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数控技术操作手册
数控技术操作手册
目录
目录1
第一章绪论3
1数字控制的的基本原理3
1.1数字控制的基本概念3
1.2数控机床的构成4
1.3数控机床的特点和分类4
第二章数控系统的插补工作原理8
1概述8
2差补的方法与特点8
2.1逐点比较法8
2.2数字积分法11
2.3数据采样法11
3刀具的半径补偿11
第三章数控机床加工程序的编写13
1编程基础13
2数控编程的方法14
3编程代码与指令格式15
3.1数控程序的指令代码15
3.2程序的结构与格式19
第四章计算机数控系统(CNC系统)21
1概述21
1.1CNC系统的组成21
2CNC系统的功能和一般工作过程21
3CNC系统的硬件结构22
4CNC系统的软件结构23
5CNC系统的输入、输出和通信功能24
第五章数控机床的伺服驱动及控制27
1概述27
2步进电动机伺服系统27
3数控机床的位置检测装置28
4直流电动机伺服系统28
5交流电动机伺服系统29
附录30
第一章
绪论
1数字控制的的基本原理
1.1数字控制的基本概念
数字控制(NumericalControl——NC),简称为数控,是一种自动控制技术,使用数字化信号对控制对象建议控制的一种方法。
数字控制是相对于模拟控制而言的,数字控制系统种的控制信息是数字量,二模拟控制系统中的控制信息是模拟量。
数字控制与模拟控制相比有许多优点,如可用不同的字长表示不同精度的信息,可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作,特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程,而不用改动电路或机械机构,从而使机械设备具有很大的“柔性”。
因此数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制,如机床的控制、机器人的控制等。
数字控制的对象是多种多样的,但数控机床是最早应用数控技术的控制对象,也是最典型的数控化设备。
数控机床是才用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床。
数控系统是一种控制系统,它自动输入载体上实现给定的数字量,并将其译码,再进行必要的信息处理和运算后,控制机床动作和加工零件。
最初的数控系统是有数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。
随着微型计算机的发展,硬件数控系统已逐渐被淘汰,取而代之的是计算机数控系统(ComputerNumericalControl)简称CNC。
CNC系统是有计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。
犹豫计算机可完全有软件来确定数字信息的处理过程,从而具有真正的“柔性”,并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息,是数字控制系统的性能大大提高。
1.2数控机床的构成
1.3数控机床的特点和分类
1.3.1数控机床的特点
与通用机床和专用机床相比,数控机床具有以下主要特点:
(1)加工精度高,质量稳定。
数控系统每输出一个脉冲,机床移动部件的位移量成为脉冲当量,数控机床的脉冲当量一般为0.001mm,高精度的数控机床可达0.0001mm,其运动分辨率远高于普通机床。
(2)能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。
(3)生产效率高。
数控机床的主轴转速和进给量饭俄日比普通机床的范围大,良好的结构刚性允许数控机床采用大的切削用量,从而有效的节省了机动时间。
(4)对产品改型设计的适应性强。
当别加工的零件改型设计后,在数控机床上只需变换零件的加工程序,调整刀具参数等,就能实现对改型设计后零件的加工,生产准备周期大大缩短。
(5)有利于制造技术想综合自动化方向发展。
数控机床是机械加工自动化的基本设备,以数控机床为基础建立起来的FMC、FMS、CIMS等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。
(6)监控功能强,具有故障诊断的能力。
CNC系统不仅控制机床的运动,而且可对机床进行全面监控。
(7)减轻工人劳动强度、改善劳动条件。
1.3.2数控机床的分类
数控机床的种类繁多,根据数控机床的功能和组成的不同,可以从多种角度对数控机床进行分类。
1、按控制轨迹分类
(1)点位控制系统它的特点是刀具相对工件的移动过程中,不进行切削加工,对定位过程中的运动轨迹没有严格要求,只要求从一坐标点到另一坐标点的精确定位。
(2)直线控制系统这类控制系统的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外,而且要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线,并能控制位移的速度,应为这类数控机床的刀具在位移过程中要进行切削加工。
(3)轮廓控制系统也称连续控制系统。
其特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。
加工时不仅要控制起点和重点位置,而且要控制两点之间没一点的位置和速度,使机床加工出符合图样要求的复杂形状的零件。
它要求数控机床的辅助功能比较齐全。
CNC装置一般都具有直线插补和圆弧插补功能。
2、按伺服系统分类
(1)开环伺服系统这种控制方式不带位置测量元件。
数控装置根据信息载体上的指令信号,经控制运算发出指令脉冲,使伺服驱动元件转过一定的角度,并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副,是执行机构移动或转动。
图1.2开环伺服系统工作原理图
(2)闭环伺服系统这是一种自动控制系统,其中包含功率放大和反馈,使输出变量的值响应输入变量的值。
数控装置次发出指令脉冲后,当指令值送到位置比较电路时,此时若工作台没有移动,即没有位置反馈信号时,指令值使伺服驱动电动机转动,经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。
装在机床工作台上的位置测量元件,测出工作台的实际位移量后,反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较,并用比较后的差值进行控制。
若两者存在差值,经放大器放大后,再控制伺服驱动电动机转动,直至差值为零时,工作台才停止移动。
这种系统称为闭环伺服系统。
图1.3闭环伺服系统工作原理图
(3)半闭环伺服系统这种控制系统不是直接测量工作台的位移量,俄日是通过旋转变压器、光电编码盘或分解器等角位移测量元件,测量伺服机构中电动机或丝杠的转角,连间接测量工作台的位移。
这种系统中滚珠丝杠螺母副和工作台均在反馈环路之外,其传动误差等仍会影响工作台的位置精度,故称为半闭环控制系统。
图1.4半闭环伺服系统工作原理图
(4)混合控制数控机床
即将上述控制方式的特点有选择地集中,可以组成混合控制方案。
较多的采用下述两种形式:
一、开环补偿型图为开环补偿型控制方式。
其特点是基本控制选用步进电动机的开环伺服机构,附加一个位置校正电路,通过装在工作台上直线位移测量元件的反馈信号来矫正机械传动误差。
二、半闭环补偿型图为半闭环补偿型控制方式。
其特点是用半闭环进行基本驱动以取得稳定的告诉响应特性,再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环,然后用全闭环和半闭环的差进行控制,以获得高精度。
3、按功能及用途分类
按数控系统的功能水平同窗把数控系统分为低档、中档、高档三类。
按其基本用途可划分为四大类:
(1)金属切削类
即指采用车、铣、镗、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。
它还分两类:
一是普通型数控机床,二是加工中心。
(2)金属成型类
即指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床,床用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机。
(3)特种加工类
主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。
(4)测量、绘图类
主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。
第二章数控系统的插补工作原理
1概述
插补的概述
插补是指数据密化的过程。
在对数控系统输入有限坐标点的情况下,计算机根据线段的特征,运用一定的算法,自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据,从而自动地对个坐标轴进行脉冲分配,完成整个线段的轨迹运行,使机床加工出所要求的轮廓曲线。
对于轮廓控制系统来说,插补是最重要的计算任务,插补程序的运行时间和计算精度影响整个CNC系统的性能指标,可以说插补是整个CNC系统控制软件的核心。
人们一直在女里探求一种简单而有效的插补算法,目前普遍应用的算法可分为两大类:
一是脉冲增量插补;而是数据采样插补。
2差补的方法与特点
2.1逐点比较法
逐点比较法的基本原理,是被控对象在按要求的轨迹运动时,每走一步都要与规定的轨迹进行比较,有此结果军顶下一部移动的方向。
着点比较法既可以作直线插补又可以做圆弧插补。
这种算法的特点是,运算直观,插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均匀,而且输出脉冲的速度变化小,调节方便,因此在两坐标数控机床中应用较为普遍。
逐点比较法直线插补(四个步骤)
(1):
方向判定:
根据偏差值判定进给方向。
(2):
坐标进给:
根据判定的方向,向该坐标方向发一进给脉冲。
(3):
偏差计算:
每走一步到达新的坐标点,按偏差公式计算新的偏差。
(4):
终点判别:
判断是否到达终点,若到达就结束该插补运算,若未到达则重复上述循环步骤。
以第一象限为例
图2.1第一象限直线
如上图第一象限的直线OA,直线的起点坐标为原点,直线终点坐标(Xe,Ye)是已知的,M(Xm,Ym)为加工点(动点),若M在OA直线上,则根据相似三角形的关系可得
Xm/Ym=Xe/Ye
取Fm=YmXe-XmYe
作为直线插补的判别式。
若Fm=0,表明M点在OA直线上;
若Fm>0,表明M点在OA直线上方M’处;
若Fm<0,表示M点在OA直线下方M’’处。
当Fm>=0时,沿+X轴方向走一步,当Fm<0时,沿+Y方向走一步,若两方向上的步数与终点坐标(Xe,Ye)相等时,发出到达终点信号,停止插补。
逐点比较法圆弧插补
逐点比较法圆弧插补圆弧插补加工:
是将加工点到圆心的距离与被加工圆弧的名义半径相比较,并根据偏差大小确定坐标进给方向,以逼近被加工圆弧。
下面以第一象限逆圆弧为例,讨论圆弧的插补方。
如图三所示,设要加工圆弧为第一象限逆圆弧AB,原点为圆心0,圆弧起点为A(Xo,Yo),终点为B(Xe,Ye),圆弧半径为R。
令瞬时加工点为M(Xm,Ym),它与圆心的距离为Rm,比较Rm和R来反映加工误差。
图2.2第一象限逆圆弧
由上述内容知:
R2m=Xm2+Ym2R2=Xo2+Yo2
因此,可得圆弧偏差判别式如下:
Fm2=Rm2-R2=Xm2+Ym2-R2
若Fm=0,表明加工点M在圆弧上;Fm>0,表明加工点在圆弧外;Fm<0,表明加工点M在圆弧内。
圆弧插补计算过程与直线插补过程基本相同,即:
偏差判别,坐标进给,偏差计算,坐标计算,及终点判别。
2.2数字积分法
数字积分法法又称数字微分分析法(DigitalDifferentialAnalyzer)。
这种插补方法可以实现一次、二次、甚至高次曲线的插补,也可以实现多坐标联动控制。
只要输入不多的几个数据,就能加工出圆弧等形状较为复杂的轮廓曲线。
作直线插补时,脉冲分配也较为均匀。
2.3数据采样法
数据采样插补是根据编程的进给速度,将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段——即轮廓步长。
在每一插补周期中,插补程序被调用一次,为下一周期计算出个坐标轴应该行进的增长段(而不是单个脉冲)△x△y等,然后再计算出相应插补点(动点)位置的坐标值。
3刀具的半径补偿
刀具补偿的基本原理
在轮廓加工中,犹豫刀具总有一定的半径刀具中心的运动轨迹并不等于所要加工零件的实际轮廓。
也就是说,数控机床进行轮廓加工时,必须考虑刀具半径。
在进行外轮廓加工时,道具中心须要偏移零件的外轮廓面一个半径值。
这种便宜习惯上称为刀具半径补偿。
在零件轮廓加工过程中,刀具半径补偿的执行过程分为三步:
(1)刀具补偿建立道具从原点接近工件,刀具中心轨迹由G41或G42确定,在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短一个刀具半径值,即刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与变成轨迹偏离一个刀具半径。
(2)刀具补偿进行一旦建立了到补偿状态则一直维持该状态,除非撤销刀具补偿。
在刀具补偿进行期间,刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。
(3)刀具补偿撤销刀具撤离工件,回到原点。
与刀补建立时相似,刀具中心轨迹从与编程轨迹相距一个刀具半径值过渡到与变成轨迹重合。
刀具补偿撤销用G40指令。
第三章
数控机床加工程序的编写
1编程基础
机床操作工的操作技能和水平决定着普通机床的加工质量和机床的效率的发挥。
而苏控机床与普通机床在机械加工中的根本区别是:
数控机床是按照事先编制好的加工程序由计算机自动地完成对零件的加工,其对所加工零件的质量与加工效率,很大程度上取决于所编程序的合理与否。
理想的数控加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件,同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分地发挥,以使数控机床能安全可靠及高效地工作。
数控编程的内容和步骤
(一)数控编程的内容
数控编程的主要内容包括:
分析零件图样,确定加工工艺过程;确定走刀轨迹,计算刀位数据;编写零件加工程序;制作控制介质;校对程序及首件试加工。
(二)数控编程的步骤
数控编程的步骤一般如图3-1所示
图3-1
2数控编程的方法
数控编程一般分为手工编程和自动编程。
1、手工编程
从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序输入至程序校验等步骤均由人工完成,称为手工编程。
对于加工形状简单的零件,计算比较简单,程序不多,采用手工编程比较容易完成,而且经济、及时,因此在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中,手工编程仍广泛应用。
但对于形状复杂的零件,特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件,用手工编程就有一定的困难,出错的机率增大,有的甚至无法编出程序,必须采用自动编程的方法编制程序。
2、自动编程
自动编程是利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程。
它包括数控语言编程和图形交互式编程。
数控语言编程,编程人员只需根据图样的要求,使用数控语言编写出零件加工源程序,送入计算机,由计算机自动地进行编译、数值计算、后置处理,编写出零件加工程序单,直至自动传出数控加工纸带,或将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床,指挥机床工作。
图形交互式编程是利用计算机辅助设计(CND)软件的图形编程功能,将零件的几何图形绘制到计算机上,形成零件的图形文件,或者直接调用出CAD系统完成产品设计文件中的零件图形文件,然后在直接调用计算机内和应的数控编程模块,进行刀具轨迹处理,由计算机自动对零件加工轨迹的每一个节点进行运算和数学处理,从而生成刀位文件。
之后再经相应的后置处理,自动生成数控加工程序,并同时在计算机上动态地显示其刀具的加工轨迹图形。
3编程代码与指令格式
3.1数控程序的指令代码
零件程序所用的代码,主要有准备功能G指令、进给功能F指令、主轴速度S指令、道具功能T指令、辅助功能M指令。
一般数控系统中常用的G功能和M功能都与国际ISO标准中的功能一致,对某些特殊功能,ISO标准中未指定的,按其数控机床的控制功能要求,数控生厂家按需要进行自定义。
并在数控编程侧重予以具体说明定义。
我国机械工业部制定的有关G指令和M指令的JB3208-83标准,也遇过表上使用的ISO1056-1975E标准基本一致。
(1)准备功能
准备功能也叫G功能或G代码。
它是使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。
G代码由地址G和后面的两位数字组成,从G00-G99GONG100种。
表3-1为我国JB3208-83标准中规定的G功能的定义。
代码
(1)
功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替
(2)
功能仅在所出现的程序段内有作用
(3)
功能
(4)
G00
a
点定位
G01
a
直线插补
G02
a
顺时针方向圆弧插补
G03
a
逆时针方向圆弧插补
G04
*
暂停
G05
#
#
不指定
G06
a
抛物线插补
G07
#
#
不指定
G08
*
加速
G09
*
减速
G10-G16
#
#
不指定
G17
c
XY平面选择
G18
c
XZ平面选择
G19
c
YZ平面选择
G20-G32
#
#
不指定
G33
a
螺纹切削,等螺距
G34
a
螺纹切削,等螺距
G35
a
螺纹切削,等螺距
G36-G39
#
#
永不指定
G40
d
刀具补偿/刀具偏置注销
G41
d
刀具补偿-左
G42
d
刀具补偿-右
G43
#(d)
#
刀具偏置-正
G44
#(d)
#
刀具偏置-负
G45
#(d)
#
刀具偏置+/+
G46
#(d)
#
刀具偏置+/-
G47
#(d)
#
刀具偏置-/-
G48
#(d)
#
刀具偏置-/+
G49
#(d)
#
刀具偏置0/+
G50
#(d)
#
刀具偏置0/-
G51
#(d)
#
刀具偏置+/0
G52
#(d)
#
刀具偏置-/0
G53
f
直线偏移,注销
G54
f
直线偏移X
G55
f
直线偏移Y
G56
f
直线偏移Z
G57
f
直线偏移XY
G58
f
直线偏移XZ
G59
f
直线偏移YZ
G60
h
准确定位1(精)
G61
h
准确定位2(中)
G62
h
快速定位(粗)
G63
*
攻丝
G64-G67
#
#
不指定
G68
#(d)
#
刀具偏置,内角
G69
#(d)
#
刀具偏置,外角
G70-G79
#
#
不指定
G80
e
固定循环注销
G81-G89
e
固定循环
G90
j
绝对尺寸
G91
j
增量尺寸
G92
*
预置寄存
G93
k
时间倒数进给率
G94
k
每分钟进给
G95
k
主轴每转进给
G96
i
恒线速度
G97
i
每分钟转数(主轴)
G98-G99
#
#
不指定
注:
1.#号表示:
如选作特殊用途,必须在程序格式说明中说明。
2.如在直线切削控制中没有刀具补偿,则G43到G52可指定作其它用途。
3.栏括号中的字母(d)表示:
可以被同栏中没有括号的字母d所注销或代替,亦可被有括号的字母(d)所注销或代替。
4.G45到G52的功能科用于机床上任意两个预定的坐标。
5.控制机上没有G53到G59、G63功能时,可以指定作其他用途。
6.*号表示功能仅在所出现的程序段内有效。
(2)辅助功能
辅助功能也叫M功能或M代码。
它是控制机床开-关功能的一种命令。
辅助功能M指令也有M00~M99共计100种,现将常用的M指令功能解释如下表:
表3.2常见辅助功能M指令
代码
功能
M00
程序停止指令
M01
计划(任选)停止指令
M02
程序结束指令
M06
换刀指令
M07
命令2号冷却液(雾状)开
M08
命令1号冷却液(液状)开
M09
冷却液关
M10
工作的加紧
M11
工作的松开
M19
主轴定向停止
M30
程序结束
3.2程序的结构与格式
每种数控系统,根据系统本身的特点及编程的需要,都有一定的程序格式。
对于不同的机床,其程序格式也不尽相同。
因此,编程人员必须严格按照机床说明书的规定格式进行编程。
1、程序结构
一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
例如
程序号
程序内容
程序结束
O0001
N10G92X40Y30;
N20G90G00X28T01S800M03;
N30G01X-8Y8F200;
N40X0Y0;
N50X28Y30;
N60G00X40;
N70M02;
(1)程序号在程序的开头要有程序号,以便进行程序检索。
程序号就是给零件加工程序一个编号,并说明该零件加工程序开始。
(2)程序内容程序内容部分是整个程序的核心,它有许多程序段组成,每个程序段由一个或多个指令构成,它表示数控机床要完成的全部动作。
(3)程序结束程序结束是以程序结束指令M02、M30或M99(子程序结束),作为程序结束的符号,用来结束零件加工。
2、程序段格式
零件的加工程序是由许多程序段组成的,每个程序段由程序段号、若干个数据字和程序段结束字符组成,每个数据字是控制系统的具体指令,它是由地址符、特殊文字和数字结合而成,它代表机床的一个位置或一个动作。
程序段格式是指一个程序段中字、字符和数据的书写规则。
目前国内外广泛采用字-地址可变程序段格式。
第四章
计算机数控系统(CNC系统)
1概述
1.1CNC系统的组成
CNC系统主要有硬件和软件两大部分组成。
其核心是计算机数字控制装置。
它通过系统控制软件配合系统硬件,合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息,控制执行部件,是数控机床按照操作者的要求进行自动加工。
CNC系统采用了计算机作为控制部件,通常有常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能,从而对机床运动进行实时控制。
只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。
2CNC系统的功能和一般工作过程
(一)CNC系统的功能
CNC系统由于现在普遍采用了微处理器,通过软件可以实现很多功能。
数控系统有多种系列,性能各异。
数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。
CNC系统的功能主要反映了在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。
根据数控机床的类型、用途、档次的不同,CNC系统的功能有很大差别,CNC的主要功能有:
控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、补偿功能、字符、图形显示功能、自诊断功能、通信功能和人机交互图形编程工才能。
(二)CNC系统的一般工作过程
1、输入输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。
机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好,所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。
2、译码译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理,把其中零件的轮廓信息(起点、重点、直线或圆弧等),F、S、T、M等星系按一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式,并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。
3、刀具补偿它包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。
它的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的道具尺寸数据自动转换成刀具中心相对于工件的移动轨迹。
4、进给速度处理数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度,即F代码的指令值。
速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度,为插补时计算各进给坐标的行程量做准备;另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。
5、插补要进行轨迹加工,CNC必须从一条已知起点和重点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作,这就是插补。
6、位置控制它的主要功能是在每个采样周期内,将插补计算出的理论为止与实际反馈位置进行比较,用其差值控制进给电动机。
7、I/O处理其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中;另一方面是将CNC的输出命令变为执行机构的控制信号,实现对机床的控制。
8、显示它主要是为操作者提
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