数控系统及工作原理课件.ppt

1、第一节概第一节概述述第二节数控插第二节数控插补原理补原理第三节第三节数控补偿原理数控补偿原理第四节第四节位移与速度检测位移与速度检测第二章数控系统及工作原理第五节第五节伺服系统与控制伺服系统与控制第六节第六节CNC装置装置第七节第七节CNC系统中的可编程控制器系统中的可编程控制器第一节第一节 概概 述述 一、CNC系统的组成 CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。系统主要由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

2、出信息，控制执行部件，入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。使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，通常由常驻在其系统采用了计算机作为控制部件，通常由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。系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。1.2 数控系统的基本组成及工作原理 随着计算机技术的发展，数控系统在经历了电子管、晶体随着计算机技

3、术的发展，数控系统在经历了电子管、晶体管、集成电路和小型计算机等管、集成电路和小型计算机等4个发展阶段后，最终进入个发展阶段后，最终进入第五代数控系统第五代数控系统CNC系统，从而完成质的飞跃。系统，从而完成质的飞跃。数控系统的基本组成及其各部分功能数控系统的基本组成及其各部分功能 数控机床一般由输入数控机床一般由输入/输出设备、输出设备、CNC装置装置(或称或称CNC单单元元)、伺服单元、驱动装置、伺服单元、驱动装置(或称执行机构或称执行机构)、可编程控制器、可编程控制器(PLC)、电气控制装置、辅助装置及测量装置组成。如图、电气控制装置、辅助装置及测量装置组成。如图l-l所示是数控机床的组

4、成框图，除机床本体外统称为所示是数控机床的组成框图，除机床本体外统称为CNC系统。系统。(1)输入接口。输入接口。负责接收输入介质或操作面板上的信息，并负责接收输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。制和运算的原始依据。(2)控制器。控制器。根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。床按规定的要求协调地进行工作。(3)运算器。运算器。接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并将

5、控制信号以脉冲形式送至输出接口。将控制信号以脉冲形式送至输出接口。(4)输出接口。输出接口。根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。(5)存储器。存储器。CNC装置的存储器分为只读存储器装置的存储器分为只读存储器(ROM)和读和读写存储器写存储器(RAM)。ROM用于存放系统控制程序；用于存放系统控制程序；RAM用用于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控数控机

6、床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。机床的核心部分。CNC控制器数控系统硬件及其软件机床电器电气控制单元速度控制单元位置检测单元进给电动机可编程控制器PLC主轴控制单元主轴电动机输入设备操作面板纸带阅读机光驱软驱磁带机电子手轮打印机穿孔机电传机显示器输出设备光栅、磁栅等旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、图3-1 CNC系统的结构框图 在图3-1所示的整个计算机数控系统的结构框图中，数控系统主要是指CNC控制器。CNC控制器是由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。1.输入输入/输

7、出设备输出设备 键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可以用串行通信的方式进行信息的输入。以用串行通信的方式进行信息的输入。数控系统一般配有数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。2.CNC装置和装置和PLC 可编程控制器可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，是专为在工业环境下应用而设计的。当装置，是专为在工业环境下应用而

8、设计的。当PLC用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器控制器(Programmable Machine Controller，PMC)。PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。数控已成为数控机床不可缺少的控制装置。数控系统和系统和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的制。用于数控机床的PLC一般分为两类：一类是一般分为两类：一类是数控系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，数控系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将数控系统和而将数控系统和PLC综合起来设计，称为内装型综合起来设计，称为内装型(或

9、集成型或集成型)PLC；另一类是以独立专业化的；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型型(或外装型或外装型)PLC。3.强电控制部分和辅助装置电动执行器强电控制部分和辅助装置电动执行器 由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，数控机床的设计要求比普通工精度有一定影响，数控机床的设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密。因此，机床本体机床更严格，制造要求更精密。因此，机床本体采用了许多新的加强刚性、减小热变形和提高精采用了许多新的加强刚性、减小热变形和提高精度

10、等方面的措施。度等方面的措施。4.进给伺服驱动单元及进给电动机进给伺服驱动单元及进给电动机驱动装置把经过放大的指令信号转变为机械运动，驱动装置把经过放大的指令信号转变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。与伺服单元相对应，加工出图纸所要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。伺服电动机等。伺服单元与驱动装置合称为伺服驱动系统，它是伺服单元与驱动装

11、置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。伺服驱动系统是数控机床机床工作的动力装置。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，数控机床性能的好坏主要取决的重要组成部分，数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。于伺服驱动系统。5.主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速驱动单元及主轴电动机 伺服单元是联系伺服单元是联系CNC装置和机床本体的中间环节，它将来装置和机床本体的中间环节，它将来自自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元分为脉冲式和模拟信号。根据接收指令的不同，伺服单元分为脉冲式和模拟式两种，而模拟式

12、伺服单元按电源种类的不同又可分为直式两种，而模拟式伺服单元按电源种类的不同又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。流伺服单元和交流伺服单元。6.位移与速度检测装置位移与速度检测装置 测量装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作测量装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。按有无检测装置分，数控系统可分为开环数的方向移动。按有无检测装置分，数控系统可分为开环数控系统与闭环数控系统；

13、按测量装置的安装位置不同又可控系统与闭环数控系统；按测量装置的安装位置不同又可分为全闭环数控系统与半闭环数控系统。测量装置是数控分为全闭环数控系统与半闭环数控系统。测量装置是数控机床的重要组成部分。机床的重要组成部分。二二CNC装置装置的主要工作及过的主要工作及过程程 坐标轴运动与位置检测 F指令速度处理坐标及刀补 处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输 出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器 PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处 理输 入译 码零件程序图3-2 CNC的工作流程 译码译码(解释解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工

14、程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。数据结构示例：数据结构示例：StructStruct PROG_BUFFER PROG_BUFFER char buf_state；/缓冲区状态，0 空；1 准备好。int block_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。double COOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。int F,S；/F（mm/min）S（r/min）。char G0；/以标志形式存放G指令。char G1；char M0；/以标志形式存放M指令。char M1；char T；/存放本段换刀的刀具号。char D；/存放刀具补偿

15、的刀具半径值。；以标志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G00 0：无该指令；1：有该指令G01 0：无该指令；1：有该指令G02 0：无该指令；1：有该指令G03 0：无该指令；1：有该指令G90/G91 0：G90；1：G91G06 0：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42 在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y3

16、00 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200；1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9-StructStruct PROG_BUFFER PROG_BUFFER char buf_state；0 0：(开始开始)；1 1（；）（；）int block_num；0606（N06N06）double COOR20；COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200）COOR2=300000 COOR2=300000；（；（Y300Y300）int F,S；F=200F=200；（；（F200F200）char

17、 G0；D5=0D5=0；（；（G90G90）D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41）D1=1D1=1；（；（G01G01）char D；D=11D=11（D11D11）；刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。2.刀补处理刀补处理(计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y 速度预处理速度预处理 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。速度

18、处理程序主要完成以下几步计算：q 计算本段总位移量：直线直线：合成位移量L L；园弧园弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。q 计算每个插补周期内的合成进给量：L=F*t/60 （m）式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）L 插补计算插补计算 主要功能：q 根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值q 将L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（X1、Y1）。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t定时

19、运行。位置控制处理位置控制处理f（）+-+插补输出X1Y1指令位置X1新Y1新跟随误差X3Y3实际位置X2新Y2新反馈位置增量X2、Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程 在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加用折线轨迹逼近所要加工的曲线工的曲线。插补（插补（interpolationinterpolation）定义）定义：机床数控系统：机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种可以说，已知曲线

20、上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为为“数据点的密化数据点的密化”。第二节第二节 数控插补原理数控插补原理 一、插补的基本概念一、插补的基本概念 插补的实质插补的实质 数控装置向各坐标提供相互协调的数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲进给脉冲，伺服，伺服系统根据系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行脉脉冲数目分配的运算冲数目分配的运算（即插补计算），产生机床各坐（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。标的进给脉冲。插

21、补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。从而将工件加工出所需要轮廓的形状。插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行数数据点的密化。据点的密化。特点：特点：每次插补结束，数控装置向每个运动每次插补结束，数控装置向

22、每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示移动量。度，而脉冲的数量表示移动量。仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算机数控系统算机数控系统 主要的脉冲增量插补方法主要的脉冲增量插补方法 数字脉冲乘法器插补法数字脉冲乘法器插补法 逐点比较法逐点比较法 数字积分法数字积分法 矢量判别法矢量判别法 比较积分法比较积分法 最小偏差法最小偏差法 目标点跟踪法目标点跟踪法 单步追踪法单步追踪法 直接函数法直接函数法 加密判别和双判

23、别插补法加密判别和双判别插补法 基本思路基本思路：每走一步都要将加工点的瞬间：每走一步都要将加工点的瞬间时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。如果加工偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面，下一步就要向图形里面点走到图形外面，下一步就要向图形里面走；如果加工点走到图形里面，下一步就走；如果加工点走到图形里面，下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个非常接近规定图形的轨迹，最大得到一个非常接近规定图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲当量。偏差不超过一个脉冲当量。四个步骤四个步骤

24、：偏差判别：偏差判别-坐标进给坐标进给-新偏差新偏差判别判别-终点比较终点比较（二）（二）.逐点比较插补法直线插逐点比较插补法直线插补补P点在直线上方，则有：点在直线上方，则有：P点在直线上，则有：点在直线上，则有：P点在直线下方，则有：点在直线下方，则有：如图所示直线如图所示直线OA和点和点P（Xi，Yi），），A点（点（Xe，Ye）。0YXXYeiei0YXXYeiei0YXXYeieieieii,iYXXYF（1 1）偏差判别方程式：）偏差判别方程式：（2 2）坐标进给和计算）坐标进给和计算F Fi,ii,i=0=0时，向时，向x x方向走一步。方向走一步。F Fi,ii,i0=0F0

25、x（3 3）终点判断）终点判断 每走一步判断最大坐标的终点坐标值（绝对值）与该每走一步判断最大坐标的终点坐标值（绝对值）与该坐标累计步数坐标值之差是否为零，若为零，插补结束。坐标累计步数坐标值之差是否为零，若为零，插补结束。总步数为：总步数为：N=XN=Xa a+Y+Ya a。例例4-1 插补直线插补直线OA，A（5，3）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=5,Ye=3n=0,N=81F0,00+XF1,0F0,0Ye-3n=12F1,0-30+YF1,1F1,0Xe2n=1+1=20+XF2,1F1,1Ye-1n=2+1=3N4F2,1

26、-10+YF2,2F2,1Xe4n=3+1=40+XF3,2F2,2Ye1n=4+1=50+XF4,2F3,2Ye-2n=5+1=6N7F4,2-20+YF4,3F4,0Xe3n=6+1=70+XF5,3F4,3Ye0n=7+1=8=N直线直线OA插补轨迹插补轨迹例例.插补直线插补直线OA，A（4,5）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=4,Ye=5n=0,N=91F0,00+XF1,0F0,0Ye-5n=12F1,0-50+YF1,1F1,0Xe-1n=1+1=2N3F1,1-10+YF1,2F1,1 Xe3n=2+1=30+XF2,2

27、F1,2 Ye-2n=3+1=4N5F2,2-20+YF2,3F2,2 Xe2n=4+1=50+XF3,3F2,3Ye-3n=5+1=6N7F3,3-30+YF3,4F3,3Xe1n=6+1=70+XF4,4F3,4Ye-4n=7+1=8N9F4,4-4=0=0时，向时，向-x-x方向走一步。方向走一步。F Fi,ii,i 0 0时，向时，向y y方向走一步方向走一步。1X2FFYY,1XXii,ii,1ii1ii1i1Y2FFXX,1YYii,i1i,ii1ii1i0e0eYYXXn注意：圆弧与直线不同，直线用于计算的自始至终是注意：圆弧与直线不同，直线用于计算的自始至终是终点坐标，而圆弧则

28、是一个动点坐标。终点坐标，而圆弧则是一个动点坐标。例例4-2 插补第一象限逆圆插补第一象限逆圆AB(10,0)(6,8)序号序号偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F10,00N=121F10,00XF9,0 F10,0210+1-19N=12-1=112F9,0-190+YF9,1 F9,0+20+1-18N=12-2=103F9,1-180+YF9,2 F9,1+21+1-15N=12-3=94F9,2-150+YF9,3 F9,2+22+1-10N=12-4=85F9,3-100+YF9,4 F9,3+23+1-3N=12-5=76F9,4-30XF8,5 F9,5

29、29+1-11N=12-7=58F8,5-110+YF8,6 F8,5+25+10N=12-8=49F8,60XF7,6 F8,628+1-15N=12-9=310F7,6-150+YF7,7 F7,6+26+1-2N=12-10=211F7,7-20XF6,8 F7,827+10N=12-12=0插补轨迹插补轨迹圆弧插补的象限处理圆弧插补的象限处理三、三、数据采样插补数据采样插补 基本原理基本原理：是一种：是一种时间分割法时间分割法，根据，根据进给速度进给速度，将加工，将加工轮廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量轮廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量（一条微小直线），即用

30、一系列微小直线段逼近轮廓轨（一条微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个插补周期，调用插补程序一次，为下一插补迹。在每个插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐标轴应该行进的增长段，并计算插补点周期计算出各坐标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。的坐标值。实现步骤实现步骤：粗插补粗插补（用若干微小直线段逼近曲线）和（用若干微小直线段逼近曲线）和精精插补插补（脉冲增量插补）。（脉冲增量插补）。解决解决两个问题两个问题：选择插补周期选择插补周期；计算计算一个周期内各坐标一个周期内各坐标轴的轴的进给量进给量。插补周期的选择插补周期的选择 （1）插补周期与插补运算时间的关

31、系。）插补周期与插补运算时间的关系。（2）插补周期与位置反馈采样周期的关系。）插补周期与位置反馈采样周期的关系。（3）插补周期与精度、速度的关系。）插补周期与精度、速度的关系。数据采样插补直线与圆弧插补原理数据采样插补直线与圆弧插补原理 直线插补直线插补：用插补所形成的步长子线段逼近给定直线，用插补所形成的步长子线段逼近给定直线，与给定直线重合。与给定直线重合。圆弧插补圆弧插补：用弦线（直接函数法）或割线（扩展用弦线（直接函数法）或割线（扩展DDA算法）逼近圆弧。算法）逼近圆弧。1.直线插补算法原理直线插补算法原理 每个插补周期的进给步长为每个插补周期的进给步长为 L=FT 直线直线OPe的长

32、度为的长度为 L=(Xe2+Ye2)0.5 x和和y轴的位移增量为轴的位移增量为 X=LXe/L Y=LYe/L 假设假设k=L/L 插补第插补第i点的动点坐标为点的动点坐标为 Xi=Xi-1+X=Xi-1+kXe Yi=Yi-1+Y=Yi-1+kYe2.圆弧插补算法圆弧插补算法 基本思想：在满足精度的前提下，用弦进给代替弧基本思想：在满足精度的前提下，用弦进给代替弧进给，即用直线逼近圆弧。进给，即用直线逼近圆弧。圆弧上相邻两点坐标之间的关系如下圆弧上相邻两点坐标之间的关系如下。sinL5.0YcosL5.0XEMOCAEDHCDOCHMDH)2tan(taniiisin5.0cos5.0ta

33、nLYLXXYiiFTL YYYXXXi1ii1i 第三节第三节 数控补偿原理数控补偿原理一.刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念1.什么是刀具半径补偿(Tool Radius Compensation Tool Radius Compensation offset)offset)根据按零件轮廓 编制的程序和预先设 定的偏置参数，数控 装置能实时自动生成 刀具中心轨迹的功能 称为刀具半径补偿功刀具半径补偿功 能能。ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C2.刀具半径补偿功能的主要用途刀具半径补偿功能的主要用途q实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。可避免在加工中由于刀具

34、半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦。q刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可。q减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。二、刀具位置补偿原理二、刀具位置补偿原理当采用不同尺寸的刀具加工同当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件，或同一名一轮廓尺寸的零件，或同一名义尺寸的刀具应换刀重调或磨义尺寸的刀具应换刀重调或磨损而引起尺寸变化时，损而引起尺寸变化时，为了编程方便

35、和不改变已制备好的穿孔带，数为了编程方便和不改变已制备好的穿孔带，数控装置常备有刀具位置补偿机能，控装置常备有刀具位置补偿机能，将变化的尺寸通过拨码开关或键盘进行手动输将变化的尺寸通过拨码开关或键盘进行手动输入，便能自动进行补偿。入，便能自动进行补偿。1 1、刀具的位置补偿计算、刀具的位置补偿计算（图为不同尺寸刀具的四方刀架）（图为不同尺寸刀具的四方刀架）KI刀架中心位置为各刀具的换刀架中心位置为各刀具的换刀点，并以刀点，并以1 1号刀尖号刀尖B B点为所点为所有刀具编程起点。有刀具编程起点。当当1 1号刀从号刀从B B到到A A其增量值为：其增量值为：U UBABA=X=XA A-X-X1

36、1 W WBABA=Z=ZA A-Z-Z1 1当换当换2 2号时，到尖处在号时，到尖处在C C点，点，C C点的坐标原点为点的坐标原点为I I、K K。当当时：时：()补补()补补-(-()+)+补补-(-()补补 2 2、刀具位置补偿的处理方、刀具位置补偿的处理方法法机器在补偿前必须处理前后机器在补偿前必须处理前后两把刀具位置补偿的差别。两把刀具位置补偿的差别。例如例如,T1,T1刀具补偿量为刀具补偿量为+0.5mm,T2+0.5mm,T2刀具补偿量为刀具补偿量为+0.35mm,+0.35mm,两者差两者差0.15mm0.15mm。由于。由于T2-T1=+0.35-T2-T1=+0.35-(

37、+0.5(+0.5）=-0.15mm=-0.15mm（向床头箱移动为（向床头箱移动为负负，称，称进刀，远离为正，称退刀进刀，远离为正，称退刀),),也就是说也就是说,在在T1T1更换更换为为T2T2时时,要求刀架前进要求刀架前进0.150.15mmmm。对此，可作如下处理：对此，可作如下处理：(1)(1)在更换刀具时，先把原来刀在更换刀具时，先把原来刀具具(T1(T1）补偿量撤消（根据上例，）补偿量撤消（根据上例，刀架前进刀架前进0.50.5mmmm），），然后根据新刀具（然后根据新刀具（T2)T2)补偿量要求退回补偿量要求退回03.503.5mmmm，这样，实际上刀架这样，实际上刀架 前进了

38、差值为前进了差值为0.150.15mmmm。(2)(2)在更换刀具时，立即进行新换刀具的补偿量在更换刀具时，立即进行新换刀具的补偿量和原来刀具补偿量（老刀具补偿量）的差值运算，和原来刀具补偿量（老刀具补偿量）的差值运算，并根据这个差值进行刀具补偿。并根据这个差值进行刀具补偿。这种方法称差值补偿法。这种方法称差值补偿法。实际上是把原刀具补偿量的撤消和新刀具补偿量实际上是把原刀具补偿量的撤消和新刀具补偿量的读入进行复合。的读入进行复合。三、刀具长度补偿原理三、刀具长度补偿原理 当刀具的长度尺寸发生变化而影响工件轮廓的加工时，数控系统应对这种当刀具的长度尺寸发生变化而影响工件轮廓的加工时，数控系统应

39、对这种变化实施补偿，即刀具长度补偿。变化实施补偿，即刀具长度补偿。SPRSPZXXPFZPFFrFrprpFS （1 1）车床情况）车床情况 数控车床的刀具结构如右图所示。数控车床的刀具结构如右图所示。S S ：刀尖圆弧圆心；：刀尖圆弧圆心；R RS S：刀尖圆弧半径；：刀尖圆弧半径；P P（Z ZP P，X XP P）：理论刀尖点；）：理论刀尖点；F F（Z ZF F，X XF F）：刀架相关点；）：刀架相关点；（Z ZPFPF，X XPFPF）：）：P P点相对于点相对于F F点的坐标。点的坐标。车刀的刀具长度补偿就是实现车刀的刀具长度补偿就是实现刀尖圆弧中心刀尖圆弧中心S S与与刀架相关

40、点刀架相关点F F之间的坐标变换。之间的坐标变换。在实际操作中，在实际操作中，刀尖圆弧圆心刀尖圆弧圆心S S点点相对于相对于 F F点的点的位置偏移量位置偏移量难以直接测量，难以直接测量，而而理论刀尖点理论刀尖点P P相对于相对于F F点的位置偏移量比较容易测量。因此，一般情况下，我们点的位置偏移量比较容易测量。因此，一般情况下，我们先测量出先测量出理论刀尖点理论刀尖点P P与刀架参考点与刀架参考点F F之间的位置偏移量，然后根据情况来考虑是之间的位置偏移量，然后根据情况来考虑是否需要再精确计算出否需要再精确计算出刀尖圆弧中心刀尖圆弧中心S S与与刀架参考点刀架参考点F F之间的位置偏移量。通

41、过测量之间的位置偏移量。通过测量计算得出的这个位置偏移量数值将被存放在数控系统的计算得出的这个位置偏移量数值将被存放在数控系统的刀具参数表刀具参数表中。中。SPRSPZXXPFZPFFrFrprpFS （1 1）假设刀尖圆弧半径）假设刀尖圆弧半径R RS S=0=0 此时，此时，P P点与点与S S点重合，根据图示的几何关系可知：点重合，根据图示的几何关系可知：PFPFrrr已知：已知：),(FFFXZr),(PPPXZr),(PFPFPFXZr代入上式后得刀具长度补偿计算公式为：代入上式后得刀具长度补偿计算公式为：PFPFPFPFZZZXXX（2-12-1）理论刀尖点理论刀尖点P P的坐标（

42、的坐标（Z ZP P，X XP P）就是实际被加工零件的就是实际被加工零件的轮廓轨迹坐标轮廓轨迹坐标，该，该坐标值可以从数控加工程序中直接获得；坐标值可以从数控加工程序中直接获得；（Z ZPFPF，X XPFPF）为理论刀尖点为理论刀尖点P P相对于刀架参考点相对于刀架参考点F F的坐标值。的坐标值。设设（Z ZFPFP，X XFPFP）为刀架参考点为刀架参考点F F相对于理论刀尖点相对于理论刀尖点P P的坐标值，则有：的坐标值，则有：FPPFFPPFZZZXXX（2-2）PFPFPFPFZZZXXX（2-12-1）理论刀尖点理论刀尖点P P相对于刀架参考点相对于刀架参考点F F的坐标值的坐标

43、值（Z ZPFPF，X XPFPF）、或刀架参考点、或刀架参考点F F相相对于理论刀尖点对于理论刀尖点P P的坐标值的坐标值（Z ZFPFP，X XFPFP）可以从刀具参数表中的可以从刀具参数表中的刀具参数刀具参数来获取。来获取。在有些数控系统中，刀具参数表中的在有些数控系统中，刀具参数表中的刀具长度参数刀具长度参数采用采用刀架参考点刀架参考点F F相对于刀尖点相对于刀尖点P P的坐标值（的坐标值（Z ZFPFP，X XFPFP），即，即PFFPZPFFPXZZLXXL此时刀具长度补偿计算公式可写成：此时刀具长度补偿计算公式可写成：ZPFXPFLZZLXX（2-32-3）而在有些数控系统中，刀

44、具参数表中的而在有些数控系统中，刀具参数表中的刀具长度参数刀具长度参数采用采用刀尖点刀尖点P P相对于相对于刀架参考点刀架参考点F F的坐标值（的坐标值（Z ZPFPF，X XPFPF），即，即PFZPFXZLXL此时刀具长度补偿计算公式可写成：此时刀具长度补偿计算公式可写成：ZPFXPFLZZLXX（2-42-4）FB（-70，15）A（0，15）X3520ZG0 X0 Y15G0 X0 Y15G1 X-70G1 X-70A A点：点：20200503515FPAFFPAFZZZXXXB B点：点：502070503515FPBFFPBFZZZXXXlZZFL 讨论：讨论：1 1）利用（）利

45、用（2-32-3）式，我们可以得到）式，我们可以得到测量刀具长度参数测量刀具长度参数的计算公式：的计算公式：PFZPFXZZlXXl（2-42-4）其中：其中：（Z ZF F，X XF F）：刀架相关点）：刀架相关点F F的坐标；的坐标；（Z ZP P，X XP P）：新刀具刀尖点坐标。）：新刀具刀尖点坐标。FXZ在图示的情况下：在图示的情况下：Z ZF F为系统维护并显示的刀架为系统维护并显示的刀架相关点相关点F F的的Z Z坐标。坐标。新刀具刀尖点的新刀具刀尖点的Z Z坐标坐标Z ZP P=L=L。根据（根据（2-42-4），系统可以计算出新），系统可以计算出新刀具刀具Z Z方向的刀具参数

46、为：方向的刀具参数为：Lz Lz=Z=ZF F-Z-ZP P=Z=ZF F-L-LFXPFZPF 2 2）采用相似的分析方法，我们可以得到建立工件坐标系的计算公式采用相似的分析方法，我们可以得到建立工件坐标系的计算公式FXZMXZWPWXFMPWPFFMWMPWZFMPWPFFMWMXLXXXXXZLZZZZZ （2 2）假设刀尖圆弧半径）假设刀尖圆弧半径R RS S 0 0 此时，刀具的补偿算法比较复杂，一方面要考虑此时，刀具的补偿算法比较复杂，一方面要考虑刀尖圆弧半径的补偿刀尖圆弧半径的补偿（刀（刀具半径补偿类型），另一方面还要考虑具半径补偿类型），另一方面还要考虑刀具长度补偿刀具长度补偿

47、。但是，一般情况下但是，一般情况下R RS S很小，在有些生产场合可以不考虑它对零件轮廓的影很小，在有些生产场合可以不考虑它对零件轮廓的影响，另一方面，在对刀过程中已经把响，另一方面，在对刀过程中已经把R RS S在平行于坐标轴方向所引起的误差进行在平行于坐标轴方向所引起的误差进行了补偿，因此零件表面上平行于坐标轴的轮廓不会再产生附加误差（但斜线或了补偿，因此零件表面上平行于坐标轴的轮廓不会再产生附加误差（但斜线或圆弧还是会有误差），在此暂时不考虑刀尖圆弧的补偿计算。圆弧还是会有误差），在此暂时不考虑刀尖圆弧的补偿计算。刀具中心轨迹编程轨迹非加工侧加工侧非加工侧编程轨迹刀具中心轨迹加工侧q 过

48、渡方式 轨迹过渡时矢量夹角的定义：指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角 根据两段程序轨迹的矢量夹角 和刀补方向的不同，又有以下几种转接过度方式：缩短型：矢量夹角180 刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。伸长型：矢量夹角90180 刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。插入型：矢量夹角90 在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。刀具中心轨迹的转接形式和过渡方式列表 刀具半径补偿功能在实施过程中，各种转接形式和过渡方式的情况，如下面两表所示。表中实线表示编程轨迹；虚线表示刀具中心轨迹；为矢量夹角；r为刀具半径；箭头为走刀方向。表中是以右刀补（G42）为例进行说明的，左刀补（G41）的情况于右

49、刀补相似，就不再重复。刀具半径补偿的建立和撤消形式转接夹角矢量刀补建立（G42）刀补撤消（G42）直线-直线直线-圆弧直线-直线圆弧-直线过渡方式180o缩短型90o180o伸长型90o插入型rrrrrrrrrrrr刀具半径补偿的进行过程刀 补 进 行（G42）直线-直线直线-圆弧圆弧-直线圆弧-圆弧过渡方式180o缩短型90o180o伸长型90o插入型rrrrrrrr4.刀具半径补偿的实例q 读入OA，判断出是刀补建立，继续读下一段。q 读入AB，因为OAB90o，且又是右刀补（G42），由表可知，此时段间转接的过渡形式是插入型。则计算出a、b、c的坐标值，并输出直线段oa、ab、bc，供插

50、补程序运行。BcbAOCDEaq 读入BC，因为ABC90o，同理，由表可知，段间转接的过渡形式是插入型。则计算出d、e点的坐标值，并输出直线cd、de。q 读入CD，因为BCD180o，由表可知，段间转接的过渡 形式是缩短型。则计算出f点 的坐标值，由于是内侧加工，须进行过切判别（过切判别的 原理和方法见后述），若过切 则报警，并停止输出，否则输 出直线段ef。BfedcbAOCDEaq读入DE（假定由撤消刀补的G40命令），因为90oABC180o，由于是刀补撤消段，由表可知，段间转接的过渡形式是伸长型。则计算出g、h点的坐标值，然后输出直线段fg、gh、hE。q刀具半径补偿处理结束。Bf