數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用多媒體電子課件

北京大學(xué)出版社主編：賈偉杰12一數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)字控制（NumericalControlNC）是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行可編程控制的自動化方法。數(shù)控技術(shù)（NumericalControlTechnology）采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)就是利用數(shù)字化信號進行控制的技術(shù)數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子1-1數(shù)控機床的產(chǎn)生及作用31-1數(shù)控機床的產(chǎn)生及作用

一、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生1948年：麻省理工學(xué)院&帕森斯公司研制1952年：世界第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床誕生1955年：投入實用階段注：該數(shù)控機床是在1946年計算機問世的前提下誕生的，數(shù)控系統(tǒng)由電子管構(gòu)成且為硬線數(shù)控系統(tǒng)41-1數(shù)控機床的產(chǎn)生及作用二、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展從NC發(fā)展到CNCMC（加工中心）的發(fā)展DNC（直接數(shù)字控制）的發(fā)展FMC（柔性制造單元）的發(fā)展FMS（柔性制造系統(tǒng)）的發(fā)展CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的發(fā)展IMS（智能制造系統(tǒng)）的發(fā)展51-1數(shù)控機床的產(chǎn)生及作用“六五”（1981~1985年）引進國外技術(shù)“七五”（1986~1990年）消化吸收“八五”（1991~1995年）科技攻關(guān)“九五”（1996~2000年）產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)三、我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展

1958年：開始進行數(shù)控機床研制（JCS-018）富有成效的研制四階段6

數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析數(shù)控加工程序工序卡傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖2傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖1-2數(shù)控機床的組成71-2數(shù)控機床的組成數(shù)控機床加工過程8數(shù)控機床的基本組成1-2數(shù)控機床的組成9數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，它接受輸入裝置送來的加工程序，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令來控制機床的各個部分，進行規(guī)定的、有序的操作。這些控制信號中最基本的信號是：由插補運算決定的各坐標(biāo)軸(即進給運動的各執(zhí)行部件)的進給位移量、進給方向和速度的指令；主運動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具的指令信號；控制冷卻和潤滑的啟停，機床部件的松開、夾緊以及分度工作臺的轉(zhuǎn)位等輔助指令信號。1-2數(shù)控機床的組成10伺服驅(qū)動系統(tǒng)及反饋系統(tǒng)

伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置(電動機)組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來的速度和位移指令來控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移。每個作進給運動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

反饋系統(tǒng)將數(shù)控機床各坐標(biāo)軸的位移檢測出來并反饋到機床的數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對反饋回來的實際位移值與設(shè)定值進行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達到設(shè)定值所需的位移量指令。1-2數(shù)控機床的組成11輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的主軸換向、變速、啟停，刀具的選擇和交換，以及操作其他輔助裝置等指令信號，經(jīng)過必要的編譯、邏輯判斷和運算，再經(jīng)功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的電器，從而驅(qū)動機床的機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的動作。此外機床上的限位開關(guān)等開關(guān)信號經(jīng)處理后送數(shù)控系統(tǒng)進行處理。1-2數(shù)控機床的組成12

數(shù)控機床的種類很多，從不同角度對其進行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：1-3數(shù)控機床的分類13

按工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控沖裁機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等。數(shù)控機床的分類1-3數(shù)控機床的分類141-3數(shù)控機床的分類按運動軌跡分類

點位控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)15按控制功能分類點位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機。1-3數(shù)控機床的分類16輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時諧調(diào)運動(坐標(biāo)聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床?，F(xiàn)代的數(shù)控機床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。1-3數(shù)控機床的分類17

開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)1-3數(shù)控機床的分類按控制方式分類半閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)18開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大1-3數(shù)控機床的分類19無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。1-3數(shù)控機床的分類20

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋1-3數(shù)控機床的分類21半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。1-3數(shù)控機床的分類22

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋1-3數(shù)控機床的分類231-3數(shù)控機床的分類按功能水平分類功

能高

檔中

檔低

檔系統(tǒng)分辨率/μm0.1110進給速度/(m/min)24～10015~248~15伺服進給類型閉環(huán)及直、交流伺服半閉環(huán)及直、交流伺服開環(huán)及步進電動機聯(lián)動軸數(shù)5軸或5軸以上2~4軸2~3軸通信功能RS-232C、DNC、MAPRS-232C或DNC無顯示功能CRT，可顯示三維圖形，自診斷CRT，可顯示圖形，人機對話數(shù)碼管PLC強功能內(nèi)裝PLC內(nèi)裝無主CPU32位、64位16位8位24

一數(shù)控機床的加工特點

提高加工精度提高生產(chǎn)效率對加工對象的適應(yīng)性強自動化程度高，勞動強度低良好的經(jīng)濟效益1-4數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍25

一數(shù)控機床的使用特點數(shù)控機床對操作、維修人員的要求

數(shù)控機床采用計算機控制，伺服系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，機床精度很高，其操作和維修均較復(fù)雜，故要求操作、維修及管理人員具有較高的文化水平和技術(shù)素質(zhì)。數(shù)控機床對夾具和刀具的要求1-4數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍26

數(shù)控機床的應(yīng)用范圍數(shù)控機床最適合加工具有以下特點的零件。(1)多品種、小批量生產(chǎn)的零件。(2)形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件。(3)需要頻繁改型的零件。(4)價值昂貴、不允許報廢的關(guān)鍵零件。(5)設(shè)計、制造周期短的急需零件。(6)批量較大、精度要求較高的零件。1-4數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍271-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化28

運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢29運行高速化：使進給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。

進給率高速化：在分辨率為1m時，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢30主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），即主軸電機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度

0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度

6.3秒。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢31加工高精化：提高機械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細(xì)化，采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上106

脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達到0.01m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢32采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1

m。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢33

由于計算機技術(shù)的不斷進步，促進了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢34功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機床—組合加工中心；1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢35

控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢36

加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運行的安全性。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢37MitsubishiElectric公司的用于數(shù)控電火花成型機床的“MiracleFuzzy”基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進行加工過程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。國內(nèi)清華和我校的自適應(yīng)控制技術(shù)的研究已取得成果。正在進行商品化開發(fā)。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢38加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

將工藝專家或技工的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢39目前已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動編程功能。國內(nèi)清華和我校在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進行實用化開發(fā)。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢40

智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、ANN等），實現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢41

智能化交流伺服驅(qū)動裝置

目前已開始研究能自動識別負(fù)載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢42

智能4M數(shù)控系統(tǒng)在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢43

體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢44開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗；1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢45向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強市場供應(yīng)能力和競爭能力。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢46開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計算機硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢47

國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進展美國：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)計劃日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計劃華中I型——基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)——基于PC的多機CNC開放體系結(jié)構(gòu)1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢48

驅(qū)動并聯(lián)化并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機床、虛軸機床）是數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。驅(qū)動桿機架

動平臺主軸電機伺服電機主軸刀具柔性夾具工件靜平臺圖

并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢49

特點并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢50

鑒于并聯(lián)機床具有許多傳統(tǒng)機床所無法比擬的卓越性能，它作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機床技術(shù)的一個重要研究方向。近年來，受到了國際機床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國際知名機床博覽會上，一些世界著名的機床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機床，得到了行家們的高度評價，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”，“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢51

交互網(wǎng)絡(luò)化支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）監(jiān)視、控制。數(shù)控機床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)（數(shù)控機床故障的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）診斷、遠(yuǎn)程維護、電子商務(wù)等）。1-5數(shù)控機床的發(fā)展趨勢52本章作業(yè)1.簡述數(shù)控機床的基本組成部分及其基本功能簡明闡述數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢（要求參考3篇以上相關(guān)參考文獻，并注明作者、文獻名稱、期刊名稱或出版社，出版時間）第一章數(shù)控機床概述53本章結(jié)束

！請各位同學(xué)認(rèn)真復(fù)習(xí)本章內(nèi)容！數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用北京大學(xué)出版社主編：賈偉杰2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程55一、數(shù)控裝置的組成早期的數(shù)控裝置完全由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成，稱為硬件數(shù)控(NC)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控裝置大都以微型計算機為主體，部分功能由軟件來實現(xiàn)，稱為計算機數(shù)控裝置(CNC)。計算機數(shù)控裝置由硬件和軟件兩大部分組成，硬件為軟件的運行提供支持環(huán)境。數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)：單微處理器結(jié)構(gòu)2.多微處理器結(jié)構(gòu)56二、

CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

CNC系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖

2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程581、譯碼(解釋)將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序（本例是指刀補處理程序）所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程59StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//緩沖區(qū)狀態(tài)，0空；1準(zhǔn)備好。intblock_num；//以BCD碼的形式存放本程序段號。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的數(shù)值（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以標(biāo)志形式存放G指令。charG1；charM0；//以標(biāo)志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段換刀的刀具號。charD；//存放刀具補償?shù)牡毒甙霃街?。}；2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程60以標(biāo)志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：無該指令；1：有該指令G010：無該指令；1：有該指令G020：無該指令；1：有該指令G030：無該指令；1：有該指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：無該指令；1：有該指令00：G40；11：G4001：G41；10；G422.1數(shù)控裝置的組成和工作過程61在程序中一般都有由若干個這樣結(jié)構(gòu)組成的程序緩沖區(qū)組，當(dāng)前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送入緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序（如刀補程序）從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進行工作。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程62

N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789StructPROG_BUFFER

{

charbuf_state；0：(開始)；1（；）⑨

intblock_num；06（N06）①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；（G90）②

D6,D7=0,1（G41）③

D1=1；（G01）⑤

……

charD；D=11（D11）④}；2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程63刀補處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點（P’e/P〃e）坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進行段間連接處理。.刀補處理(計算刀具中心軌跡)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42P’eP”eR2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程643.速度預(yù)處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量，供插補程序使用。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程65速度處理程序主要完成以下幾步計算：計算本段總位移量：直線：合成位移量L；園?。嚎偨俏灰屏喀痢Ｔ摂?shù)供插補程序判斷減速起點和終點之用。計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量：

ΔL=FΔt/60（μm）

式中：F--進給速度值（mm/min）；△t--數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）Lα2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程664.插補計算主要功能：計算插補周期的實際合成位移量：

△L1=△L*修調(diào)值分解△L1

→（△X1、△Y1）

將△L1按插補的線形（直線，園弧等）和本插補點所在的位置分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指令（△X1、△Y1）。

經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。插補模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程5.位置控制處理f（）插補輸出△X2△Y2指令位置X2iY2i跟隨誤差△X3△Y3X1iY1i實際位置反饋位置增量△X1、△Y1X1（i+1）Y1(i+1)X1(i-1)Y1(i-1)速度指令VX、VY圖3-16位置控制轉(zhuǎn)換流程++-+++2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程68位置控制完成以下幾步計算：計算新的位置指令坐標(biāo)值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊+△Y1；計算新的位置實際坐標(biāo)值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊+△Y2計算跟隨誤差(指令位置值—實際位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；計算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程69f()是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實現(xiàn)的。VX、VY送給伺服驅(qū)動單元，控制電機運行，實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程70三.CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點

CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個專用實時操作系統(tǒng)。由于其應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制領(lǐng)域（多任務(wù)性、實時性），因此，分析和了解這些要求是至關(guān)重要的，因為它既是系統(tǒng)設(shè)計和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過程。同時，這些要求也應(yīng)是CNC系統(tǒng)軟件的特點。2.1數(shù)控裝置的組成和工作過程71.多任務(wù)性與并行處理技術(shù)CNC控制要求的多任務(wù)性任務(wù)定義：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。CNC的功能則可定義為CNC的任務(wù)：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、…CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處理：為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。72

基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)并行處理定義：系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理的方法。采用并行處理技術(shù)的目的：合理使用和調(diào)配CNC系統(tǒng)的資源提高CNC系統(tǒng)的處理速度。并行處理的實現(xiàn)方式：資源分時共享并發(fā)處理（例如：流水處理）這些實現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。73資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)。資源分時共享——在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務(wù)占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。74位置控制插補運算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時共享圖750ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算背景程序各任務(wù)占用CPU

時間示意圖76資源分時共享技術(shù)的特征:在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務(wù)。因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。77并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行——并發(fā)處理；若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。78.前后臺型結(jié)構(gòu)模式該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分：前臺程序:主要完成插補運算、位置控制、故障診斷等實時性很強的任務(wù)，它是一個實時中斷服務(wù)程序。后臺程序(背景程序):

完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/出、插補預(yù)處理等弱實時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運行的程序，在運行過程中，不斷地被前臺程序定時打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。79前后臺程序運行關(guān)系圖

80前后臺型結(jié)構(gòu)模式的特點任務(wù)調(diào)度機制:優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。前臺程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。信息交換:緩沖區(qū)。前臺和后臺程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的。實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先級等級、也無搶占機制。該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。81.中斷型結(jié)構(gòu)模式

這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。82中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點任務(wù)調(diào)度機制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。信息交換：緩沖區(qū)。實時性好。由于中斷級別較多（最多可達8級），強實時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷服務(wù)程序中。模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護和擴充。二十世紀(jì)80～90年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。2-2數(shù)控裝置的插補原理逐點比較法插補概念：每走一步都將加工點與給定軌跡進行比較，以確定下一步進給方向。

83插補結(jié)束插補開始偏差判別坐標(biāo)進給偏差計算終點判別YNXYO插補步驟2-2數(shù)控裝置的插補原理84插補規(guī)則當(dāng)F0，則沿+X方向進給一步當(dāng)F<0，則沿+Y方向進給一步。OA(Xe,Ye)M(Xi,Yi)XYF>0F<0F=0···一、逐點比較法直線插補偏差判別函數(shù)當(dāng)M在OA上，即F=0時；當(dāng)M在OA上方，即F>0時；當(dāng)M在OA下方，即F<0時；2-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202485當(dāng)Fi,j

0

新加工點坐標(biāo)為:Xi+1=Xi+1,Yj+1=Yj

新偏差為:Fi+1,j=XeYj-(Xi+1)Yj=Fi,j

-Ye當(dāng)Fi,j<0

新加工點坐標(biāo)為:Xi+1=Xi,Yj+1=Yj+1

新偏差為:Fi,j+1=Xe(Yj+1)-XiYe

＝Fi,j

+Xe終點判別方法：設(shè)置減法計數(shù)器(Xe

X

，Ye

Y;或Xe+Ye;或max(Xe,Ye))，進給一步減1，直至減到0為止偏差判別函數(shù)的遞推形式設(shè)當(dāng)前切削點M(Xi,Yi)的偏差為F=Fi,j=XeYj-XiYe

則根據(jù)偏差公式2-2數(shù)控裝置的插補原理逐點比較法直線插補示例4/8/2024862-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202487

Fm≥0

Fm

＜0

線型進給方向

偏差計算

線型

進給方向

偏差計算L1,L4+XFm+1=Fm-yeL1,L2+YFm+1=Fm+xeL2,L3-XL3,L4-Y四個象限直線插補計算2-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202488第一象限直線插補程序框圖2-2數(shù)控裝置的插補原理二、逐點比較法圓弧插補4/8/202489當(dāng)M(Xi,Yi)在圓弧上，則F=0；當(dāng)M(Xi,Yi)在圓弧外，則F>0；當(dāng)M(Xi,Yi)在圓弧內(nèi)，則F<0；插補規(guī)則當(dāng)F0，則沿-X方向進給一步當(dāng)F<0，則沿+Y方向進給一步Y(jié)OXA(X0,Y0)RRiM(Xi,Yj)B(Xe,Ye)F<0F>0F=0

偏差判別式2-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202490當(dāng)Fi,j

0

新加工點坐標(biāo)為:Xi+1=Xi-1,Yj+1=Yj

新偏差為:當(dāng)Fi,j<0

新加工點坐標(biāo)為:Xi+1=Xi,Yj+1=Yj+1

新偏差為:終點判別方法：|Xe-X0|+|Ye-Y0|偏差判別函數(shù)的遞推形式設(shè)當(dāng)前切削點M(Xi,Yi)的偏差為則根據(jù)偏差公式4/8/2024912-2數(shù)控裝置的插補原理逐點比較法圓弧插補示例2-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202492脈沖個數(shù)

偏差判別進給方向

偏差計算

坐標(biāo)計算終點判別0F0=0X0=XA=10Y0=YA=0n=0；N=121F0=0-XF1=F0–2X0+1=0-2×10+1=-19X1=X0-1=9Y1=Y0=0n=1＜N2F1=-19＜0+YF2=F1+2Y1+1=-19+2×0+1=-18X2=X1=9Y2=Y1+1=1n=2＜N3F2=-18＜0+YF3=F2+2Y2+1=-18+2×1+1=-15X3=X2=9Y3=Y2+1=2n=3＜N4F3=-15＜0+YF4=F3+2Y3+1=-15+2×2+1=-10X4=X3=9Y4=Y3+1=3n=4＜N5F4=-10＜0+YF5=F4+2Y4+1=-10+2×3+1=-3X5=X4=9Y5=Y4+1=4n=5＜N2-2數(shù)控裝置的插補原理四象限圓弧插補進給方向偏差大于等于零向圓內(nèi)進給，偏差小于零向圓外進給4/8/2024934/8/2024942-2數(shù)控裝置的插補原理四象限圓弧插補計算表

2-2數(shù)控裝置的插補原理4/8/202495第一象限逆圓弧插補程序框圖2-2數(shù)控裝置的插補原理特點：易于實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動插補4/8/202496OtYt0t1t2ti-1ti

tnYi-1YiY=f(t)一、數(shù)字積分法的工作原理如右圖，函數(shù)在[t0,tn

]的定積分，即為函數(shù)在該區(qū)間的面積：如果從t=0開始，取自變量t的一系列等間隔值為△t，當(dāng)△t足夠小時，可得如果取△t=1，即一個脈沖當(dāng)量δ，則函數(shù)的積分運算變成了變量的累加運算，如果δ足夠小時，則累加求和運算代替積分運算所引入的誤差可以不超過所允許的誤差。4/8/2024972-2數(shù)控裝置的插補原理JV：被積函數(shù)寄存器JR：累加寄存器(又稱余數(shù)寄存器)QJ：全加器

一般設(shè)余數(shù)寄存器JR的容量作為一個單位面積值，累加值超過一個單位面積，即產(chǎn)生一個溢出脈沖?！鱰(JV)+(JR)△S數(shù)字積分器的工作原理二、數(shù)字積分法直線插補4/8/202498OXYA(Xe,Ye)VxVyVM積分累加2-2數(shù)控裝置的插補原理2-2數(shù)控裝置的插補原理若取

t為一個時間脈沖時間間隔，即t=1,則4/8/202499選擇k時應(yīng)使每次增量△x和△y均小于1，以使在各坐標(biāo)軸每次分配進給脈沖時不超過一個脈沖（即每次增量只移動一個脈沖當(dāng)量），即Xe及Ye的最大允許值，受到寄存器容量限制，設(shè)寄存器的字長為N，則Xe及Ye的最大允許值為：

2N-1

2-2數(shù)控裝置的插補原理若要滿足4/8/2024100則若取則由于n為累加次數(shù)注：已設(shè)

t=12-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理實現(xiàn)該直線插補的積分器4/8/2024101X軸被積函數(shù)寄存器（Xe）

X軸積分累加器Y軸積分累加器

Y軸被積函數(shù)寄存器（Ye）X軸溢出脈沖Y軸溢出脈沖插補控制脈沖被積函數(shù)寄存器的函數(shù)值本應(yīng)為xe/2N和ye/2N，但從累加溢出原理來說，存放xe和ye僅相當(dāng)于小數(shù)點左移N位，其插補結(jié)果等效。程序框圖2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理數(shù)字積分法直線插補示例設(shè)要加工直線OA，起點O（0，0），終點A（5，2）。若被積函數(shù)寄存器JV、余數(shù)寄存器JR和終點計數(shù)器JE的容量均為三位二進制寄存器，則累加次數(shù)n＝23＝8，插補前JE、JRx、JRy均清零。4/8/20241024/8/20241032-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理累加次數(shù)X積分器Y積分器終點計數(shù)器JRx+JVx溢出△xJRy+JVy溢出△yJe10+101=10100+010=01000002101+101=0101010+010=10000013010+101=1110100+010=11000014111+101=1001110+010=00010115100+101=00110+010=0100100數(shù)字積分法直線插補運算過程（前五步）2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理三、數(shù)字積分法圓弧插補4/8/2024104OXYA(X0,Y0)B(Xe,Ye)M(Xi,Yi)VVxVyXiYiR第一象限逆園插補圖中參數(shù)有下述相似關(guān)系公式對照則設(shè)2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024105X軸被積函數(shù)寄存器（Yi）

X軸積分累加器Y軸積分累加器

Y軸被積函數(shù)寄存器（Xi）X軸溢出脈沖Y軸溢出脈沖插補控制脈沖

+1-1數(shù)字積分圓弧插補框圖2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024106統(tǒng)計進給脈沖總數(shù)判別終點；

直線插補圓弧插補統(tǒng)計累加次數(shù)判別終點；X、Y方向插補時分別對Xe,

Ye累加；X、Y方向插補時分別對Yi和Xi累加；X、Y方向進給（發(fā)進給脈沖）后，被積函數(shù)寄存器Jx、Jy內(nèi)容(Xe,Ye)不變；X、Y方向進給（發(fā)進給脈沖）后，被積函數(shù)寄存器Jx、Jy內(nèi)容(Yi,Xi)必須修正，即當(dāng)X方向發(fā)脈沖時，Y軸被積函數(shù)寄存器Jy內(nèi)容(Xi)減1（∵NR1）,當(dāng)Y方向發(fā)脈沖時，X軸被積函數(shù)寄存器Jx內(nèi)容(Yi)加1。

數(shù)字積分直線插補與圓弧插補的區(qū)別2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024107第一象限逆圓弧插補計算舉例OXYA(5,0)B(0,5)余數(shù)寄存器容量至少3位，故累加至n=2N=8，將有脈沖溢出。終點判別總步數(shù)為:|Xe-X0|+|Ye-Y0|=102-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/20241082-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024109

數(shù)據(jù)采樣插補法（又稱為數(shù)字增量插補法）基本原理用一系列首尾相連的微小直線段來逼近給定軌跡。這些微小直線段是根據(jù)程編進給速度（F指令），將給定軌跡按每個插補周期TS對應(yīng)的進給量（輪廓步長或進給步長ΔL）來分割的。每個TS內(nèi)計算出下一個周期各坐標(biāo)進給位移增量(ΔX,ΔY)，即下一插補點的指令位置；CNC裝置按給定采樣周期TC（位置控制周期）對各坐標(biāo)實際位置進行采樣，并將其與指令位置比較，得出位置跟隨誤差，由此對伺服系統(tǒng)進行控制。伺服電機工作臺速度控制單元傳動機構(gòu)位置控制檢測反饋插補器2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024110常用時間分割插補算法——把加工一段直線或圓弧的整段時間分為許多相等的時間間隔，該時間間隔T稱為單位時間間隔，也即插補周期。插補周期T內(nèi)的合成進給量f稱為一次插補進給量。若進給速度v的單位取mm/min，插補周期T的單位取ms，插補進給量的單位取μm，則一次插補進給量：

例：ＦＡＮＵＣ７Ｍ系統(tǒng)設(shè)F為程序編制中給定的速度指令（單位為mm/min)；插補周期T為８ｍｓ；f為一個插補周期的進給量(單位為μm);則2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/2024111時間分割插補算法要解決的關(guān)鍵問題插補周期T的選擇插補周期內(nèi)各坐標(biāo)軸進給量的計算

插補周期T的選擇1、插補周期T與插補運算時間的關(guān)系插補周期T必須大于插補運算時間與完成其它實時任務(wù)（插補及位置誤差計算、顯示、監(jiān)控、I/O處理）所需時間之和2、插補周期T與位置反饋采樣的關(guān)系插補周期T與位置反饋采樣周期可以相同，也可以不同。如果不同，則一般插補周期應(yīng)是采樣周期的整數(shù)倍。2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理4/8/20241123、插補周期與精度、速度的關(guān)系在直線插補中，插補所形成的每個直線段與給定的直線重合，不會造成軌跡誤差。在圓弧插補時，一般用內(nèi)接弦線或內(nèi)外均差弦線來逼近圓弧，這種逼近必然會造成軌跡誤差。最大半徑誤差eR與步距角δ的關(guān)系

eR=R(1-cos(δ/2)）對上式進行冪級數(shù)展開并化簡則得：最大徑向誤差：

eR=(FT)2/8R當(dāng)給定R、f和eR，則應(yīng)有T=(8ReR)1/2/FfYO

ReRR2-2數(shù)控系統(tǒng)的插補原理設(shè)給定直線OA，動點Mi-1(Xi-1,Yi-1)，程編進給速度F，插補周期T

，插補進給量f（進給步長）則f＝FT由圖可得如下關(guān)系：4/8/2024113插補周期內(nèi)各坐標(biāo)軸進給量的計算Xi-1A(Xe,Ye)OXiYi-1YiMi-1MiΔXiΔYiXY則T內(nèi)各坐標(biāo)軸對應(yīng)的位移增量

ΔXi=fXe/LΔYi=fYe/L由此可得下一個插補點Mi(Xi,Yi)的坐標(biāo)值為：

Xi=Xi-1+ΔXi

=Xi-1+fXe/LYi=Yi-1+ΔYi

=Yi-1+fYe/L114一.刀具半徑補償?shù)幕靖拍?/p>

1、什么是刀具半徑補償(ToolRadiusCompensation[offset])

根據(jù)按零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，數(shù)控裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。

A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償115.刀具半徑補償功能的主要用途實時將編程軌跡變換成刀具中心軌跡。可避免在加工中由于刀具半徑的變化(如由于刀具損壞而換刀等原因)而重新編程的麻煩。刀具半徑誤差補償，由于刀具的磨損或因換刀引起的刀具半徑的變化，也不必重新編程，只須修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可。減少粗、精加工程序編制的工作量。由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時，均要為精加工工序預(yù)留加工余量。加工余量的預(yù)留可通過修改偏置參數(shù)實現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個程序。2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償116.刀具半徑補償?shù)某Ｓ梅椒ǎ?/p>

B刀補：R2法，比例法，該法對加工輪廓的連接都是以園弧進行的。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償117在外輪廓尖角加工時，由于輪廓尖角處，始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差。在內(nèi)輪廓尖角加工時，由于C”點不易求得(受計算能力的限制)編程人員必須在零件輪廓中插入一個半徑大于刀具半徑的園弧，這樣才能避免產(chǎn)生過切。這種刀補方法，無法滿足實際應(yīng)用中的許多要求。因此現(xiàn)在用得較少，而用得較多的是C刀補。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償118

C刀補

采用直線作為輪廓間的過渡特點：尖角工藝性好可實現(xiàn)過切自動預(yù)報(在內(nèi)輪廓加工時)，從而避免產(chǎn)生過切。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償119.刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?.刀具半徑補償?shù)墓ぷ鬟^程刀補建立刀補進行刀補撤銷。起刀點刀補建立刀補進行刀補撤銷編程軌跡刀具中心軌跡2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償120.C刀補的轉(zhuǎn)接形式和過渡方式轉(zhuǎn)接形式根據(jù)前后兩編程軌跡的不同，刀具中心軌跡的不同連接方法

在一般的CNC裝置中，均有園弧和直線插補兩種功能。對由這兩種線形組成的編程軌跡有以下四種轉(zhuǎn)接形式直線與直線轉(zhuǎn)接直線與園弧轉(zhuǎn)接園弧與直線轉(zhuǎn)接園弧與園弧轉(zhuǎn)接2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償121

刀具中心軌跡編程軌跡非加工側(cè)加工側(cè)

非加工側(cè)編程軌跡刀具中心軌跡加工側(cè)過渡方式對應(yīng)兩編程軌跡間，刀具中心軌跡過渡連接形式

矢量夾角

：

指兩編程軌跡在交點處非加工側(cè)的夾角

2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償122根據(jù)兩段程序軌跡的矢量夾角

和刀補方向的不同，過渡方式有以下幾種：縮短型：矢量夾角

≥180o

刀具中心軌跡短于編程軌跡的過渡方式。伸長型：矢量夾角90o≤

＜180o

刀具中心軌跡長于編程軌跡的過渡方式。插入型：矢量夾角

＜90o

在兩段刀具中心軌跡之間插入一段直線的過渡方式。2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償123.刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接形式和過渡方式列表

刀具半徑補償功能在實施過程中，各種轉(zhuǎn)接形式和過渡方式的情況，如下面兩表所示。表中實線表示編程軌跡；虛線表示刀具中心軌跡；α為矢量夾角；r為刀具半徑；箭頭為走刀方向。表中是以右刀補（G42）為例進行說明的，左刀補（G41）的情況于右刀補相似，就不再重復(fù)。2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償124

刀具半徑補償?shù)慕⒑统废问睫D(zhuǎn)接夾角矢量刀補建立（G42）刀補撤消（G42）直線

直線直線

圓弧直線

直線圓弧

直線過渡方式

≥180o縮短型90o≤

＜180o伸長型

＜90o插入型r

rr

rα

rr

rr

r

rα

rα

r2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償125刀具半徑補償?shù)倪M行過程刀

補

進

行（G42）直線

直線直線

圓弧圓弧

直線圓弧

圓弧過渡方式α≥180o縮短型90o≤α＜180o伸長型α＜90o插入型rαrαrαrαααααrαrαrααr2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償126.刀具半徑補償?shù)膶嵗x入OA，判斷出是刀補建立，繼續(xù)讀下一段。讀入AB，因為∠OAB＜90o，且又是右刀補（G42），由表可知，此時段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是插入型。則計算出a、b、c的坐標(biāo)值，并輸出直線段oa、ab、bc，供插補程序運行。cbaBAOCDE2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償127讀入BC，因為∠ABC＜90o，同理，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是插入型。則計算出d、e點的坐標(biāo)值，并輸出直線cd、de。讀入CD，因為∠BCD＞180o，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是縮短型。則計算出f點的坐標(biāo)值，由于是內(nèi)側(cè)加工，須進行過切判別（過切判別的原理和方法見后述），若過切則報警，并停止輸出，否則輸出直線段ef。fedBcbAOCDEa2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償128讀入DE（假定由撤消刀補的G40命令），因為90o＜∠CDE＜180o，由于是刀補撤消段，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是伸長型。則計算出g、h點的坐標(biāo)值，然后輸出直線段fg、gh、hE。刀具半徑補償處理結(jié)束。

ghBfedcbAOCDEa2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償129.加工工過程中的過切判別原理前面我們說過C刀補能避免過切現(xiàn)象，是指若編程人員因某種原因編制出了肯定要產(chǎn)生過切的加工程序時，系統(tǒng)在運行過程中能提前發(fā)出報警信號，避免過切事故的發(fā)生。下面將就過切判別原理進行討論。2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償130.直線加工時的過切判別如右圖所示，當(dāng)被加工的輪廓是直線段時，若刀具半徑選用過大，就將產(chǎn)生過切削現(xiàn)象。圖中，編程軌跡為ABCD，B′為對應(yīng)于AB、BC的刀具中心軌跡的交點。當(dāng)讀入編程軌跡CD時，就要對上段刀具中心軌跡B’C’進行修正，確定刀具中心應(yīng)從B′點移到C′點。顯然，這時必將產(chǎn)生如圖陰影部分所示的過切削。A＇D＇CBC＇DB＇A編程軌跡刀具中心軌跡過切削部分發(fā)出報警程序段刀具2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償131

在直線加工時，可以通過編程矢量與其相對應(yīng)的修正矢量的標(biāo)量積的正負(fù)進行判別。在圖中，BC為編程矢量，B’C’為BC對應(yīng)的修正矢量，α為它們之間的夾角。則：標(biāo)量積顯然，當(dāng)（即90o<α<270o）時，刀具就要背向編程軌跡移動，造成過切削。上圖中α=180o，所以必定產(chǎn)生過切削。A’D’CBC’DB’A編程軌跡刀具中心軌跡過切削部分發(fā)出報警程序段刀具2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償1322.圓弧加工時的過切削判別

在內(nèi)輪廓圓弧加工（當(dāng)圓弧加工的命令為G41G03

或G42G02）時，若選用的刀具半徑rD過大，超過了所需加工的圓弧半徑R，即:

r>R那么就會產(chǎn)生過切削。

G41G03G42G02rDrDRR2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償133

刀具中心軌跡編程軌跡R發(fā)出報警程序段過切削部分r(a)圓弧加工過切G41⊕G02=0？報警返回否（內(nèi)側(cè)加工）是（外側(cè)加工）是否(b)判別流程刀具2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償134在實際加工中，還有各種各樣的過切削情況，限于時間，無法一一列舉。但是通過上面的分析可知，過切削現(xiàn)象都發(fā)生在過渡形式為縮短型的情況下，因而可以根據(jù)這一原則，來判斷發(fā)生過切削的條件，并據(jù)此設(shè)計過切削判別程序。2-3數(shù)控裝置的刀具半徑補償本章作業(yè)如圖所示，被加工直線的終點坐標(biāo)為（6，4），請寫出逐點比較法插補計算過程，并在圖中添加軌跡。4/8/2024135

序號

偏差判別坐標(biāo)進給

偏差計算終點判別0F0=0E=10123本章作業(yè)如圖所示，被加工圓弧的起點坐標(biāo)為（4，0），終點坐標(biāo)為（0，4），請寫出逐點比較法插補計算過程，并在圖中添加軌跡。4/8/2024136序號

偏差判別坐標(biāo)進給偏差計算坐標(biāo)計算終點判別0F0=0X0=4Y0=0E＝812本章作業(yè)如圖所示，被加工直線的終點坐標(biāo)為（6，4），請寫出數(shù)字積分法插補計算過程，并在圖中添加軌跡。4/8/2024137

210

終點計數(shù)器Y積分器

JRy+Jvy溢出ΔY

X積分器

JRx+JVx

溢出ΔX

累加次數(shù)4/8/2024138本章結(jié)束

！請各位同學(xué)認(rèn)真復(fù)習(xí)本章內(nèi)容！139北京大學(xué)出版社主編：賈偉杰1403-1伺服驅(qū)動的概念二、伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點1.位移精度要高2.定位精度高

服驅(qū)動系統(tǒng)的定位精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。3.穩(wěn)定性好

穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在輸入或外界干擾作用下，能較快地調(diào)節(jié)，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)的性能。4.動態(tài)響應(yīng)快

動態(tài)響應(yīng)時間是伺服驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。5.調(diào)速范圍大6.低速大轉(zhuǎn)矩

數(shù)控機床加工的特點是在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時有大的轉(zhuǎn)矩。第三章伺服驅(qū)動系統(tǒng)及位置檢測裝置3-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的組成驅(qū)動電路：信號的轉(zhuǎn)換（D/A）和放大伺服電機/執(zhí)行元件：信號和能量的轉(zhuǎn)化輸出（電動機）傳動裝置：信號和能量傳遞位置檢測元件及反饋電路：信號的反饋作用:接收數(shù)控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成預(yù)定的進給和快速運動特點：能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運動的準(zhǔn)確控制1413-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)為無位置檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的驅(qū)動元件主要是步進電機或電液壓馬達。該系統(tǒng)的特點是：只按照數(shù)控裝置的指令脈沖進行工作，而對執(zhí)行結(jié)果，即移動部件的實際位移，不進行檢測和反饋。1423-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述143特點

1）無位移檢測裝置，控制精度低

2）結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達±0.02mm2）脈沖當(dāng)量可達0.01mm3）最高進給速度低于6m/min應(yīng)用:經(jīng)濟型數(shù)控機床及機床數(shù)控化改造3-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述144閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出位移指令后，經(jīng)過伺服放大器、伺服電機、機械傳動裝置驅(qū)動工作臺移動，直線位置檢測裝置將檢測到的位移反饋到位置比較環(huán)節(jié)與輸入信號進行比較，將誤差補償?shù)娇刂浦噶钪?，再去控制伺服電機。3-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述特點：1）設(shè)有位移檢測裝置，控制精度高2）調(diào)試維護困難、成本較高主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達±0.002mm2）檢測分辨率可達0.001mm3）最高進給速度可達14m/min應(yīng)用：加工中心及中、高檔數(shù)控機床1453-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述146半閉環(huán)伺服系統(tǒng)由于半閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號取自旋轉(zhuǎn)軸，故進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間隙等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，所以調(diào)試也很方便。3-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述關(guān)于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)：采用線位移檢測元件對工作臺位移直接進行測量反饋。特點：控制精度高、安裝調(diào)試?yán)щy半閉環(huán)：采用角位移檢測元件對電機軸或滾珠絲杠的角位移進行測量反饋。特點：控制精度相對較低、安裝調(diào)試方便1473-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選用1）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度2）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號的速度3）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin4）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時轉(zhuǎn)距輸出能力關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度定位精度：移動件到達指令位置的準(zhǔn)確度重復(fù)定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性1483-2驅(qū)動電動機一、步進電動機一）步進電動機的工作原理、結(jié)構(gòu)及特工作原理工作原理149工作原理演示3-2驅(qū)動電動機150通電方式

三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))AB

BC

CA

AB(反轉(zhuǎn))AC

CB

BA

AC

三相六拍：

(正轉(zhuǎn))A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉(zhuǎn))A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABC

A(反轉(zhuǎn))A

CBA3-2驅(qū)動電動機m相步進電機通電方式

m相單m拍：例ABC

D

E

A

m相雙m拍：例AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三種通電方式的特點：單m拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍：每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩(wěn)定

2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定1513-2驅(qū)動電動機步進電機的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）152工作原理演示3-2驅(qū)動電動機2.步進電機的結(jié)構(gòu)（縱向視圖）1533-2驅(qū)動電動機步進電機的主要特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角：

m:線圈相數(shù)

z:轉(zhuǎn)子齒數(shù)

q:2m拍q=2，其它q=1

步距誤差：實際步距角與理論步距角之差一般為10`2）輸出扭矩：必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)距3）最高啟動、停止脈沖頻率：步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負(fù)載實際啟、停所需的脈沖頻率。1543-2驅(qū)動電動機4）連續(xù)運行的最高工作頻率：步進電機連續(xù)運行所能接受的最高工作頻率，此值必須