数控机床的控制原理课件.pptx

1、数控加工编程与操作第三章第三章 数控机床的控制原理数控机床的控制原理3-1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础3-2 插补原理插补原理3-3 刀具半径补偿原理刀具半径补偿原理数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础一、数控系统的发展状况一、数控系统的发展状况自从自从20世纪世纪50代世界上第一台数控机床问世至今已经历代世界上第一台数控机床问世至今已经历50余年。数控机床经过了余年。数控机床经过了2个阶段和个阶段和6代的发展历程。代的发展历程。第第1阶段是硬件数控阶段是硬件数控(NC)： 第第1代代 1952年的电子管年的电子管第第2代代 1959年晶体管（分离元件）年晶

2、体管（分离元件）第第3代代 1965年小规模集成电路年小规模集成电路电子管电子管晶体管晶体管数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础一、数控系统的发展状况一、数控系统的发展状况第第2阶段是计算机数控阶段是计算机数控(CNC)：第第4代代 1970年的小型计算机，中小规模集成电路年的小型计算机，中小规模集成电路第第5代代 1974年的微处理器，大规模集成电路。年的微处理器，大规模集成电路。第第6代代 1990年的基于个人年的基于个人PC机机(PC-BASED)DeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PCI)数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基

3、础数控机床的控制基础一、数控系统的发展状况一、数控系统的发展状况世界主要世界主要CNC系统生产厂家系统生产厂家FANUC(日本日本)SIEMENS (德国德国)A-B(美国美国)FAGOR (西班牙西班牙)HEIDENHAIN（海德汉）（海德汉）(德国德国)三菱三菱(日本日本)NUM (法国法国)数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础二、计算机数控（二、计算机数控（CNC）系统的组成）系统的组成数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础二、计算机数控（二、计算机数控（CNC）系统的组成）系统的组成硬件组成：中央处理单元硬件组成：中央处理单元(CPU)

4、，存储器、外部设备以，存储器、外部设备以及输入及输入/输出接口电路等。输出接口电路等。 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础二、计算机数控（二、计算机数控（CNC）系统的组成）系统的组成软件组成：软件组成：数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础三、单微处理机结构系统三、单微处理机结构系统数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础微处理机微处理机CPU功能：功能：可进行算术、逻辑运算；可进行算术、逻辑运算；可保存少量数据；可保存少量数据；能对指令进行译码并执行规定动作；能对指令进行译码并执行规定动作；能和存储器、外设交换数据；

5、能和存储器、外设交换数据；提供整个系统所需的定时和控制；提供整个系统所需的定时和控制；可响应其他部件发来的脉冲请求；可响应其他部件发来的脉冲请求；包括的部件：包括的部件：算术、逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数器、指令寄算术、逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。存器、译码器、时序和控制部件。 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础CPU主控制板主控制板数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础总线（总线（BUS） 总线是传送数据或交换信息的公共通道。总线是传送数据或交换信息的公共通道。CPU板与其它模

6、板如存储器板、板与其它模板如存储器板、I/O接口板等之间的连接口板等之间的连接采用标准总线接采用标准总线标准总线按用途分为内部总线和外部总线标准总线按用途分为内部总线和外部总线数控系统中常用的内部标准总线有数控系统中常用的内部标准总线有S-100、MULTI BUS、STD及及VME等等外部总线有串行（如外部总线有串行（如EIARS-232C）和并行（如）和并行（如IEEE-488）总线两种。）总线两种。 按信息线的性质分按信息线的性质分 数据总线数据总线DB（Data Bus）：）：CPU与外界传送数据的通道与外界传送数据的通道地址总线地址总线AB（Address Bus）：确定传输数据的存

7、放地址）：确定传输数据的存放地址控制总线控制总线CB（Control Bus）：管理、控制信号的传送）：管理、控制信号的传送 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础存储器（存储器（ROM、RAM） 存放存放CNC系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。ROM用于固化数控系统的系统控制软件。用于固化数控系统的系统控制软件。RAM存放可能改写的信息。存放可能改写的信息。 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础I/O接口接口 CNC装

8、置与被控设备之间要交换的信息有三类：开关量信号、模装置与被控设备之间要交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、数字信号。拟量信号、数字信号。对上述信号进行相应的转换，输入时必须将被控设备有关对上述信号进行相应的转换，输入时必须将被控设备有关的状态信息转换成数字形式，以满足计算机对输入输出信的状态信息转换成数字形式，以满足计算机对输入输出信号的要求；输出时，应满足各种有关执行元件的输入要求。号的要求；输出时，应满足各种有关执行元件的输入要求。信号转换主要包括电平转换、数字量与模拟量的相互转换、信号转换主要包括电平转换、数字量与模拟量的相互转换、数字量与脉冲量的相互转换以及功率匹配等。数字量与脉

9、冲量的相互转换以及功率匹配等。阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置装置与外部信号进行隔离，以提高与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。装置运行的可靠性。即即I/O接口功能：电平转换、功率放大、干扰抑制。接口功能：电平转换、功率放大、干扰抑制。 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础伺服驱动单元和伺服驱动单元和PLC伺服控制单元：伺服控制单元：位置控制位置控制速度控制速度控制过载保护过载保护PLC:逻辑控制逻辑控制计时、计数计时、计数分支程序、子程序顺序控制分支程序、子程序顺序控制数字运算、处理数字运算、处

10、理模拟量调节模拟量调节操作显示操作显示联网通信联网通信数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础人机界面人机界面（HMI）纸带阅读机纸带阅读机纸带穿孔机（很少见）纸带穿孔机（很少见）键盘键盘操作控制面板操作控制面板显示器显示器外部存储设备。外部存储设备。 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础三、单微处理机结构系统三、单微处理机结构系统特点：特点：CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、出控制、CRT显示等功能集中控制分时处理。显示等功能集中控制分时处理。微处理机通过总线与

11、存储器、输入输出控制等各种接口相连，构微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成成CNC装置。装置。结构简单，容易实现。结构简单，容易实现。正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础四、多微处理机结构系统四、多微处理机结构系统共享总线结构共享总线结构 共享存储器结构共享存储器结构 数控加工编程与操作3.1 数控机床的控制基础数控机床的控制基础四、多微处理机结构系

12、统四、多微处理机结构系统特点：特点： 性能价格比高性能价格比高 。多微处理器提高了运算速度，CPU价格比较低采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。 硬件采用标准插接板，软件也可模块化硬件易于组织规模生产。硬件易于组织规模生产。硬件均按模块化计数处理有很高的可靠性。有很高的可靠性。 各模块独立工作，区别于单CPU 数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理插补：插补：在每个插补周期（毫秒级）内，根据指令、进给速度计算在每个插补周期（毫秒级）内，根据指令、进给速度计算出一个微小直线段的数据，刀具沿着微小直线段运动，经出一个微小直线段的数据，刀具沿着微小

13、直线段运动，经过若干个插补周期后，刀具从起点运动到终点过若干个插补周期后，刀具从起点运动到终点也就是说，刀具不能严格地按照所加工的零件廓形（如直也就是说，刀具不能严格地按照所加工的零件廓形（如直线、圆弧或椭圆、抛物线等其他类型曲线）运动，而只能线、圆弧或椭圆、抛物线等其他类型曲线）运动，而只能用折线逼近所需加工的零件轮廓线型。用折线逼近所需加工的零件轮廓线型。插补的方法有：插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、逐点比较法、数字积分法、CNC软硬件结合插补软硬件结合插补直线插补直线插补圆弧插补圆弧插补数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理数控加工编

14、程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断一下偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点较，判断一下偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就往图形里面走；如加工走到图形外面去了，那么下一步就往图形里面走；如加工点在图形里面，则下一步就往图形外面走，这样就能得到点在图形里面，则下一步就往图形外面走，这样就能得到一个非常接近规定图形的轨迹。一个非常接近规定图形的轨迹。YP1PO(x,y)OXABP2数控加工编程与操作3.2 插补原理插

15、补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理图中图中AB是需插补的曲线，用逐点比较法插补前，先根据是需插补的曲线，用逐点比较法插补前，先根据AB的形状构造函数：的形状构造函数：F=F(x,y) x,y为刀具的坐标为刀具的坐标函数函数F的正负必须反映出刀具与曲线的相对位置关系，设的正负必须反映出刀具与曲线的相对位置关系，设这种关系为：这种关系为： F(x,y)0 刀具在曲线上方刀具在曲线上方 F(x,y)=0 刀具在曲线上刀具在曲线上 F(x,y)0F=0F0eiieiYXYXF数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理直线插补直线插补进给控制进

16、给控制若点若点P在直线上或上方（在直线上或上方（F0），），应向正应向正X方向发一脉冲，使机床刀具方向发一脉冲，使机床刀具向正向正X方向前进一步，以接近该直线方向前进一步，以接近该直线若点若点P在直线下方时（在直线下方时（F0），应），应向正向正Y方向发一脉冲，使机床刀具向方向发一脉冲，使机床刀具向正正Y方向前进一步，以接近该直线方向前进一步，以接近该直线XOAYP P1 1(X(Xi i,Y,Yi i) )P P2 2(X(Xi+1i+1,Y,Yi i) )P P1 1(X(Xi i,Y,Yi i) )XOAYP P2 2(X(Xi i,Y,Yi+1i+1) )数控加工编程与操作3.2 插补

17、原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理直线插补直线插补偏差计算偏差计算新加工点的偏差可用前一点的偏差递推出来：新加工点的偏差可用前一点的偏差递推出来：当当F0时，刀具从时，刀具从(Xi,Yi)向向+X方方向前进一步到达向前进一步到达(Xi+1,Yi)，则新加工，则新加工点的偏差值为：点的偏差值为：当当F0时，刀具从时，刀具从(Xi,Yi)向向+Y方方向前进一步到达向前进一步到达(Xi,Yi+1)，则新加工，则新加工点的偏差值为：点的偏差值为：eiieeiieiYXYXYXYXF) 1(11eeiieYYXYXeiYF eiieiieeiieiXFFYXYXYXYXF111)

18、1(X XO OA AY YP P1 1(X(Xi i,Y,Yi i) )P P2 2(X(Xi+1i+1,Y,Yi i) )P P1 1(X(Xi i,Y,Yi i) )X XO OA AY YP P2 2(X(Xi i,Y,Yi+1i+1) )eiieiYXYXF数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理直线插补直线插补终点判别终点判别单向计数：把单向计数：把Xe、Ye中数值较大的坐标值作为计数长度，中数值较大的坐标值作为计数长度，Xi走走一步，计数长度减一步，计数长度减1，直到计数长度等于，直到计数长度等于0，插补停止。，插补停止。双向计数：把

19、双向计数：把Xe+Ye作为计数长度，如例题作为计数长度，如例题分别计数：即计分别计数：即计X，又计，又计Y，只有当，只有当X、Y均减到零时，停止插补。均减到零时，停止插补。数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理直线插补直线插补插补如下直线插补如下直线用逐点比较法加工直线用逐点比较法加工直线OA，写出插补计算过程并画出插补轨迹。写出插补计算过程并画出插补轨迹。X XO OA(5,3A(5,3）Y Y X X0 0,Y,Y0 0,X,Xe e,Y,Ye e / X / Xe e+Y+Ye eEE开始开始 F Fi i00？ +X+X方向进给方向进给

20、+Y+Y方向进给方向进给 F Fi iFFi i-Y-Ye e F Fi iFFi i+X+Xe e EE-1EE-1 E=0E=0？结束结束Y YN NY YN N脉冲脉冲个数个数偏差偏差判别判别进给进给方向方向偏差偏差计算计算终点终点判别判别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=

21、-2+5=3E=E-1=2-1=108F7=30+XF8=F7-Ye=3-3=0E=E-1=1-1=0XOA(5,3）Y脉冲脉冲个数个数偏差偏差判别判别进给进给方向方向01F0=0+X2F1=-30+X4F3 =-10+X6F5=10+X7F6 =-2+Y8F7=30+X数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点一、逐点比较法插补原理比较法插补原理直线插补直线插补其它象限插补方法其它象限插补方法四个象限的直线插补都用同样的公式计算偏差，只是计算四个象限的直线插补都用同样的公式计算偏差，只是计算时，终点坐标和加工点坐标均取绝对值。时，终点坐标和加工点坐标均取绝对值。进给方向由实际象限决定

22、进给方向由实际象限决定 练习：插补直线（练习：插补直线（-5，5）eiiYFF1eiiXFF1F0+XF0-XF0-XF0+XF0+YF0+YF0-YeiiYFFF10eiiXFFF10数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理圆弧插补圆弧插补第一象限逆圆弧的插补计算第一象限逆圆弧的插补计算逆圆弧插补偏差判别式定义为：逆圆弧插补偏差判别式定义为：设点设点P(Xi,Yi)在圆弧外侧或圆弧在圆弧外侧或圆弧上（上（F0）,加工点将沿加工点将沿-X方向进给方向进给一步，到点一步，到点(Xi+1,Yi+1)，则，则:设点设点P(Xi,Yi)在圆弧内侧（在圆弧内

23、侧（F0F0F0F0X XO OA A（X X0 0,Y,Y0 0）Y YP P（X Xi i,Y,Yi i）B B（X Xe e,Y,Ye e）数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理圆弧插补圆弧插补第一象限逆圆弧的插补计算第一象限逆圆弧的插补计算加工图示逆圆弧加工图示逆圆弧AB，A(6,0),B(0,6)，试对其进行试对其进行插补运算，并画出插补轨迹。插补运算，并画出插补轨迹。数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理圆弧插补圆弧插补脉冲脉冲个数个数偏差偏差判别判别进给进给方向方向偏差偏差计算计算坐标

24、坐标计算计算终点终点判别判别0 0F F0 0=X=X0 02 2+Y+Y0 02 2-R-R2 2=0=0X X0 0=6 Y=6 Y0 0=0=0E=12E=121 1F F0 0=0=0-X-XF F1 1=F=F0 0-2X-2X0 0+1=-11+1=-11X X1 1=5 Y=5 Y1 1=0=0E=11E=112 2F F1 1=-110=-110+Y+YF F2 2=F=F1 1+2Y+2Y1 1+1=-10+1=-10X X2 2=5 Y=5 Y2 2=1=1E=10E=103 3F F2 2=-100=-100+Y+YF F3 3=F=F2 2+2Y+2Y2 2+1=-7+

25、1=-7X X3 3=5 Y=5 Y3 3=2=2E=9E=94 4F F3 3 =-70=-70+Y+YF F4 4=F=F3 3+2Y+2Y3 3+1=-2+1=-2X X4 4=5 Y=5 Y4 4=3=3E=8E=85 5F F4 4=-20=-20=50-X-XF F6 6=F=F5 5-2X-2X5 5+1=-4+1=-4X X6 6=4 Y=4 Y6 6=4=4E=6E=67 7F F6 6 =-40=-40=50-X-XF F8 8=F=F7 7-2X-2X7 7+1=-2+1=-2X X8 8=3 Y=3 Y8 8=5=5E=4E=49 9F F8 8 =-20=-20=90

26、-X-XF F1010=F=F9 9-2X-2X9 9+1=4+1=4X X1010=2 Y=2 Y1010=6=6E=2E=21111F F1010=40=40-X-XF F1111=F=F1010-2X-2X1010+1=1+1=1X X1111=1 Y=1 Y1010=6=6E=1E=11212F F1111=10=10-X-XF F1212=F=F1111-2X-2X1111+1=0+1=0X X1212=0 Y=0 Y1010=6=6E=0E=0脉冲脉冲个数个数偏差偏差判别判别进给进给方向方向0 01 1F F0 0=0=0-X-X2 2F F1 1=-110=-110+Y+Y3 3

27、F F2 2=-100=-100+Y+Y4 4F F3 3 =-70=-70+Y+Y5 5F F4 4=-20=-20=50-X-X7 7F F6 6 =-40=-40=50-X-X9 9F F8 8 =-20=-20=90-X-X1111F F1010=40=40-X-X1212F F1111=10=10-X-X数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理圆弧插补圆弧插补第一象限顺圆弧的插补计算第一象限顺圆弧的插补计算顺圆弧插补偏差判别式定义为：顺圆弧插补偏差判别式定义为：设点设点P(Xi,Yi)在圆弧外侧（在圆弧外侧（F0）加工点将沿加工点将沿-Y

28、方向进给一步，到点方向进给一步，到点(Xi+1,Yi+1)，则，则:设点设点P(Xi,Yi)在圆弧内侧（在圆弧内侧（F0）加工点将沿加工点将沿+X方向进给一步，到点方向进给一步，到点(Xi+1,Yi+1)，则，则:222RYXFiii12221211iiiiiYFRYXF12221211iiiiiXFRYXFX XO OA A（X X0 0,Y,Y0 0）Y YP P（X Xi i,Y,Yi i）B B（X Xe e,Y,Ye e）数控加工编程与操作3.2 插补原理插补原理一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理圆弧插补圆弧插补不同象限的圆弧插补计算公式不同象限的圆弧插补计算公式数控加工编

29、程与操作3.3 刀具半径补偿原理刀具半径补偿原理刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念由于刀具有一定的半径（如铣由于刀具有一定的半径（如铣刀），因此刀具中心相对工件刀），因此刀具中心相对工件轮廓轨迹（编程轨迹）偏移一轮廓轨迹（编程轨迹）偏移一个刀具半径。个刀具半径。当刀具中心轨迹在编程轨迹前当刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的左侧时称为左刀补，进方向的左侧时称为左刀补，用用G41表示；表示；当刀具中心轨迹在编程轨迹前当刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的右侧时称为右刀补，进方向的右侧时称为右刀补，用用G42表示；表示；零件轮廓轨迹零件轮廓轨迹 外轮廓加工外轮廓加工内轮廓加工内轮廓加工G41G41G42G42