數(shù)控機床的控制原理課件

1、第三章 數(shù)控機床的控制原理3-1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)3-2 插補原理3-3 刀具半徑補償原理3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)一、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r自從20世紀50代世界上第一臺數(shù)控機床問世至今已經(jīng)歷50余年。數(shù)控機床經(jīng)過了2個階段和6代的發(fā)展歷程。第1階段是硬件數(shù)控(NC)： 第1代 1952年的電子管第2代 1959年晶體管（分離元件）第3代 1965年小規(guī)模集成電路電子管晶體管3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)一、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r第2階段是計算機數(shù)控(CNC)：第4代 1970年的小型計算機，中小規(guī)模集成電路第5代 1974年的微處理器，大規(guī)模集成電路。第6代 1990年的基于個人PC機(PC-BAS

2、ED)DeltaTau PMAC I型多軸運動控制卡 (PCI)3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)一、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r世界主要CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家FANUC(日本)SIEMENS (德國)A-B(美國)FAGOR (西班牙)HEIDENHAIN（海德漢）(德國)三菱(日本)NUM (法國)3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)二、計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的組成3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)二、計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的組成硬件組成：中央處理單元(CPU)，存儲器、外部設(shè)備以及輸入/輸出接口電路等。 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)二、計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的組成軟件組成：3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)三、單微處理機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3

3、.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)微處理機CPU功能：可進行算術(shù)、邏輯運算；可保存少量數(shù)據(jù)；能對指令進行譯碼并執(zhí)行規(guī)定動作；能和存儲器、外設(shè)交換數(shù)據(jù)；提供整個系統(tǒng)所需的定時和控制；可響應(yīng)其他部件發(fā)來的脈沖請求；包括的部件：算術(shù)、邏輯部件、累加器和通用寄存器組、程序計數(shù)器、指令寄存器、譯碼器、時序和控制部件。 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)CPU主控制板3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)總線（BUS） 總線是傳送數(shù)據(jù)或交換信息的公共通道。CPU板與其它模板如存儲器板、I/O接口板等之間的連接采用標準總線標準總線按用途分為內(nèi)部總線和外部總線數(shù)控系統(tǒng)中常用的內(nèi)部標準總線有S-100、MULTI BUS、STD及VME等外

4、部總線有串行（如EIARS-232C）和并行（如IEEE-488）總線兩種。 按信息線的性質(zhì)分 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）：CPU與外界傳送數(shù)據(jù)的通道地址總線AB（Address Bus）：確定傳輸數(shù)據(jù)的存放地址控制總線CB（Control Bus）：管理、控制信號的傳送 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)存儲器（ROM、RAM） 存放CNC系統(tǒng)控制軟件、零件程序、原始數(shù)據(jù)、參數(shù)、運算中間結(jié)果和處理后的結(jié)果的器件和設(shè)備。ROM用于固化數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)控制軟件。RAM存放可能改寫的信息。 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)I/O接口 CNC裝置與被控設(shè)備之間要交換的信息有三類：開關(guān)量信號、模擬量信號、數(shù)字信

5、號。對上述信號進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，輸入時必須將被控設(shè)備有關(guān)的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以滿足計算機對輸入輸出信號的要求；輸出時，應(yīng)滿足各種有關(guān)執(zhí)行元件的輸入要求。信號轉(zhuǎn)換主要包括電平轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與脈沖量的相互轉(zhuǎn)換以及功率匹配等。阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。即I/O接口功能：電平轉(zhuǎn)換、功率放大、干擾抑制。 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)伺服驅(qū)動單元和PLC伺服控制單元：位置控制速度控制過載保護PLC:邏輯控制計時、計數(shù)分支程序、子程序順序控制數(shù)字運算、處理模擬量調(diào)節(jié)操作顯示聯(lián)網(wǎng)通信3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)人

6、機界面（HMI）紙帶閱讀機紙帶穿孔機（很少見）鍵盤操作控制面板顯示器外部存儲設(shè)備。 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)三、單微處理機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點：CNC裝置內(nèi)僅有一個微處理機，由它對存儲、插補運算、輸入輸出控制、CRT顯示等功能集中控制分時處理。微處理機通過總線與存儲器、輸入輸出控制等各種接口相連，構(gòu)成CNC裝置。結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。正是由于只有一個微處理機集中控制，其功能將受微處理機字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制。3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)四、多微處理機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)共享總線結(jié)構(gòu) 共享存儲器結(jié)構(gòu) 3.1 數(shù)控機床的控制基礎(chǔ)四、多微處理機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點： 性能價格比高 。多微處理器提高了運算速

7、度，CPU價格比較低采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的適應(yīng)性和擴展性。 硬件采用標準插接板，軟件也可模塊化硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。硬件均按模塊化計數(shù)處理有很高的可靠性。 各模塊獨立工作，區(qū)別于單CPU 3.2 插補原理插補：在每個插補周期（毫秒級）內(nèi)，根據(jù)指令、進給速度計算出一個微小直線段的數(shù)據(jù)，刀具沿著微小直線段運動，經(jīng)過若干個插補周期后，刀具從起點運動到終點也就是說，刀具不能嚴格地按照所加工的零件廓形（如直線、圓弧或橢圓、拋物線等其他類型曲線）運動，而只能用折線逼近所需加工的零件輪廓線型。插補的方法有：逐點比較法、數(shù)字積分法、CNC軟硬件結(jié)合插補直線插補圓弧插補3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理

8、3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理每走一步都要將加工點的瞬時坐標與規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷一下偏差，然后決定下一步的走向，如果加工點走到圖形外面去了，那么下一步就往圖形里面走；如加工點在圖形里面，則下一步就往圖形外面走，這樣就能得到一個非常接近規(guī)定圖形的軌跡。YP1PO(x,y)OXABP23.2 插補原理一、逐點比較法插補原理圖中AB是需插補的曲線，用逐點比較法插補前，先根據(jù)AB的形狀構(gòu)造函數(shù)：F=F(x,y) x,y為刀具的坐標函數(shù)F的正負必須反映出刀具與曲線的相對位置關(guān)系，設(shè)這種關(guān)系為： F(x,y)0 刀具在曲線上方 F(x,y)=0 刀具在曲線上 F(x,y)0F=0F03.2

9、 插補原理一、逐點比較法插補原理直線插補進給控制若點P在直線上或上方（F0），應(yīng)向正X方向發(fā)一脈沖，使機床刀具向正X方向前進一步，以接近該直線若點P在直線下方時（F0），應(yīng)向正Y方向發(fā)一脈沖，使機床刀具向正Y方向前進一步，以接近該直線XOAYP1(Xi,Yi)P2(Xi+1,Yi)P1(Xi,Yi)XOAYP2(Xi,Yi+1)3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理直線插補偏差計算新加工點的偏差可用前一點的偏差遞推出來：當(dāng)F0時，刀具從(Xi,Yi)向+X方向前進一步到達(Xi+1,Yi)，則新加工點的偏差值為：當(dāng)F0時，刀具從(Xi,Yi)向+Y方向前進一步到達(Xi,Yi+1)，則新加工點

10、的偏差值為：XOAYP1(Xi,Yi)P2(Xi+1,Yi)P1(Xi,Yi)XOAYP2(Xi,Yi+1)3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理直線插補終點判別單向計數(shù)：把Xe、Ye中數(shù)值較大的坐標值作為計數(shù)長度，Xi走一步，計數(shù)長度減1，直到計數(shù)長度等于0，插補停止。雙向計數(shù)：把Xe+Ye作為計數(shù)長度，如例題分別計數(shù)：即計X，又計Y，只有當(dāng)X、Y均減到零時，停止插補。3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理直線插補插補如下直線用逐點比較法加工直線OA，寫出插補計算過程并畫出插補軌跡。XOA(5,3）Y X0,Y0,Xe,Ye / Xe+YeE開始 Fi0？ +X方向進給 +Y方向進給 FiF

11、i-Ye FiFi+Xe EE-1 E=0？結(jié)束YNYN脈沖個數(shù)偏差判別進給方向偏差計算終點判別0F0=Y0Xe-X0Ye=0E=81F0=0+XF1=F0-Ye=0-3=-3E=E-1=8-1=702F1=-30+XF3=F2-Ye=2-3=-1E=E-1=6-1=504F3 =-10+XF5=F4-Ye=4-3=1E=E-1=4-1=306F5=10+XF6=F5-Ye=1-3=-2E=E-1=3-1=207F6 =-2+YF7=F6+Xe=-2+5=3E=E-1=2-1=108F7=30+XF8=F7-Ye=3-3=0E=E-1=1-1=0XOA(5,3）Y脈沖個數(shù)偏差判別進給方向01F

12、0=0+X2F1=-30+X4F3 =-10+X6F5=10+X7F6 =-2+Y8F7=30+X3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理直線插補其它象限插補方法四個象限的直線插補都用同樣的公式計算偏差，只是計算時，終點坐標和加工點坐標均取絕對值。進給方向由實際象限決定 練習(xí)：插補直線（-5，5）F0+XF0-XF0-XF0+XF0+YF0+YF0-Y3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理圓弧插補第一象限逆圓弧的插補計算逆圓弧插補偏差判別式定義為：設(shè)點P(Xi,Yi)在圓弧外側(cè)或圓弧上（F0）,加工點將沿-X方向進給一步，到點(Xi+1,Yi+1)，則:設(shè)點P(Xi,Yi)在圓弧內(nèi)側(cè)（F0F0X

13、OA（X0,Y0）YP（Xi,Yi）B（Xe,Ye）3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理圓弧插補第一象限逆圓弧的插補計算加工圖示逆圓弧AB，A(6,0),B(0,6)，試對其進行插補運算，并畫出插補軌跡。3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理圓弧插補脈沖個數(shù)偏差判別進給方向偏差計算坐標計算終點判別0F0=X02+Y02-R2=0X0=6 Y0=0E=121F0=0-XF1=F0-2X0+1=-11X1=5 Y1=0E=112F1=-110+YF2=F1+2Y1+1=-10X2=5 Y2=1E=103F2=-100+YF3=F2+2Y2+1=-7X3=5 Y3=2E=94F3 =-70+YF4

14、=F3+2Y3+1=-2X4=5 Y4=3E=85F4=-20-XF6=F5-2X5+1=-4X6=4 Y6=4E=67F6 =-40-XF8=F7-2X7+1=-2X8=3 Y8=5E=49F8 =-20-XF10=F9-2X9+1=4X10=2 Y10=6E=211F10=40-XF11=F10-2X10+1=1X11=1 Y10=6E=112F11=10-XF12=F11-2X11+1=0X12=0 Y10=6E=0脈沖個數(shù)偏差判別進給方向01F0=0-X2F1=-110+Y3F2=-100+Y4F3 =-70+Y5F4=-20-X7F6 =-40-X9F8 =-20-X11F10=40-X12F11=10-X3.2 插補原理一、逐點比較法插補原理圓弧插補第一象限順圓弧的插補計算順圓弧插補偏差判別式定義為：設(shè)點P(Xi,Yi)在圓弧外側(cè)（F0）加工點將沿-Y方向進給一步，到點(Xi+1,Yi+1)，則:設(shè)點P(Xi,Yi)在圓弧內(nèi)側(cè)（F0）加工點將沿+X方向進給一步，到點(Xi+1,