1、数控技术复习一.数控机床的产生与发展数控系统： NC CNC 多CPU集散式控制 , 开放式结构体系伺服系统：步进 直流伺服 交流伺服 全数字交流伺服 控制接口：脉冲 模拟电压(电流) 总线通信 插补算法：脉冲增量 数字增量 二.数控技术的基本概念及知识体系【数控技术】应用数控技术对机床工作过程进行自动控制的技术。【数控机床】对包括机床在内的工作机械进行控制的装备称为数控装备，采用数控技术对加工过程进行控制的机床称为数控机床。优点：o 可以加工复杂型面工件o 自动化程度高，劳动强度低o 柔性高，适应性强o 效率高，减小辅助时间和机动时间o 加工质量稳定o 有利于生产管理的现代化CNC系统组成o
2、CNC装置：计算机+接口+PLCo输入输出设备和控制介质o伺服单元、驱动装置和测量装置三.数控机床的分类按控制刀具与工件相对运动的轨迹分类o点位控制数控机床(位置控制)o轮廓控制数控机床(连续控制)按加工精度分类：普通机床精密机床超精机床按伺服驱动系统的控制方式分类o开环控制系统信号流是单向的，故系统稳定性好；精度相对闭环系统来讲不高；步进电机驱动。结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉。o半闭环控制系统半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测；只包括少量机械传动环节，稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好；螺距误差和反向间隙结构简单、调试方
3、便、精度也较高o全闭环控制系统精度高；系统不稳定；复杂、调试较难、成本高。按加工工艺及用途分类o切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。o成型加工类：数控折弯机、数控冲裁机等。o特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。o其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。按照CNC装置的功能水平分类：高级普及经济四.数控机床的发展趋势运行高速化o使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。加工高精化o提高数控系统的控制精度采用高速插补技术；采用高分辨率位置检测装置；位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。o采用
4、误差补偿技术（加工误差减少6080）反向间隙补偿；丝杆螺距误差补偿；刀具误差补偿。功能复合化控制智能化o加工过程自适应控制技术 切削力、功率刀具的受力、磨损以及破损加工参数、指令o加工参数的智能优化与选择 构造基于专家系统或基于模型o智能故障诊断与自修复技术应用现代智能方法（AI、ES、ANN等）o智能化交流伺服驱动装置 自动识别负载，动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。 体系开放化o定义：不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。o特点：系统构件标准化、多样化、互换性；构件的增减、“积木式”的集成、可移植的和透明o优点：向
5、未来技术开放标准化的人机界面向用户特殊要求开放可减少产品品种交互网络化o支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统。作业1、简述数控机床的基本组成部分及其基本功能2、数控技术的发展趋势（要求参考3篇以上相关参考文献，并注明作者、文献名称、期刊名称或出版社，出版时间） 一. 概述 程序编制的基本概念o【传统加工】分析图纸要求制订工艺规程工人操作机床加工。o【数控加工】分析图纸要求编制数码程序工件和工具的相对运动。o【程序编制】从零件图纸到数控加工指令的有序排列的全过程。（工艺分析、加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数及辅助动作加工程序单）o分类
6、：手工+自动数控机床程序编制的内容和步骤o图纸工艺分析o计算运动轨迹o编制程序及校验o制备控制介质o程序的校验和试切（阅读法、模拟法、试切法）数控加工工艺和数控加工方法o工艺分析选择合适的对刀点和换刀点对刀点应便于数学处理和程序编制；容易校准；便于检查；加工误差小。换刀点往往设在零件的外面加工路线的确定缩短走刀路线；加工精度和表面粗糙度；工艺要求；利于简化计算，减少程序段数目和程序编制工作量。工件的装夹方式标准夹具；装卸工件方便可靠；避免刀具与工件、刀具与夹具产生碰撞； 夹具的安装要准确可靠，具备足够的强度和刚度； 应尽可能采用气、液压夹具。 切削用量的选择机床、工具、刀具及工件的刚性；切削速
7、度、切削深度、切削进给率；工件精度；刀具预期寿命；切削液；工件材料；工件数量；机床的寿命。程序编制中的误差（数控系统+工艺系统）o数控加工方法平面孔系零件的加工方法：数控钻床与镗床旋转体类零件的加工方法：数控车床或数控磨床平面轮廓零件的加工方法：数控铣床空间轮廓表面的加工方法：n轴联动o数控程序编制中的数学处理【数值计算】根据零件图样，按照已确定的加工路线和允许的编程误差，计算编程时所需要的资料。包括计算零件轮廓的基点和节点的坐标以及刀具中心运动轨迹的坐标。【基点】各几何元素间的连接点，如直线与直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点等。 【节点】逼近轮廓曲线时，直线小段和圆
8、弧小段与轮廓曲线的交点或切点二. 数控机床的坐标系 Z坐标正方向规定：刀具远离工件的方向。三. 程序编制的代码及格式代码及其分类oG指令 准备功能 oM指令 辅助功能oF 指令 指定（合成）进给速度指令oS 指令（切削速度） 指定主轴转速指令oT、D 指令 指定刀具号和刀具长度、半径存放寄存器号指令。oX、Y、Z 、U、V、W指令 尺寸指令 oI、J、K、R 指令 圆弧插补圆心位置和半径指定指令o其它指令 数控加工程序的结构 o程序名：“%”、“O”、“P”o程序体o程序结束：M02 或M30与坐标系有关的指令 oG90/G91：绝对坐标/相对坐标oG92：坐标系设定的预置寄存指令（绝对坐标编
9、程）与控制方式有关的指令 oG00指令快速定位指令: G00 X_ Y_ Z_oG01指令直线插补指令: G01 X_a_ Y_b_ Z_c_ F_f_ oG02,G03指令顺/逆圆弧插补指令圆弧所对应的圆心角小于180时，用“R”表示半径；圆心角大于180时，用 “-R”表示半径； oG40 G41 G42指令刀具半补偿指令：格式：G00（或G01） G41（或G42）Dxx X_Y_F_ G00（或G01） G40 X_Y_G41 ：左刀补，即沿加工方向看刀具在左边G42 ：右刀补，即沿加工方向看刀具在右边G40：取消刀补其它指令oG04暂停指令：G04 X_ 或 G04 F_oG80、G
10、81G89固定循环指令四. 镗铣数控加工及其手工编程五. 车削数控加工及其手工编程 六. 自动编程概述 分类o语言o图像工作原理：图样模型数控编程加工一体化主要过程：零件几何造型生成刀具路径文件模拟仿真基本步骤o加工零件及其工艺分析o加工部位造型o工艺参数输入o刀具轨迹生成与编辑o刀具轨迹的验证与仿真o后置处理o加工程序输出发展趋势：o系统结构模块化o工艺处理能力将逐步得到加强。o系统输入发展到面向面、孔、槽等工程要素o系统的集成化o系统的智能化与自动化o系统的网络化o系统的虚拟化一. CNC装置的硬件结构二. CNC装置的软件结构三. 插补原理与算法逐点比较法直线插补算法o偏差函数o当 F0
11、 +X向进一步；当F0 +Y向进一步o插补步骤偏差判别坐标进给偏差计算终点判别逐点比较法圆弧插补算法o偏差函数: F=(xi2 +yi2) R2o当 F0 -X向进一步； 当F0 +Y向进一步数字积分法四. 刀具补偿原理五. 速度与加减速控制六. 数控机床参数一. 数控系统的PLC 原理结构组成：CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展接口和扩展模块编程语言：电气原理图梯形图指令语言梯形图的设计原理:o截取某一时刻的状态，作为输入的映像，按用户设计逻辑，计算该时刻输出的映像，在运算过程中，输入的映像保持不变，每个程序循环周期结束，在将输出映像输出到状态锁存器，再次读输入端
12、子的状态到到输入映像寄存器，进行下个周期的运算。电器原理图和梯形图的差别o电器原理图是并行电路,没有先后之分。梯形图的执行是有先后顺序的，次序不同，执行结果不同。o梯形图设计中加入了很多计算机语言类的运算指令和功能指令，使设计更灵活、方便。o梯形图设计中输入、输出和软元件（内部辅助继电器）可无限次作为运算条件使用。二. PLC 在数控机床上的应用形式：嵌入式、独立式PLC在数控机床上配置方式o机床：m+n个输入输出点oCNC控制柜：m个输入输出点o控制柜：一条光缆PLC与外部的信息交换o机床到PLC(MTPLC)：IO单元oPLC到机床(PLCMT)：开关量输出接口oCNC到PLC(CNC P
13、LC):由CNC直接送入PLC的寄存器中oPLC到CNC (PLC CNC):开关量信号或寄存器,PLC编程者只可使用，不可改变和增删数控机床的PLC功能oS功能处理若用S 4位代码，CNC送出S4位代码至PLC，将进行二十进制数转换，然后进行限位若用S2位代码指定主轴的转速，应首先制定S2位代码与主轴转速的对应表，CNC输出S2位代码进入PLC，经过一系列处理，很容易实现对主轴转速的控制oT功能处理(管理刀库)包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数oM功能处理可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换档变速，主轴准停，切削液的开、关三.数控机床通信及接口机床I/O接口o
14、功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；且用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到接触器、电磁阀等执行元件。o要求：进行必要电隔离，防止干扰信号以及高压CNC装置的损坏；进行电平转换和功率放大。o常用：光电耦合器、干簧继电器、固态继电器、输入接口电路设计o形式隔离型、非隔离型直流、交流源型、漏型o电路（源型、漏型、总线输入缓冲）o触点输入电路的防抖与滤波：硬件、软件、定周期扫描o光耦的响应延时：适当减小光耦回路中的电流，可减小tOFF 总电流保持不变，保证抗干扰性。o高速光耦：可用于数字式位置反馈接口电路o外部开关的选择限位开关、急停
15、、停止、安全保护开关等应选择常闭开关。启动按钮等通常选择常开开关输出接口电路设计o类型：继电器、晶体管、固态继电器o电路（略）o驱动与隔离：尽量避免5V大电流直接驱动，尽量采样光耦隔离。光耦输出特点： 响应速度快，抗干扰性好，简单，便宜。可用于驱动小功率负载，如：指示灯、伺服电机的控制信号、小型继电器等。继电器输出驱动电路特点：有触点类型，隔离性能好，触点允许电流较大，交直流都适用。可用于驱动较大功率负载，如：接触器、电磁阀、灯泡等SSR输出电路特点：无触点输出，没有火花，寿命长。有一定的漏电流。直流SSR的响应延时较小，交流关断延时较大。且延时时间不确定。耐压要求较高，超过允许电压会导致SS
16、R损坏。在驱动感性负载时，要注意增加RC吸收回路，减小感应电压，保护SSR。串行数据通信及接口o串行通讯的一般概念：串行通信、并行通信传输介质 ：光线、双绞线、同轴电缆平衡和非平衡线路：单端/差分收发器异步串行通信同步通信oOSI参考模型四. 高速伺服总线及接口PROFIBUS 和 PROFINET SERCOS MECHATROLINKEtherCATo冗余功能: 防止网络断线 一.概述检测装置：o作用：检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。o要求工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低o性能指标系统精度：在一定长度或转角内测量积累误
17、差的最大值； 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量。o分类按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量检测装置的信号特征oVpp 正弦电压信号接口属于模拟量接口，高分辨率，好动态特性缺点是模拟信号易受干扰、接口比较复杂oTTL正交脉冲信号接口正交脉冲信号是数字电平信号，分辨率是固定的，其分辨率和动态特性不及1 Vpp优势在于接口简单，抗干扰能力好oEnDat 串行数字接口数据传输可靠性高、系统安全性高以及成本低内置编码器信号细分功能,与1Vpp接口具有同样的分辨率可靠性和抗干扰能力优于正交脉冲信号接口oBiSS 串行数字接口它的时钟和数
18、据采用差分式结构，抗干扰能力强，传输频率最高可达10 MHz传感器模式下，不需地址就可以进行传感器数据快速读取。寄存器模式下，读写编码器必须提供编码器地址。二. 脉冲编码器的测量原理脉冲编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器分类：o按码盘信号的读取方式：光电式、接触式和电磁式（以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器）o按测量坐标系：增量式和绝对式o按每转发出的脉冲数：高分辨率（20000-30000p/r） 普通分辨率（2000-3000p/r）增量式光电脉冲编码器o组成：光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件、整形放大电路等。o工作原理： 光电盘装在被测轴上，随主轴一起转动。光
19、电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号。通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角；通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。o脉冲编码器的辨向： 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。o提高光电脉冲编码器分辨率的方法提高光电盘圆周的等分狭缝的密度增加光电盘的发信码道绝对式光电脉冲编码器o结构：是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码o种类：二进制码、格
20、雷码（循环码）、十进制码、六十进制码二进制：多个数位要进行切换，易误读格雷码：两数切换时只在一位进行，可靠o工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。o应用：旋转多过一周多个码盘（N&）软件设计：计数器（零代码）三. 光栅测量原理光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器种类：物理/计量光栅、圆/支线光栅、透射/反射光栅直线透射光栅o组成o工作原理由于挡光效应和光的衍射，在与
21、线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。莫尔条纹的特点放大作用 均化误差作用莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系辨向两个彼此错开1/4纹距的光电元件，相位上差90，以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向。倍频倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的特点优点：o精度高、测直线o易实现动态测量和自动化测量o较强的抗干扰能力 缺点：o对环境要求高，怕振动，怕油污o高精度光栅制作成本高增量式光栅：TTL、1VPP信号绝对式光栅：ENDA
22、T、BISS串行数字接口四. 激光测量原理激光特性o波长很短，相对稳定高精度测量。o良好的相干性激光干涉测量原理o产生明暗相间的条纹o移动一个波长，光强变化一个周期单频激光干涉仪：受环境影响大，抗干扰能力差。双频激光干涉仪：应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上；因此对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，抗干扰能力强。五. 旋转变压器的原理旋转变压器o在结构上与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的一次绕组转子绕组为变压器的二次绕组。o根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分有刷式无刷式o工作原理根据互感原理工作：定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦
23、合，转子绕组产生感应电动势。 输出感应电动势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转角来间接测量工作台的位移。o应用结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子由两组匝数相等、互相垂直的绕组构成。o输出信号的处理方式鉴相方式：根据感应输出电压的相位来检测位移量ekUm sin(t-)根据上式，通过鉴别转子感应电势的相位，即可测量转子相对定子转过的角度用在相位比较伺服系统中鉴幅方式根据转子输出的感应电势的振幅变化来检测转角e kUm sint旋转变压器的特点适用性强、电磁感应，不易受干扰使
24、用寿命长，维护简单工艺性好，成本低应用广泛一. 概述数控机床伺服系统的定义o伺服系统：一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统o组成检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器驱动电机：步进电动机、直流/交流伺服电动机。数控机床伺服系统的分类o按伺服系统控制方式分开环系统：步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统：直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统：间接测量位移进行反馈，精度低于闭环o按控制对象和使用目的不同分进给伺服系统：控制各坐标轴的切削进给运动主轴驱动伺服系统：控制主轴的旋转运动辅助伺服系统：控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用位置控制o按反馈比较控制方式分脉冲
25、比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统o按所用驱动元件的类型分步进电动机驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统直线电动机驱动系统二. 步进电动机及其控制原理步进电动机o定义：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。主要用于开环位置控制系统。o组成：由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环。o特点：系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制；但由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。o分类按工作原理分：反应式
26、(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应子式(混合式)。反应式步进电动机 特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广齿距角为 360/409永磁式步进电动机特点：不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。混合式步进电动机 （永磁感应子式）定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点。步进电动机的控制原理o步进电动机的控制原理（电源为脉冲电压）组成部分：数控装置，环形分配，放大电路控制原理：脉冲数位移量脉冲频率进给速度分配脉冲的相序运动方向o反应式步进电动机的工作原理 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1/m
27、齿距，m为相数单三拍通电控制双三拍工作方式三相六拍工作方式步进电动机主要性能指标及选择o步距角m步进电动机相数Z转子齿数K控制方式系数， K=拍数p/相数mo步距角的选择脉冲当量S 丝杠螺距(mm)步距角i电动机与丝杠间的齿轮传动减速比o最大静转距 Tjmax (Nm)o最大静转距 Tjmax 的选择 负载转矩TF 应满足 TF =（0.20.4） Tjmax o空载起动频率fq （步/s）空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率。 步进电动机起动频率要比连续运行频率低得多，带负载的起动频率比空载的起动频率要低。 o起动矩频特性描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。
28、其起动频率随着负载的增加而下降。 o运行矩频特性描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率之间的关系。 步进电动机驱动电源o作用:发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电 o基本要求:参数；起动频率和运行频率；抗干扰;成本低o组成:环形分配器+功率放大器环形分配器：硬件环形分配器、软件环形分配器 功率驱动器：单电压驱动电路高低压驱动电路斩波驱动电路 三. 直流伺服电动机及其控制原理直流伺服电动机o分类：永磁/无槽转子/空心杯转子/印刷绕组小惯量直流伺服电动机惯量小，响应速度快，但过载能力低。永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。o组成：电动机本体；机壳、定子磁极和转子检测部件：测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器o工作原理：电磁感应（电刷和换向片）o调速方法他励直流电动机改变外加电压改变励磁磁通改变转子回路电阻永磁直流伺服电动机改变转子回
