉冲增量插补又称基准脉冲插补。这种插补算法的特点:1、把每次插补运

21、算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动。2、脉冲增量插补的实现方法较简单,但由于输出脉冲的最大速度取决于执行一次运算所需的时间，进给速率受到一定的限制应用场合:用在进给速度不很高的数控系统或开环数控系统中。脉冲当量插补分类:逐点比较插补法、数字积分插补法和比较积分法等。第82页/共124页1逐点比较插补法逐点比较插补法的原理：数控装置在控制加工轨迹过程中，通过逐点地比较刀具与所需插补曲线的相对位置，确定刀具的坐标进给方向，以加工出零件的廓形。流程图如图2.18所示工作步骤：每控制机床坐标走一步（即一个插补循环）都要完成以下四个工作节拍。（a）偏差判断（b）进给（c）偏差计算（d）终点

22、判断 若到达终点，则插补结束。若未到达终点，则再回到节拍（e）继续插补。以上四个节拍不断循环，就可加工出所需要的轮廓形状。逐点比较插补法分为：直线插补法和圆弧插补法 第83页/共124页（1）直线插补1）偏差函数2）进给方向与偏差计算3）终点判断4）四个象限的直线插补计算第84页/共124页1)偏差函数 1)偏差函数 假定加工如图2-19所示的直线OA。以直线起点为原点，终点A的坐标为（xe,ye）。m（xm,ym）为插补点。以第一象限为例，若m点在直线上，则ym/xm=ye/xe,即：ymxe-xmye=0；(2-1)所以可定义直线插补的偏差函数表示为：F=F(x,y)=yxa-xya以反映

23、刀具与直线间的位置关系。若F0，则刀具在直线的上方，如m点。若F=0，则刀具在直线上，如m点。若F0，即刀具在直线上方时，应让刀具向+X方向进给一步。当F0的情况。插补前，刀具位于直线起点，即坐标原点O(0,0)，由式（2-1）知，偏差值为：F0=0 （2-2）设某时刻刀具的位置为Pi(xi,yi),则该点的偏差值为：Fi=yixa-xiya (2-3)若刀具向+X方向进给一步，则xi+1=xi+1,yi+1=yi;由式（2-1）及式（2-3）知：Fi+1=yi+1xa-xi+1ya=yixa-xiya-ya=Fi-ya (2-4)若刀具向+Y方向进给一步，则xi+1=xi,yi+1=yi+1

24、;同理得：Fi+1=yi+1xa-xi+1ya=yixa-xiya+xaFi+xa (2-5)第86页/共124页3）终点判断 3）终点判断 根据逐点比较法的特点，从直线的起点O移动到终点A（图2-19），刀具沿X、Y两坐标轴进给的总步数n为:n=xa+ya （2-6）每走一步从n减去1，即n=n-1。这样就可以根据n的值来判断是否到达终点，即直线加工结束的条件为：n=0。逐点比较法第一象限直线插补的程序流程如图2-20所示，插补轨迹如图2-21所示。第87页/共124页4）四个象限的直线插补计算 为适用于四个象限的直线插补，在偏差计算时，无论哪一个象限直线，均按第一象限的直线进行计算，也就是

25、运算时坐标值均取绝对值。由此，可得的偏差符号及进给方向如图2-22所示。即插入点位于直线上时偏差F=0，插入点不在直线上且偏向X轴一侧时F0。进给方向分别为：当F0时，在第一、二象限沿+X方向进给，在第三、四象限沿-X方向进给；当F0时，在第一、二象限沿+Y方向进给，在第三、四象限沿-Y方向进给。其终点判断也采用终点坐标的绝对值计算进给的总步数。第88页/共124页四个象限直线插补的偏差计算和进给方向四个象限直线插补的偏差计算和进给方向归纳于表2-3中，其中L1、L2、L3、L4分别表示第一、二、三、四象限的直线。表2-3 四个象限直线插补偏差计算及进给方向 第89页/共124页（2）圆弧插补

26、按圆弧走向可以把圆弧分为顺时针走向圆弧和逆时针走向圆弧两种，简称顺弧和逆弧。1）偏差函数2）进给方向与偏差计算3）终点判断4）插补计算过程5）四个象限的圆弧插补计算第90页/共124页1）偏差函数1）偏差函数 如图2-23所示，设要插补的圆弧为AB，圆心在坐标原点，半径为R，起点为A(xa,ya)，终点为B(xb,yb)。点Pi（xi，yi）为瞬时加工点，它到圆心的距离为RP，则RP=0。从图中可知：第一象限逆弧插补运动，使加工点Pi坐标xi的绝对值减小，坐标yi的绝对值增大。加工点Pi与圆弧AB之间有三种位置关系，即在圆弧上（RP-R=0）、圆弧外(RP-R0)或圆弧内(RP-R0；若加工点

27、在圆弧内，则Fi0。即偏差函数F反映了刀具与所加工圆弧之间的位置关系。第91页/共124页2）进给方向与偏差计算若加工点在圆外或圆上，如图2-24中的Pi(xi,yi)点，即Fi=0。为了使刀具向终点B移动并逼近圆弧，应让刀具沿-X轴方向进给，设到达点Pi+1(xi+1,yi+1)。有xi+1=xi-1,yi+1=yi则刀具在新加工点的偏差为：Fi+1=把式（2-6）代入上式，得Fi+1=Fi-2xi+1 （2-8）若加工点在圆内，如图2-24b中的Pi（xi,yi）点,则Fi0。此时，应让刀具沿+Y方向进给一步，设到达Pi+1（xi+1,yi+1）点。有xi+1=xi,yi+1=yi+1其偏

28、差为：即 Fi+1=Fi+2yi+1 （2-9）式（2-8）和式（2-9）是第一象限逆圆插补偏差函数的计算公式。由此可知：新插入点的偏差可由前一点的偏差及前一点的坐标计算得到。式中只有乘2及加减运算，避免了乘方运算，大大简化了计算过程，使插补速度得到了提高。由于加工从圆弧的起点开始，其偏差F0=0，所以新插入点的偏差总能根据前一点的数据计算出来。式（2-7）与式（2-8）或式（2-9）组成了第一象限逆圆插补偏差函数的递推计算公式。第92页/共124页3）终点判断3）终点判断 根据逐点比较法的特点，从圆弧的起点A移动到终点B（图2-23），刀具沿X、Y两坐标轴进给的总步数n为:n=（2-10）每

29、走一步从n减去1，即n=n-1。这样就可以根据n的值来判断是否到达终点，即圆弧加工结束的条件为：n=0。第93页/共124页4）插补计算过程 由式（2-8）及式（2-9）可知，圆弧插补的偏差可由前一点的偏差及其坐标计算得到，故在偏差计算的同时要进行坐标计算，以便为下一点的偏差计算作好准备。即圆弧插补过程有偏差判断、进给、偏差计算、坐标计算及终点判断五个步骤组成。逐点比较法第一象限圆弧插补的程序流程如图2-25所示插补轨迹如图2-26所示。第94页/共124页5）四个象限的圆弧插补计算上面以第一象限的逆弧为例分析了加工圆弧的情况，对于其他象限及顺弧可按同样方法类推。归纳起来共有8种线型，用SR1

30、、SR2、SR3、SR4分别表示顺弧加工的第一、二、三、四象限的圆弧；NR1、NR2、NR3、NR4分别表示逆弧加工的第一、二、三、四象限的圆弧。如图2-27所示。第95页/共124页2.2.3 数据采样插补数据采样插补也称数字增量插补，或时间分割法插补。应用在以直流伺服，特别是交流伺服为驱动元件的计算机闭环数字控制系统中。1数据采样插补法的基本原理2插补周期与采样周期3插补精度及其与插补周期、速度的关系4.时间分割插补法第96页/共124页1数据采样插补法的基本原理数据采样插补：根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一插补周期，执行一次插补运算，计算

31、出下一个插补点（动点）坐标，然后计算出下一个周期各个坐标的进给量，如x、y等，从而再计算出相应插补点（动点）位置的坐标值。第97页/共124页2插补周期与采样周期插补周期：调用插补程序的时间间隔采样周期：即是位置检测装置对反馈信号进行采样的周期插补周期和采样周期可以相同，也可以不同。如果不同，则选插补周期是采样周期的整数倍。第98页/共124页3、插补精度与插补周期、速度的关系插补精度（逼近误差）与速度、插补周期的平方成正比，与圆弧半径成反比。当以er作为限制指标时，T不变，则插补小半径圆弧时，可得到最大允许的轨迹移动速度；当er和R为限制指标时，较小的T可以获得较大的插补速度。第99页/共1

32、24页4.时间分割插补法时间分割插补法：是根据加工指令中的进给速度F，计算出每一插补周期的轮廓步长L。即用插补周期为时间单位，将一段直线和圆弧的整个加工过程分割成许多个单位时间内的进给过程。时间分割插补法直线插补如图2.37所示,时间分割插补法圆弧插补如图2.38所示。第100页/共124页23 刀具补偿原理定义：将刀具位置和尺寸的变化量作为参数变量进行控制。工作原理：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机床数控系统，使得由于换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数变化时，虽照用原程序，却仍能加工出符合要求的零件。2.3.1 刀具半径补偿2.3.2 刀具位置补

33、偿第101页/共124页2.3.1 刀具半径补偿1刀具半径补偿的概念2刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算3 C功能刀具半径补偿第102页/共124页1刀具半径补偿的概念刀具半径补偿功能：即按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控系统能实现自动生成刀具中心轨迹的功能，如图2-39所示左、右刀补：根据ISO标准，当刀具中心轨迹在程序轨迹（零件轮廓）前进方向右边时称为右刀具补偿，用G42指令实现；反之称为左刀具补偿，用G41指令实现。当不需要进行刀具补偿时用G40表示，即撤消刀具补偿。刀具半径补偿一般分为三步：1）刀具补偿的建立 2）刀具补偿进行 3）刀具补偿撤消第103页/共124页2、刀具半

34、径补偿计算刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算就是要根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具中心的运动轨迹。1）直线刀具半径补偿计算 如图2-40所示，被加工直线OA，O(0,0)为起点，A(xe,ye)。设上一程序段加工完毕后，刀具中心在O点且其坐标已知，刀具半径为r。该段直线终点刀具半径偏置矢量AA的投影坐标为（x，y），则xe=xe+rye/k ye=ye-rxe/k k=2）圆弧刀具补偿计算如图2-41所示，要加工的圆弧的圆心在坐标原点，半径为R，起点为A(x0,y0),终点为B(xe,ye)，刀具半径为r。假定上一程序段加工结束后刀具中心点为A，且其坐标为已知，那么圆弧刀具半径

35、计算的目的就是要计算出刀具中心圆弧AB终点坐标（xe，ye）。设BB在两个坐标上的投影为（x，y），则 xe=xe+rxe/R ye=ye+rye/R第104页/共124页2）圆弧刀具补偿计算如图2-41所示，要加工的圆弧的圆心在坐标原点，半径为R，起点为A(x0,y0),终点为B(xe,ye)，刀具半径为r。假定上一程序段加工结束后刀具中心点为A，且其坐标为已知，那么圆弧刀具半径计算的目的就是要计算出刀具中心圆弧A，B，终点坐标（xe，ye）。设BB在两个坐标上的投影为（x，y），则 xe=xe+rxe/R ye=ye+rye/R第105页/共124页3 C功能刀具半径补偿常规刀具半径补偿只

36、能计算出直线或圆弧终点的刀具中心坐标值，而对于两个程序段之间轮廓的转接（又称拐角或过渡）是以圆弧方式进行的，基本上没有考虑转接的各种实际情况。故称为一般刀具半径补偿，或称为B刀具补偿。由于B刀具半径补偿采用了读一段、算一段、走一段的控制方法，这样就无法预见由于刀具半径补偿所造成的下一段轨迹对本段轨迹的影响。于是，对于给定的加工轮廓来说，当加工内轮廓时，为了避免刀具与工件的干涉，合理地选择刀具半径以及在相邻轨迹转接处选用恰当的过渡圆弧等问题，就必须靠编程人员自己解决。为了解决上述问题，在C刀具半径补偿中，采用在计算本程序段的刀具中心轨迹时，提前将下一段程序读入，根据它们之间转接的具体情况，做出恰

37、当的处理。轨迹的转接有四种情况：直线至直线、直线至圆弧、圆弧至直线和圆弧至圆弧。C刀具半径补偿算法根据两段程序轨迹的夹角和刀补方向的，对外轮廓过渡采用伸长型或插入型处理，也可采用基本的圆弧过渡法，对内轮廓则均采用缩短型处理。第106页/共124页1）直线至直线转接 2）直线至圆弧、圆弧至直线、圆弧至圆弧的转接 第107页/共124页2.3.2 刀具位置补偿当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件，或同一名义尺寸的刀具因换刀重调或磨损而引起尺寸变化时，为了编程方便和不改变已编制好的程序，采用与刀具半径补偿的方法一样，将变化的尺寸通过拨码开关或键盘进行手动输入，便能自动进行补偿。1 刀具位置补偿

38、计算2 刀具位置补偿的处理方法第108页/共124页1 刀具位置补偿计算图2-45所示刀架中心位置为各刀具的换刀点，且以1号刀具的刀尖B（x1，z1）点为所有刀具的编程起点。当1号刀从位置B移动到点A（xA，zA）时，其增量值为:UBA=xA-x1 WBA=zA-z1当换2号刀加工时，2号刀刀尖处在C点位置，要想当CA时UCA=（xA-x1）+I补 WCA=（zA-z1）+K补对于2号刀具的刀尖由C点回到A点的情况，即UAC=（x1-xA）-I补 WAC=（z1-zA）-K补则 UAC=-（xA-x1）+I补WAC=-（zA-z1）+K补与UCA、WCA比较，可以知道，两者正好是绝对值相等，符

39、号相反。因此，在刀具复位过程中，只需将此补偿量的正、负号取反，而数值不变。这种补偿一个反量的过程称为刀具位置补偿撤消。有了刀具位置补偿及撤消机能，给编制程序、换刀、磨损的修正带来了很大的方便。第109页/共124页2 刀具位置补偿的处理方法刀具位置补偿的最终实现是反映在刀架的移动上。每把刀具位置的补偿量和方向可通过实测后用面板拨盘给定或键盘输入存放在系统中，并在刀具更换时读入，系统在补偿前处理前后两把刀具位置补偿的差别。可以作如下处理：1）在更换刀具时，如果由刀具T1更换为刀具T2，按上述刀具补偿原理进行处理，就是先把原来刀具（T1）补偿量撤消，并输入刀具T2补偿量。2）差值补偿法 在更换刀具

40、时，立即进行新换刀具的补偿量和原来刀具补偿量的差值运算，并根据这个差值进行补偿，这种方法称为差值补偿法。第110页/共124页24 典型数控系统举例2.4.1 西门子840D数控系统的组成2.4.2 西门子840D数控系统的功能和特点第111页/共124页2.4.1 西门子840D数控系统的组成840D数控系统在数控机床上应用的典型结构如图2-46所示，主要有NC模块、电源模块、驱动模块、伺服电机、PLC模块、MMC模块组成1NC模块 2电源模块3伺服电动机驱动模块第112页/共124页1NC模块NC模块是840D数控系统的核心模块，具有轨迹控制、数据传输、输入/输出管理功能，其接口端如图2-

41、47所示。各接口端的作用为：（1）X101 操作面板接口端，通过电缆与MMC（人机通信接口板）及机床操作面板连接。（2）X102 RS-485通信接口端，主要是满足西门子Profibus DP通信的要求。（3）X111 PLCS7-300输入/输出接口端，提供与PLC连接的通道。（4）X112 RS-232通信接口端，实现与外部的通信。（5）X121 多路输入/输出借口端，通过该接口数控系统可与多种外设连接，如与控制进给运动的手轮、CNC输入/输出的连接。（6）X122 PLC编程器PG接口端，通过该端口与西门子PLC编程器PG联接，来传输PG中的PLC程序到NC模块，或从NC模块将PLC程序

42、拷贝到PG中，并可以在线实时监测PLC程序的运行状态。（7）X130A、X130B 电动机驱动器611D的输入输出扩展端口，通过扁平电缆将驱动总线与各个驱动模块联接起来，对各个伺服电动机进行控制。（8）X172 数控系统数据控制总线端口，通过扁平电缆与各相关模块的系统数据控制总线联系起来。（9）X173 数控系统控制程序储存卡插槽。第113页/共124页2电源模块电源模块如图2-48 各端口功能如下：（1）X111 “准备好”信号，由电源模块输出至PLC的电源模块，表示电源正常。（2）X121 使能信号，由PLC输出至电源模块、数控模块，表示外部电路硬件信号正常。（3）X141 电源模块电源工

43、作正常输出信号端口。（4）X161 电源模块设定操作和标准操作选择端口。（5）X171 线圈通电触点，控制电源模块内部线路预充电接触器。（6）X172 启动禁止信号端。（7）X181 供外部使用的供电电源端口，包括直流电源600V，三相交流电源380V。第114页/共124页3伺服电动机驱动模块单轴伺服电动机驱动模块如图2-49所示，双轴伺服电动机驱动模块如图2-50所示。主要端口的作用为：（1）X411、X412 电动机内置光电编码器反馈至该端口进行位置和速度反馈的处理。（2）X421、X422 机床拖板直接位置反馈端口。（3）X431 脉冲使能端口，使能信号一般由PLC给出。（4）X432

44、 高速输入输出接口端。（5）X34、X35 电压、电流检测孔，一般供模块维修检测使用，用户不得使用。主轴电动机的驱动可使用上述进给电动机驱动模块驱动，另外还有专门的主轴电动机驱动模块，模块的接口端与进给电动机驱动模块类似。第115页/共124页2.4.2 西门子840D数控系统的功能和特点西门子840D数控系统的主要功能及特点有以下几个方面：1控制类型 采用32位微处理器，实现CNC控制。2机床配置 可实现钻、车、铣、等加工和搬运设备的控制。3操作方式 主要有自动、手动、交互式程序编制、手动过程数据输入操作方式。4轮廓和补偿 5安全保护功能 6NC编程7PLC编程 8操作部分硬件 9显示部分

45、10数据通信 第116页/共124页25 开放式数控系统简介2.5.1 开放式数控系统的硬件结构2.5.2 开放式数控系统的软件结构第117页/共124页2.5.1 开放式数控系统的硬件结构1基于PC的有限开放式数控系统2基于PC的可开放CNC第118页/共124页1基于PC的有限开放式数控系统这种数控系统大多通过改造原有的数控系统的接口，使数控系统能与PC互连，由PC机承担CNC人机界面功能，原来的数控系统不作结构上的根本改变，这一形式综合了PC和原来数控系统的特点，构成了一种有限开放的数控系统。形式上有PC连接型CNC和PC内藏型CNC。（1）PC连接型CNC 如图2-52 所示（2）PC

46、内藏型CNC 如图2-53 所示第119页/共124页2基于PC的可开放CNC基于PC的可开放CNC结构形式是在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而组成，也称CNC内藏型。专用CNC卡完成包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能，具有软件通用性强且编程处理灵活的特点。较为成熟的是由美国Delta Tau Data System Inc.生产的PMAC-NC系统及可独立供应、按OMAC设计的开放体系结构产品PMAC（Programmable Multi-Axis Controllre）。如图2-54所示第120页/共124页2.5.2 开放式数控系统的软件结构根据开放式控制系统的要求，软件应

47、采用平台技术、统一的标准规范和面向功能元拓扑结构的应用软件，以保证系统具有开放的基本特征。1开放式数控系统总体结构框图，其结构如图2-55。2系统平台，系统平台是由系统硬件和系统软件组成。系统的软件分为三个部分：系统核心；可选的系统软件；标准的应用程序界面API（Application Program Interface）。3系统参考结构（应用软件模块）第121页/共124页本章小结本章详细介绍了机床数控系统的组成和功能 硬件与软件包播补和刀补,并结合典型的数控系统,介绍了其结构和功能,简要介绍了开放式数控系统第122页/共124页思考题2-1 数控装置由几部分构成？有什么特点？2-2 CNC

48、装置的基本功能有那些？2-3 何谓插补？在数控机床中，刀具能否严格地沿着零件廓形运动？为什么？2-4 偏差函数的作用是什么？2-5 试述数字脉冲增量法与数字增量法（时间分割法）在插补方法上的区别与优劣。2-6 设加工第一象限直线，起点为坐标原点，终点为A（6，4），试用逐点比较法对该直线进行插补，并画出插补轨迹。2-7 逆圆的起、终点坐标分别为：A（4，0）、B（0，4），试用逐点比较法对该其进行插补，并画出插补轨迹。2-8 何谓刀具补偿？其作用是什么？2-9 试说明B刀补与C刀补的区别与优劣。2-10 西门子840D数控系统由几个模块组成？试简述各模块的作用。2-11 何谓常规的和开放式的CNC？第123页/共124页感谢您的观看！第124页/共124页