數控系統的應用分析課件

1、 2022/9/181 專題二： 數控系統的應用分析一、數控的基本設想二、數控系統的組成及分類三. 數控加工的程序編制 2022/9/182 專題二 數控系統的應用分析一. 數控的基本設想 1. 機械零件切削加工的基本要求（需求分析）按圖紙加工大致有二類數據信息：1）幾何數據（刀具運動軌跡） 零件粗、精加工后的幾何形狀-以線段的形式順序表達。 2）工藝數據（切削用量及機械動作的開關量） 切削用量：進給量、切削速度等 機械動作的開關量：主軸轉速、冷卻液等 2022/9/183 專題二 數控系統的應用分析一. 數控的基本設想 2. 被控制量的數字化（編碼） 刀具運動軌跡控制設想：是把刀具與工件的相

2、對運動坐標分割成一些最小的量化單位，也就是“最小位移量”（脈沖當量）。在允差范圍內，用各坐標的最小單位移動量合成的分段直線運動來代替任意的曲線運動，以獲得所需的軌跡。 針對不同的執(zhí)行元件有不同的分割方法。 2022/9/184 專題二 數控系統的應用分析一. 數控的基本設想 3. “插補”運動控制算法。 數據的密化。確定密化的中間點的方法：直線插補，圓弧插補（或二次、三次曲線插補）。 vs1S2S3tFS1加速段，S2勻速段，S3減速段加減速控制tv插補控制T為插補周期Tvi為采樣周期插補后的單軸位移量 2022/9/185 專題二 數控系統的應用分析一. 數控的基本設想 4. 伺服放大 伺服

3、系統是以執(zhí)行部件（伺服電機或機械移動部件）的位置和速度為控制量的自動控制系統，伺服系統接收計算機插補軟件生成的位移脈沖或位移數據，經變換和放大轉化為執(zhí)行部件的位移。 伺服系統的性能，在很大程度上決定了數控機床的性能。例如，數控機床最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于伺服系統的動態(tài)和靜態(tài)性能。因此，伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。 2022/9/186 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1. 數控系統的組成 CNC數控系統由人機界面和機床操作面板，計算機數字控制裝置，可編程控制器（PLC），輸入輸出接口，主軸驅動裝置和進給驅動裝置等組成。 CNC裝置的

4、控制信息包括運動控制信息和開關量控制信息。運動控制信息有坐標軸的位置和速度控制，以及速度和位置反饋信息。 開關量控制信息有控制機電器件（電磁鐵，離合器等）實現輔助功能（如齒輪換檔，刀架回轉等和輔助電機等運行或停止的指令信息，以及有關限位開關、參考點等的反饋信息。 電器柜中有進給伺服裝置，主軸調速裝置，開關電器元件和電源等。它從CNC裝置中獲得指令信息，經過放大形成有一定功率的驅動電源供給機床上的各個執(zhí)行器件。 2022/9/187 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1. 數控系統的組成驅動電源速度反饋驅動電源速度反饋 伺服電機 伺服電機主軸電機 坐標軸 CNC裝置 電器柜

5、機床限位開關，參考點 機電器件（電磁鐵，離合器等） 輔助功能（齒輪箱，回轉刀架等） 輔助電機進給伺服裝置主軸調速裝置顯示器,鍵盤機床控制面板 電源開關電器元件通訊接口 CNC裝置運動指令位置反饋開關量I/O電源 2022/9/188 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 SIEMERIK 810 數控裝置人機界面和機床操作面板。 1.為顯示器和軟功能鍵， 2為LED信號和報警燈， 3為程序編輯鍵盤， 4為特殊鍵盤， 5為光標鍵盤， 6為機床控制面板， 7為RS232C串行通訊接口 顯示器顯示內容包括運行模式、運行狀態(tài)、運行和報警信息、文本和圖形顯示、提示信息

6、。 機床控制面板由程序停止、啟動，主軸停止、啟動，進給軸停止、啟動，手動軸進給和主軸、進給軸倍率等組成。 2341765 2022/9/189 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 GSK980i 數控裝置人機界面和機床操作面板。 2022/9/1810二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1811二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1812二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1813二. 數控系統的

7、組成及分類 1.數控系統的組成-西門子 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1814二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成海德漢iTNC530 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1815二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成FANUC 31 i 專題二 數控系統的應用分析 2022/9/1816 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 2022/9/1817 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 1.數控系統的組成 2022/9/1818 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 2. 數控系統的分類

8、1) 按用途分類。l金屬切削類數控系統 金屬切削類數控系統有數控車床、數控銑床 、數控鉆床、數控鏜床、數控磨床、加工中心等。加工中心（MANUFACTURE CENTRE，簡稱MC）是帶有刀庫和自動換刀裝置的一機多工序的數控機床，它可以對一次裝夾的工件進行車、銑、鏜、鉆、餃、螺紋等多工序加工。加工中心有效的避免了零件多次裝夾造成的定位誤差，減少了機床臺數和占地面積，大大提高了加工精度、生產效率和自動化程度。l金屬成型類數控系統 金屬成型類數控系統有數控折彎機、數控彎管機、數控壓力機等。 數控特種加工機床 數控特種加工機床有數控線切割機、數控電火花加工機床、數控激光加工機床。 2022/9/18

9、19 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 2. 數控系統的分類 2) 按運動方式分類。l 點位控制系統 點位控制系統的特點是只控制刀具相對于工件的定位點的坐標位置，從某一工作位置移動到另一工作位置的過程中不進行加工，對軌跡無要求，僅要求定位的準確性(Flexible Manufacturing System 柔性制造系統)。這類數控機床主要有數控鉆床、數控鏜床、數控沖床和數控測量機等。l 直線控制系統 直線控制系統的特點是除有定位要求外，還要求進給運動沿平行于坐標軸的方向直線移動進行切削加工，或者控制兩個坐標軸以同樣的速度同時運動，沿45斜線進行切削加工。直線控制的數控車床，

10、只有兩個坐標軸，可用于臺階軸的加工。直線控制的數控銑床，有三個坐標軸，可用于平面銑削加工。l輪廓控制系統 該類數控系統能夠同時控制二個以上的坐標軸聯動，使刀具和工件按平面任意直線、曲線或空間曲面輪廓進行相對運動。加工出任何形狀的復雜零件。在加工中，需要不斷地進行插補運算與相應的速度和位置控制?，F代大部分數控系統都屬于這類系統。 2022/9/1820 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 2. 數控系統的分類 3) 按伺服控制方式分類。l 開環(huán)控制系統 開環(huán)控制系統就是不具有任何被控量實際值反饋的數控系統。這種系統通常使用步進電機作為執(zhí)行機構。數控裝置根據所要求的進給速度和位移

11、，輸出一定頻率和數量的進給指令脈沖，經過驅動電路放大后，每一個進給脈沖驅動步進電機旋轉一個步距角，再經過傳動系統轉換成工作臺的一個當量位移。由于步進電機及驅動電路本身結構的緣故，使得開環(huán)控制系統精度較低，響應速度低，且功率也不能太大。但開環(huán)控制系統結構簡單、運行平穩(wěn)、成本低、使用維護方便，被廣泛應用于經濟型數控機床上。脈沖指令 驅動系統 步進電機 數控裝置 機床工作臺開環(huán)控制系統示意圖 2022/9/1821 專題二 數控系統的應用分析二. 數控系統的組成及分類 2. 數控系統的分類 閉環(huán)控制系統和半閉環(huán)控制系統 閉環(huán)和半閉環(huán)數控系統具有位置和速度檢測元件，數控裝置將位移指令與位置檢測元件檢測

12、到的實際位置進行實時的比較，其差值與數控裝置給定的指令速度按一定的關系轉換得到伺服驅動系統的速度指令。同時，速度檢測元件將測得的實際速度反饋信號與該速度指令相比較，以對電機的轉速進行實時校正。利用這種位置控制和速度控制的雙回路控制，可以獲得比開環(huán)控制系統精度更高、響應速度更快、驅動功率更大的特性指標。數據指令-+閉 環(huán)半閉環(huán) 驅動系統 伺服電機 數控裝置 機床工作臺位置 控制 檢測裝置速度控制閉環(huán)控制系統和半閉環(huán)控制系統示意圖 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 1. 程序編制的基本概念 數控加工程序的編制就是將零件的工藝過程、工藝參數、刀具位移量及位移方向、其他輔助動作（刀具

13、選擇、冷卻劑、工件加緊等開關量），按運動順序和所用數控系統規(guī)定的坐標系和指令代碼及程序格式編成加工程序單，這稱為數控加工程序的編制。 理想的加工程序，不僅應保證加工出符合圖紙要求的合格零件，而且應能使數控設備效能得到合理的應用和充分的發(fā)揮。 2022/9/1823 2、數控加工編程的有關規(guī)定數控機床坐標軸系及運動方向 根據ISO國際標準，坐標系采用右手直角笛卡兒坐標系，如圖所示，它規(guī)定了直角坐標X、Y、Z三者的關系及正方向用右手定則來確定。其圍繞X、Y、Z各軸的旋轉軸及其正方向為A、B、C分別用右螺旋法則判定。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1824機床坐標

14、系的設定 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1825編程坐標系或產品坐標系產品坐標系是用戶在CAD/CAM軟件中對產品進行設計時所設定的坐標系。在CAD/ CAM軟件中自動生成的NC代碼中各軸的坐標值都是相對產品坐標系的機床坐標系 機床坐標系是生產廠家在制造機床時的固定坐標系，其原點也稱機械零點，以使加工零件材料增大的方向為正。附加運動坐標 U、V、W 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1826絕對坐標和相對坐標 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 絕對坐標：相對坐標： 2022/9/1827 專題二 數控系統的應

15、用分析三. 數控加工的程序編制 當工件毛坯在機床上裝夾時，由于工件坐標系與機床坐標系原點不重合，由此就需要對產品坐標系到機床坐標系進行坐標轉換。對于三軸的銑床和二軸的車床來說，轉換只是一個坐標平移的過程，這只需在NC代碼中通過設定工件坐標系相對機床坐標系的坐標偏移值即可實現。（G54G59） 2022/9/1828 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 三坐標銑床坐標轉換圖 2022/9/1829 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 而對于五軸聯動的銑床來說，工件坐標系到機床坐標系的轉換則是個計算比較復雜的過程。五軸加工中，CAD/CAM軟件中的坐標點由x,y,z

16、三軸的坐標和期望的刀軸方向的方向矢量i,j,k 六個坐標來表示。XfX（x，y，z，i，j，k）；YfY（x，y，z，i，j，k）；ZfZ（x，y，z，i，j，k）；BfB（x，y，z，i，j，k）；CfC（x，y，z，i，j，k）；當機床的結構形式不同時，上述的轉換函數形式也就不同。 2022/9/18302、數控加工代碼及功能地址字母表（ISO6983/1標準）符號含 義符號含 義A繞X坐標的旋轉軸N程序段序號B繞Y坐標的旋轉軸S主軸速度功能C繞Z坐標的旋轉軸T刀具功能F進給速度功能U平行于X軸的第二直線運動G準備功能 V 平行于Y軸的第二直線運動I不指定，一般用于圓弧運動W平行于Z軸的第

17、二直線運動J不指定，一般用于圓弧運動X主X坐標軸的直線運動K不指定，一般用于圓弧運動Y主Y坐標軸的直線運動M輔助功能 Z主Z坐標軸的直線運動 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1831常用G代碼的定義代碼功 能代碼功 能G00快速空運行G18XZ平面選擇G01直線插補G19YZ平面選擇G02順時針方向圓弧插補G33螺紋切削，等螺距G03逆時針方向圓弧插補G90絕對尺寸G04暫停G91增量尺寸G17XY平面選擇 常用M代碼的定義M00程序停止 M03主軸正轉M04主軸反轉 M05主軸停止M08冷卻液開 M30程序結束 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序

18、編制 2022/9/18323、程序結構與格式 一個完整的數控加工程序由若干程序段組成；而每個程序段是由一個或若干個字組成。每個字又由字母和數字數據（包括符號）組成，每個字表示了一種功能。每個字都由字母開頭，ISO標準規(guī)定的地址字母意義如表41所示。其中準備功能G代碼定義了數控系統的加工運動和插補方式的功能，它由地址G和后面的二位數字組成。表42為常用的G代碼表。例如，某一加工程序：N5 G54N10 T01N20 S400 M03 N30 G01 X8000 Z3000 F200 N40 X12000 Z6000 N100 G00 X50000 Z20000 M02 專題二 數控系統的應用分

19、析三. 數控加工的程序編制 2022/9/18334、 G代碼的編程方法1)與坐標系有關的指令 G17 G18 G19 G90 G91 G922)快速定位 G003)插補指令 G01 G02 G03 G33 自定義4)暫停指令 G045)刀具半徑補償 G40 G41 G42 6)刀具長度補償 T D H G43 G44 7)固定循環(huán)指令 8 )機床坐標系與編程坐標系 參考點 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1834 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 組別功 能*G0001定位（快速移動）*G01直線插補（切削進給）G02圓弧插補 / 螺旋線插

20、補CWG03圓弧插補 / 螺旋線插補CCWG0400暫停，準停G05.1預讀控制（超前讀多個程序段）G07.1圓柱插補G08預讀控制G10可編程數據輸入G11可編程數據輸入方式取消*G1517極坐標指令取消G16極坐標指令*G1702選擇XY平面*G18選擇ZX平面*G19選擇YZ平面組別功 能G2006英寸輸入G21毫米輸入*G2204存儲行程檢測功能接通G23存儲行程檢測功能斷開G2800返回參考點（機械原點）G3301螺紋切削*G4007刀尖半徑補償取消G41刀尖半徑補償，左側G42刀尖半徑補償，右側G4308正向刀具長度補償G44負向刀具長度補償G4500刀具位置偏置加G46刀具位置偏

21、置減G47刀具位置偏置加2倍G48刀具位置偏置減2倍*G4908刀具長度補償取消FANUC 0i-MA系統指令表 2022/9/1835 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 FANUC 0i-MA系統指令表*G5011比例縮放取消G51比例縮放有效*G50.112可編程鏡像取消G51.1可編程鏡像有效G5200局部坐標系設定G53選擇機床坐標系*G5414選擇工件坐標系1G55選擇工件坐標系2G56選擇工件坐標系3G57選擇工件坐標系4G58選擇工件坐標系5G59選擇工件坐標系6G6315攻絲方式*G64切削方式G6500用戶宏程序G6816坐標旋轉有效*G69坐標旋轉取消G7

22、309深孔鉆循環(huán)G74左旋攻絲循環(huán)G7609精鏜循環(huán)*G8009固定循環(huán)取消/外部操作功能取消G81鉆孔循環(huán)，锪鏜循環(huán)或外部操作取消G82鉆孔循環(huán)或反鏜循環(huán)G83深孔鉆循環(huán)G84攻絲循環(huán)G85鏜孔循環(huán)G86鏜孔循環(huán)G87背鏜循環(huán)G88鏜孔循環(huán)G89鏜孔循環(huán)*G9003絕對值編程*G91增量值編程 2022/9/1836 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 FANUC 0i-MA系統指令表G9200設定工件坐標系或最大主軸速度箝制*G9405每分進給G95每轉進給G9613恒表面切削速度控制*G97恒表面切削速度控制取消*G9810固定循環(huán)返回到初始點G99固定循環(huán)返回到R點 2

23、022/9/1837 在編制數控加工程序時，首先根據被加工零件的形狀、尺寸及公差、表面質量、材料等技術要求，制訂滿足這些要求的加工方法與走刀路線等等工藝過程。這就是所謂的工藝處理。 在對零件編程時，應選定一個編程坐標系，其原點就稱程序原點或編程原點。其原點應按它的設計或工藝基準選取。 數控機床本身有個坐標系原點，稱機床原點，或稱參考點和機械原點。當零件被裝夾在機床上加工時，必須知道編程原點與機床原點間精確的坐標關系。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1838編程原點與機床原點間精確坐標關系確定方法以車床為例： 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制

24、 機床坐標系原點工件坐標系原點，設置與機床坐標系的偏置（G54G59）來指定XZ刀具長度補償的值為刀尖到這一點的X方向和Z方向的尺寸B2Y2 2022/9/1839 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 銑削循環(huán)端面銑削輪廓銑削矩形過渡銑削圓弧過渡銑削中心鉆孔深度鉆孔鏜孔鉸孔加工一排孔加工一圈孔螺紋銑削端面銑削粗精加工輪廓銑削粗精加工 2022/9/1840 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 車削加工的粗加工循環(huán)和精加工 2022/9/1841 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 加工中心是具有刀庫和自動換刀裝置的數控鏜銑床或具有刀庫和動力刀架的

25、數控車床。立式加工中心適合于加工蓋板類零件及各種模具臥式加工中心主要用于箱體類零件加工車削中心主要用于軸類零件的車削、銑削復合加工 2022/9/1842 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 加工中心編程的特點首先應進行合理的工藝分析，正確安排各加工工序的順序。選用正確的刀具，合適的切削用量。在加工調試時，可以將不同工序的內容分別安排到不同的子程序中，主程序主要完成換刀及子程序調用，這樣每個子程序可以分別進行調試，也便于因加工順序不合理而做出重新調整。自動換刀要留出足夠的換刀空間。 2022/9/18435、數學處理 一個零件的輪廓可能由許多不同的幾何元素組成，例如直線、圓弧、

26、二次曲線等。各相鄰幾何元素之間的連接點稱為“基點”，如直線與直線及直線與圓弧的交點或切點，圓弧與二次曲線的交點或切點等；在相鄰基點間只能是一個幾何元素。數控加工編程的數學處理，就是計算零件輪廓的基點坐標值，使基點間的幾何元素能用數控加工“G”指令編程。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1844 1) 多坐標加工2，2 1/2坐標加工 橢圓臺加工 XY-ZX 直線、圓弧、阿基米德 螺旋線=3坐標加工 XZC 螺旋線： 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/18454坐標加工 XYAB5坐標加工 X,Y,Z,B,C的耦合與解耦問題： 專

27、題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1846 5坐標加工 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/18472) 非圓曲線的節(jié)點計算 由于數控插補指令只有直線、圓弧等少數幾種幾何元素，對于非圓弧曲線只能采用直線逼近或圓弧逼近的方法。根據允許的編程誤差，可將這類曲線分割成若干段，用直線或圓弧來代替（逼近）這些曲線段，并使這些直線或圓弧與被逼近的曲線每小段的誤差都不大于編程誤差。這些直線或圓弧與被逼近曲線的交點稱為“節(jié)點”，這樣，數學處理的任務就是計算節(jié)點的坐標值。 例如：用直線或圓弧逼近方程曲線y=f(x) 的非圓曲線時，節(jié)點數目及其坐標值主要

28、取決于曲線的特性、逼近線段的形狀及允許的逼近誤差值。 常用的節(jié)點計算方法有：等間距直線逼近法，等步長直線逼近法，等誤差直線逼近法，圓弧和雙圓弧逼近法，樣條函數逼近法等。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1848 等間距直線逼近 曲線曲率和曲線的一階導數變化較大時，程序段數過多。等步長直線逼近 曲線曲率變化較大時，程序段數過多。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 Yxox1xiY0YixY=f(x)Yxox1xiY0YiY=f(x)li 2022/9/1849 等誤差逼近 計算較繁。圓弧逼近 曲率圓法 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的

29、程序編制 Yxox1xiY0YiY=f(x)i 2022/9/1850 3) 列表曲線的數學處理 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1851 3) 列表曲線的數學處理列表曲線的擬合過程求出插值方程加密求節(jié)點。三次樣條（Spline）曲線的擬合一階，二階導數連續(xù)，比較符合固體彈性變形和流體力學的規(guī)律。處理小撓度較好。圓弧樣條擬合 一階導數連續(xù)，二階導數不連續(xù)，不適合作空間描述。當曲線有拐點時無法擬合。擬合與節(jié)點計算同時進行，計算簡單。 專題二 數控系統的應用分析三. 數控加工的程序編制 2022/9/1852 3) 列表曲線的數學處理NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）曲線。 NURBS曲線有很多優(yōu)秀特性，如局部更改性，使其在CAD/CAM領域已得到較為成功的應用。各著名的CAD/CAM商業(yè)軟件包都把是否具有NURBS曲面造型能力視為其先進性的標志之一。國際標準組織在1991年將BURBS曲線作為STEP