第三章數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理

1、 第三章第三章 數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)控裝置的工作過(guò)程數(shù)控裝置的工作過(guò)程 CNC裝置的工作是在硬件的支持下執(zhí)行軟件的過(guò)程。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明CNC裝置的工作情況。 一、程序輸入程序輸入 將編寫(xiě)好的數(shù)控加工程序輸入給CNC裝置的方式有：紙帶閱讀機(jī)輸入、鍵盤(pán)輸入、磁盤(pán)輸入、通訊接口輸入及連接上一級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC(Direct Numerical Control)接口輸入。 CNC裝置在輸入過(guò)程中還要完成校驗(yàn)和代碼轉(zhuǎn)換等工作，輸入的全部信息都放到CNC裝置的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。 返回課件首頁(yè) 二、譯碼二、譯碼在輸入的工件加工程序中含有工件的輪廓信息（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線(xiàn)、圓弧

2、等）、加工速度（F代碼）及其它輔助功能（M、S、T）信息等，譯碼程序以一個(gè)程序段為單位，按一定規(guī)則將這些信息翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以約定的格式存放在指定的內(nèi)存區(qū)間。三、數(shù)據(jù)處理三、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能處理。刀具半徑補(bǔ)償是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化成刀具中心軌跡，編程員只需按零件輪廓軌跡編程，減輕了工作量。速度計(jì)算是解決該加工程序段以什么樣的速度運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。編程所給的進(jìn)給速度是合成速度，速度計(jì)算是根據(jù)合成速度來(lái)計(jì)算各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的分速度。另外對(duì)機(jī)床允許的最低速度和最高速度的限制進(jìn)行判斷并處理。輔助功能諸如換刀、主軸啟停、切削液開(kāi)關(guān)等一些開(kāi)關(guān)量信號(hào)也

3、在此程序中處理。輔助功能處理的主要工作是識(shí)別標(biāo)志，在程序執(zhí)行時(shí)發(fā)出信號(hào)，讓機(jī)床相應(yīng)部件執(zhí)行這些動(dòng)作。四、插補(bǔ)四、插補(bǔ)插補(bǔ)的任務(wù)是通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算程序在已知有限信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作，即在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插入一些中間點(diǎn)。五、位置控制五、位置控制它的主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而控制工作臺(tái)或刀具的位移。六、輸入六、輸入/輸出（輸出（I/O）處理控制）處理控制I/O處理主要處理CNC系統(tǒng)和機(jī)床之間的來(lái)往信號(hào)的輸入和輸出控制。七、顯示七、顯示CNC系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，通常有：零件程序顯示、參數(shù)設(shè)置、刀具位置顯示

4、、機(jī)床狀態(tài)顯示、報(bào)警顯示、刀具加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬顯示以及在線(xiàn)編程時(shí)的圖形顯示等 八、診斷八、診斷主要是指CNC系統(tǒng)利用內(nèi)裝診斷程序進(jìn)行自診斷，主要有啟動(dòng)診斷和在線(xiàn)診斷。啟動(dòng)診斷是指CNC系統(tǒng)每次從通電開(kāi)始進(jìn)入正常的運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)中，系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)診斷程序通過(guò)掃描自動(dòng)檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關(guān)外設(shè)是否正常。只有當(dāng)檢查的每個(gè)項(xiàng)目都確認(rèn)正確無(wú)誤之后，整個(gè)系統(tǒng)才能進(jìn)入正常的準(zhǔn)備狀態(tài)。否則，CNC系統(tǒng)將通過(guò)報(bào)警方式指出故障的信息，此時(shí)，啟動(dòng)診斷過(guò)程不能結(jié)束，系統(tǒng)不能投入運(yùn)行。在線(xiàn)診斷程序是指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)中，由系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)裝診斷程序，通過(guò)定時(shí)中斷周期掃描檢查CNC系統(tǒng)本身以及各外設(shè)。只要系統(tǒng)不停電，在線(xiàn)

5、診斷就不會(huì)停止。第二節(jié)第二節(jié) 刀具補(bǔ)償原理刀具補(bǔ)償原理 一、為什么要進(jìn)行刀具補(bǔ)償 如圖3-1所示，在銑床上用半徑為r的刀具加工外形輪廓為A的工件時(shí)，刀具中心沿著與輪廓A距離為r的軌跡B移動(dòng)。我們要根據(jù)輪廓A的坐標(biāo)參數(shù)和刀具半徑r值計(jì)算出刀具中心軌跡B的坐標(biāo)參數(shù)，然后再編制程序進(jìn)行加工，因控制系統(tǒng)控制的是刀具中心的運(yùn)動(dòng)。在輪廓加工中，由于刀具總有一定的半徑，如銑刀半徑或線(xiàn)切割機(jī)的鉬絲半徑等。刀具中心（刀位點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)軌跡并不等于所加工零件的實(shí)際軌跡（直接按零件廓形編程所得軌跡），數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補(bǔ)償就是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。r刀具ArB圖3-1刀具半徑補(bǔ)償 當(dāng)實(shí)際刀具長(zhǎng)度與編程長(zhǎng)度不

6、一致時(shí)，利用刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具長(zhǎng)度差額的補(bǔ)償。 加工中心：一個(gè)重要組成部分就是自動(dòng)換刀裝置，在一次加工中使用多把長(zhǎng)度不同的刀具，需要有刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能。 輪廓銑削加工：為刀具中心沿所需軌跡運(yùn)動(dòng)，需要有刀具半徑補(bǔ)償功能。 車(chē)削加工：可以使用多種刀具，數(shù)控系統(tǒng)具備了刀具長(zhǎng)度和刀具半徑補(bǔ)償功能，使數(shù)控程序與刀具形狀和刀具尺寸盡量無(wú)關(guān)，可大大簡(jiǎn)化編程。 具有刀具補(bǔ)償功能，在編制加工程序時(shí)，可以按零件實(shí)際輪廓編程，加工前測(cè)量實(shí)際的刀具半徑、長(zhǎng)度等，作為刀具補(bǔ)償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，可以加工出合乎尺寸要求的零件輪廓。 刀具補(bǔ)償功能還可以滿(mǎn)足加工工藝等其他一些要求，可以通過(guò)逐次改變刀具半徑補(bǔ)償值大小

7、的辦法，調(diào)整每次進(jìn)給量，以達(dá)到利用同一程序?qū)崿F(xiàn)粗、精加工循環(huán)。另外，因刀具磨損、重磨而使刀具尺寸變化時(shí)，若仍用原程序，勢(shì)必造成加工誤差，用刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償可以解決這個(gè)問(wèn)題。 二、二、 刀具補(bǔ)償原理刀具補(bǔ)償原理 刀具補(bǔ)償一般分為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。 銑刀主要是刀具半徑補(bǔ)償； 鉆頭只需長(zhǎng)度補(bǔ)償； 車(chē)刀需要兩坐標(biāo)長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。1.刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償以數(shù)控車(chē)床為例進(jìn)行說(shuō)明，數(shù)控裝置控制的是刀架參考點(diǎn)的位置，實(shí)際切削時(shí)是利用刀尖來(lái)完成，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償是用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀尖軌跡與刀架參考點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換。如圖3-2所示，P為刀尖，Q為刀架參考點(diǎn)，假設(shè)刀尖圓弧半徑為零。利用刀具長(zhǎng)度測(cè)量裝置測(cè)出刀尖點(diǎn)相對(duì)于刀架參考

8、點(diǎn)的坐標(biāo)xpq，zpq，存入刀補(bǔ)內(nèi)存表中。零件輪廓軌跡是由刀尖切出的，編程時(shí)以刀尖點(diǎn)P來(lái)編程，設(shè)刀尖P點(diǎn)坐標(biāo)為xp，zp，刀架參考點(diǎn)坐標(biāo)Q（xq，zq）可由下式求出：這樣，零件輪廓軌跡通過(guò)式(3-45)補(bǔ)償后，就能通過(guò)控制刀架參考點(diǎn)Q來(lái)實(shí)現(xiàn)。pqpqpqpqzzzxxx圖3-2刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償P(xp,zp)Qzpqxpq 加工中心上常用刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，首先將刀具裝入刀柄，再用對(duì)刀儀測(cè)出每個(gè)刀具前端到刀柄基準(zhǔn)面的距離，然后將此值按刀具號(hào)碼輸入到控制裝置的刀補(bǔ)內(nèi)存表中，進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償是用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀尖軌跡與刀柄基準(zhǔn)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換。 在數(shù)控立式鏜銑床和數(shù)控鉆床上，因刀具磨損、重磨等而使長(zhǎng)度發(fā)生改變

9、時(shí)，不必修改程序中的坐標(biāo)值，可通過(guò)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，伸長(zhǎng)或縮短一個(gè)偏置量來(lái)補(bǔ)償其尺寸的變化，以保證加工精度。 刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償原理比較簡(jiǎn)單，由G43、G44及H（D）代碼指定。 2.刀具半徑補(bǔ)償ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓ABCD）前進(jìn)方向的左側(cè)時(shí)，稱(chēng)為左刀補(bǔ)，用G41表示。反之，當(dāng)?shù)毒咛幱谳喞斑M(jìn)方向的右側(cè)時(shí)稱(chēng)為右刀補(bǔ)，用G42表示，如圖3-3所示。G40為取消刀具補(bǔ)償指令。yyBCDC刀補(bǔ)進(jìn)行ADAB刀補(bǔ)刀補(bǔ)建立刀補(bǔ)撤銷(xiāo)進(jìn)行刀補(bǔ)撤銷(xiāo)刀補(bǔ)建立OxOxa)G41左刀補(bǔ)b)G42右刀補(bǔ)圖3-3刀具補(bǔ)償方向 在切削過(guò)程中，刀具半徑補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償過(guò)程分為三個(gè)步驟： （1）刀補(bǔ)建立刀補(bǔ)建立

10、刀具從起刀點(diǎn)接近工件，在原來(lái)的程序軌跡基礎(chǔ)上伸長(zhǎng)或縮短一個(gè)刀具半徑值，即刀具中心從與編程軌跡重合過(guò)渡到與編程軌跡距離一個(gè)刀具半徑值。在該段中，動(dòng)作指令只能用G00或G01。 （2）刀具補(bǔ)償進(jìn)行刀具補(bǔ)償進(jìn)行 刀具補(bǔ)償進(jìn)行期間，刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個(gè)刀具半徑的距離。在此狀態(tài)下，G00、G01、G02、G03都可使用。 （3）刀補(bǔ)撤銷(xiāo)刀補(bǔ)撤銷(xiāo) 刀具撤離工件，返回原點(diǎn)。即刀具中心軌跡從與編程軌跡相距一個(gè)刀具半徑值過(guò)渡到與編程軌跡重合。此時(shí)也只能用G00、G01。 第三節(jié)第三節(jié) 進(jìn)給速度控制原理進(jìn)給速度控制原理 一、為什么要控制進(jìn)給速度一、為什么要控制進(jìn)給速度 對(duì)于任何一個(gè)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，都要求

11、能夠?qū)M(jìn)給速度進(jìn)行控制，它不僅直接影響到加工零件的表面粗糙度和精度，而且與刀具和機(jī)床的壽命和生產(chǎn)效率密切相關(guān)。 按照加工工藝的需要，進(jìn)給速度的給定一般是將所需的進(jìn)給速度用F代碼編入程序。對(duì)于不同材料的零件，需根據(jù)切削速度、切削深度、表面粗糙度和精度的要求，選擇合適的進(jìn)給速度。 在進(jìn)給過(guò)程中，還可能發(fā)生各種不能確定或沒(méi)有意料到的情況，需要隨時(shí)改變進(jìn)給速度，因此還應(yīng)有操作者可以手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度的功能。數(shù)控系統(tǒng)能提供足夠的速度范圍和靈活的指定方法。 另外，在機(jī)床加工過(guò)程中，由于進(jìn)給狀態(tài)的變化，如起動(dòng)、升速、降速和停止，為了防止產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩等，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，必須按一定規(guī)律完成升

12、速和降速的過(guò)程。 二、基準(zhǔn)脈沖法進(jìn)給速度控制和加減速控制二、基準(zhǔn)脈沖法進(jìn)給速度控制和加減速控制 1. 速度控制 進(jìn)給速度控制方法和所采用的插補(bǔ)算法有關(guān)?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)多用于以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，各坐標(biāo)的進(jìn)給速度是通過(guò)控制向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以進(jìn)給速度處理是根據(jù)程編的進(jìn)給速度值來(lái)確定脈沖源頻率的過(guò)程。進(jìn)給速度F與脈沖源頻率f之間關(guān)系為式中為脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；f脈沖源頻率(Hz)；F進(jìn)給速度(mm/min)。脈沖源頻率為fF6060Ff 下面介紹程序計(jì)時(shí)法，利用調(diào)用延時(shí)子程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制。 根據(jù)要求的進(jìn)給速度F，求出與之對(duì)應(yīng)的脈沖頻率f，再 計(jì) 算 出

13、 兩 個(gè) 進(jìn) 給 脈 沖 的 時(shí) 間 間 隔 （ 插 補(bǔ) 周期） ， 在控制軟件中，只要控制兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，就可以方便地實(shí)現(xiàn)速度控制。進(jìn)給脈沖的間隔時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)給速度慢；反之，進(jìn)給速度快。這一間隔時(shí)間，通常由插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間tch和程序計(jì)時(shí)時(shí)間tj兩部分組成，由于插補(bǔ)運(yùn)算所需時(shí)間一般來(lái)說(shuō)是固定的，因此只要改變程序計(jì)時(shí)時(shí)間就可控制進(jìn)給速度的快慢。程序計(jì)時(shí)時(shí)間（每次插補(bǔ)運(yùn)算后的等待時(shí)間），可用空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用CPU執(zhí)行延時(shí)子程序的方法控制空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間，延時(shí)子程序的循環(huán)次數(shù)少，空運(yùn)轉(zhuǎn)等待時(shí)間短，進(jìn)給脈沖間隔時(shí)間短，速度就快；延時(shí)子程序的循環(huán)次數(shù)多，空運(yùn)轉(zhuǎn)等待時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)給脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，速度就慢。

14、 fT1jchttT例已知系統(tǒng)脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，進(jìn)給速度F300mm/min，插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間tch0.1ms，延時(shí)子程序延時(shí)時(shí)間為ty0.1ms，求延時(shí)子程序循環(huán)次數(shù)。脈沖源頻率插補(bǔ)周期程序計(jì)時(shí)時(shí)間tjTtch1.9(ms)循環(huán)次數(shù)n=tj/ty19程序計(jì)時(shí)法比較簡(jiǎn)單，但占用CPU時(shí)間較長(zhǎng)，適合于較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。)1(500601 . 06030060sFf)(2)(002. 01mssfT2.加減速控制因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率比它的最高運(yùn)行頻率低得多，為了減少定位時(shí)間，通過(guò)加速使電機(jī)在接近最高的速度運(yùn)行。隨著目標(biāo)位置的接近，為使電機(jī)平穩(wěn)的停止，再使頻率降下來(lái)。因此步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

15、過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速-恒速-減速-低恒速-停止的過(guò)程，如圖3-4所示。圖3-4速度曲線(xiàn) 頻率FK0A時(shí)間或距離FKFK1BCx加速減速恒速低速O三、數(shù)據(jù)采樣法進(jìn)給速度控制和加減速控制三、數(shù)據(jù)采樣法進(jìn)給速度控制和加減速控制1.速度控制數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方式多用于以直流電機(jī)或交流電機(jī)作為執(zhí)行元件的閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，速度計(jì)算的任務(wù)是確定一個(gè)插補(bǔ)周期的輪廓步長(zhǎng)，即一個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)的位移量。式中F程編給出的合成進(jìn)給速度（mm/min）；T插補(bǔ)周期（ms）；L每個(gè)插補(bǔ)周期小直線(xiàn)段的長(zhǎng)度（m）。以上給出的是穩(wěn)定狀態(tài)下的進(jìn)給速度處理關(guān)系。當(dāng)機(jī)床起動(dòng)、停止或加工過(guò)程中改變進(jìn)給速度時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行加

16、減速處理。FTL6012.加減速控制自動(dòng)加減速處理可按常用的指數(shù)加減速或直線(xiàn)加減速規(guī)律進(jìn)行。加減速控制多數(shù)采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。V(t)V(t)VcABt1t2O加速勻速減速tO加速勻速減速Ct圖3-5指數(shù)加減速圖3-6直線(xiàn)加減速指數(shù)加減速控制的目的是將起動(dòng)或停止時(shí)的速度突變變成隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律加速或減速，如圖3-48所示。指數(shù)加減速的速度與時(shí)間的關(guān)系為加速時(shí)式中時(shí)間常數(shù)； Vc穩(wěn)定速度。勻速時(shí)減速時(shí)直線(xiàn)加減速控制算法使機(jī)床在起動(dòng)和停止時(shí)，速度沿一定斜率的直線(xiàn)上升或下降，如圖3-6所示，速度變化曲線(xiàn)是OABC。tceVtV1)(cVtV)(tceVtV)(進(jìn)行加減速控制，首先要計(jì)算出穩(wěn)定速度和瞬時(shí)速

17、度。所謂穩(wěn)定速度，就是系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時(shí)，每插補(bǔ)一次（一個(gè)插補(bǔ)周期）的進(jìn)給量。在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，零件程序段中速度命令（或快速進(jìn)給）的F值（mm/min），需要轉(zhuǎn)換成每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。另外為了調(diào)速方便，設(shè)置了快速和切削進(jìn)給二種倍率開(kāi)關(guān)，一般CNC系統(tǒng)允許通過(guò)操作面板上進(jìn)給速度倍率修調(diào)旋鈕，進(jìn)行進(jìn)給速度倍率修調(diào)。穩(wěn)定速度的計(jì)算公式如下：式中Vw穩(wěn)定速度（mm/插補(bǔ)周期）;T插補(bǔ)周期（ms）；F程編指令速度（mm/min）； K速度系數(shù)，調(diào)節(jié)范圍在0200%之間，它包括快速倍率，切削進(jìn)給倍率等。100060 TKFVw穩(wěn)定速度計(jì)算完之后，進(jìn)行速度限制檢查，如果穩(wěn)定速度超過(guò)由參數(shù)設(shè)定的最高速度

18、，則取限制的最高速度為穩(wěn)定速度。所謂瞬時(shí)速度Vi，即系統(tǒng)在每一瞬時(shí)，每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時(shí)，ViVw；當(dāng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)時(shí)，ViVw?，F(xiàn)以直線(xiàn)加減速說(shuō)明其計(jì)算方法。線(xiàn)性加減速的加速度可按下式計(jì)算式中F進(jìn)給速度（mm/min）；t加速時(shí)間（ms）；加速度（mm/(ms)2）。tFa51067. 1a加速時(shí)，系統(tǒng)每插補(bǔ)一次都要進(jìn)行穩(wěn)定速度、瞬時(shí)速度和加速處理。當(dāng)上一個(gè)插補(bǔ)周期瞬時(shí)進(jìn)給速度Vi小于當(dāng)前穩(wěn)定速度Vw時(shí)，則要加速，每加速一次，瞬時(shí)速度為新的瞬時(shí)速度Vi+1參加插補(bǔ)計(jì)算，對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行分配。當(dāng)上一個(gè)插補(bǔ)周期瞬時(shí)進(jìn)給速度Vi大于當(dāng)前穩(wěn)定速度Vw時(shí)，則要減速。減速時(shí)，首先計(jì)算出減速區(qū)域長(zhǎng)度S，當(dāng)穩(wěn)定速度Vw和設(shè)定的加速度確定后，S可由下式求得aTVVii1222 aTVSw減速時(shí)，系統(tǒng)每進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，都要進(jìn)行終點(diǎn)判別，計(jì)算出離開(kāi)終點(diǎn)的瞬時(shí)距離Si。若本程序段要減速，且SiS，開(kāi)始減速處理。每減