第三章數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理

1、 第三章第三章 數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)控裝置的工作過程數(shù)控裝置的工作過程 CNC裝置的工作是在硬件的支持下執(zhí)行軟件的過程。下面簡要說明CNC裝置的工作情況。 一、程序輸入程序輸入 將編寫好的數(shù)控加工程序輸入給CNC裝置的方式有：紙帶閱讀機輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、通訊接口輸入及連接上一級計算機的DNC(Direct Numerical Control)接口輸入。 CNC裝置在輸入過程中還要完成校驗和代碼轉換等工作，輸入的全部信息都放到CNC裝置的內部存儲器中。 返回課件首頁 二、譯碼二、譯碼在輸入的工件加工程序中含有工件的輪廓信息（起點、終點、直線、圓弧

2、等）、加工速度（F代碼）及其它輔助功能（M、S、T）信息等，譯碼程序以一個程序段為單位，按一定規(guī)則將這些信息翻譯成計算機內部能識別的數(shù)據(jù)形式，并以約定的格式存放在指定的內存區(qū)間。三、數(shù)據(jù)處理三、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能處理。刀具半徑補償是把零件輪廓軌跡轉化成刀具中心軌跡，編程員只需按零件輪廓軌跡編程，減輕了工作量。速度計算是解決該加工程序段以什么樣的速度運動的問題。編程所給的進給速度是合成速度，速度計算是根據(jù)合成速度來計算各坐標運動方向的分速度。另外對機床允許的最低速度和最高速度的限制進行判斷并處理。輔助功能諸如換刀、主軸啟停、切削液開關等一些開關量信號也

3、在此程序中處理。輔助功能處理的主要工作是識別標志，在程序執(zhí)行時發(fā)出信號，讓機床相應部件執(zhí)行這些動作。四、插補四、插補插補的任務是通過插補計算程序在已知有限信息的基礎上進行“數(shù)據(jù)點的密化”工作，即在起點和終點之間插入一些中間點。五、位置控制五、位置控制它的主要任務是在每個采樣周期內，將插補計算的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電動機，進而控制工作臺或刀具的位移。六、輸入六、輸入/輸出（輸出（I/O）處理控制）處理控制I/O處理主要處理CNC系統(tǒng)和機床之間的來往信號的輸入和輸出控制。七、顯示七、顯示CNC系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，通常有：零件程序顯示、參數(shù)設置、刀具位置顯示

4、、機床狀態(tài)顯示、報警顯示、刀具加工軌跡動態(tài)模擬顯示以及在線編程時的圖形顯示等 八、診斷八、診斷主要是指CNC系統(tǒng)利用內裝診斷程序進行自診斷，主要有啟動診斷和在線診斷。啟動診斷是指CNC系統(tǒng)每次從通電開始進入正常的運行準備狀態(tài)中，系統(tǒng)相應的內診斷程序通過掃描自動檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關外設是否正常。只有當檢查的每個項目都確認正確無誤之后，整個系統(tǒng)才能進入正常的準備狀態(tài)。否則，CNC系統(tǒng)將通過報警方式指出故障的信息，此時，啟動診斷過程不能結束，系統(tǒng)不能投入運行。在線診斷程序是指在系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)中，由系統(tǒng)相應的內裝診斷程序，通過定時中斷周期掃描檢查CNC系統(tǒng)本身以及各外設。只要系統(tǒng)不停電，在線

5、診斷就不會停止。第二節(jié)第二節(jié) 刀具補償原理刀具補償原理 一、為什么要進行刀具補償 如圖3-1所示，在銑床上用半徑為r的刀具加工外形輪廓為A的工件時，刀具中心沿著與輪廓A距離為r的軌跡B移動。我們要根據(jù)輪廓A的坐標參數(shù)和刀具半徑r值計算出刀具中心軌跡B的坐標參數(shù)，然后再編制程序進行加工，因控制系統(tǒng)控制的是刀具中心的運動。在輪廓加工中，由于刀具總有一定的半徑，如銑刀半徑或線切割機的鉬絲半徑等。刀具中心（刀位點）的運動軌跡并不等于所加工零件的實際軌跡（直接按零件廓形編程所得軌跡），數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償就是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。r刀具ArB圖3-1刀具半徑補償 當實際刀具長度與編程長度不

6、一致時，利用刀具長度補償功能可以實現(xiàn)對刀具長度差額的補償。 加工中心：一個重要組成部分就是自動換刀裝置，在一次加工中使用多把長度不同的刀具，需要有刀具長度補償功能。 輪廓銑削加工：為刀具中心沿所需軌跡運動，需要有刀具半徑補償功能。 車削加工：可以使用多種刀具，數(shù)控系統(tǒng)具備了刀具長度和刀具半徑補償功能，使數(shù)控程序與刀具形狀和刀具尺寸盡量無關，可大大簡化編程。 具有刀具補償功能，在編制加工程序時，可以按零件實際輪廓編程，加工前測量實際的刀具半徑、長度等，作為刀具補償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，可以加工出合乎尺寸要求的零件輪廓。 刀具補償功能還可以滿足加工工藝等其他一些要求，可以通過逐次改變刀具半徑補償值大小

7、的辦法，調整每次進給量，以達到利用同一程序實現(xiàn)粗、精加工循環(huán)。另外，因刀具磨損、重磨而使刀具尺寸變化時，若仍用原程序，勢必造成加工誤差，用刀具長度補償可以解決這個問題。 二、二、 刀具補償原理刀具補償原理 刀具補償一般分為刀具長度補償和刀具半徑補償。 銑刀主要是刀具半徑補償； 鉆頭只需長度補償； 車刀需要兩坐標長度補償和刀具半徑補償。1.刀具長度補償以數(shù)控車床為例進行說明，數(shù)控裝置控制的是刀架參考點的位置，實際切削時是利用刀尖來完成，刀具長度補償是用來實現(xiàn)刀尖軌跡與刀架參考點之間的轉換。如圖3-2所示，P為刀尖，Q為刀架參考點，假設刀尖圓弧半徑為零。利用刀具長度測量裝置測出刀尖點相對于刀架參考

8、點的坐標xpq，zpq，存入刀補內存表中。零件輪廓軌跡是由刀尖切出的，編程時以刀尖點P來編程，設刀尖P點坐標為xp，zp，刀架參考點坐標Q（xq，zq）可由下式求出：這樣，零件輪廓軌跡通過式(3-45)補償后，就能通過控制刀架參考點Q來實現(xiàn)。pqpqpqpqzzzxxx圖3-2刀具長度補償P(xp,zp)Qzpqxpq 加工中心上常用刀具長度補償，首先將刀具裝入刀柄，再用對刀儀測出每個刀具前端到刀柄基準面的距離，然后將此值按刀具號碼輸入到控制裝置的刀補內存表中，進行補償計算。刀具長度補償是用來實現(xiàn)刀尖軌跡與刀柄基準點之間的轉換。 在數(shù)控立式鏜銑床和數(shù)控鉆床上，因刀具磨損、重磨等而使長度發(fā)生改變

9、時，不必修改程序中的坐標值，可通過刀具長度補償，伸長或縮短一個偏置量來補償其尺寸的變化，以保證加工精度。 刀具長度補償原理比較簡單，由G43、G44及H（D）代碼指定。 2.刀具半徑補償ISO標準規(guī)定，當?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓ABCD）前進方向的左側時，稱為左刀補，用G41表示。反之，當?shù)毒咛幱谳喞斑M方向的右側時稱為右刀補，用G42表示，如圖3-3所示。G40為取消刀具補償指令。yyBCDC刀補進行ADAB刀補刀補建立刀補撤銷進行刀補撤銷刀補建立OxOxa)G41左刀補b)G42右刀補圖3-3刀具補償方向 在切削過程中，刀具半徑補償?shù)难a償過程分為三個步驟： （1）刀補建立刀補建立

10、刀具從起刀點接近工件，在原來的程序軌跡基礎上伸長或縮短一個刀具半徑值，即刀具中心從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡距離一個刀具半徑值。在該段中，動作指令只能用G00或G01。 （2）刀具補償進行刀具補償進行 刀具補償進行期間，刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個刀具半徑的距離。在此狀態(tài)下，G00、G01、G02、G03都可使用。 （3）刀補撤銷刀補撤銷 刀具撤離工件，返回原點。即刀具中心軌跡從與編程軌跡相距一個刀具半徑值過渡到與編程軌跡重合。此時也只能用G00、G01。 第三節(jié)第三節(jié) 進給速度控制原理進給速度控制原理 一、為什么要控制進給速度一、為什么要控制進給速度 對于任何一個數(shù)控機床來說，都要求

11、能夠對進給速度進行控制，它不僅直接影響到加工零件的表面粗糙度和精度，而且與刀具和機床的壽命和生產效率密切相關。 按照加工工藝的需要，進給速度的給定一般是將所需的進給速度用F代碼編入程序。對于不同材料的零件，需根據(jù)切削速度、切削深度、表面粗糙度和精度的要求，選擇合適的進給速度。 在進給過程中，還可能發(fā)生各種不能確定或沒有意料到的情況，需要隨時改變進給速度，因此還應有操作者可以手動調節(jié)進給速度的功能。數(shù)控系統(tǒng)能提供足夠的速度范圍和靈活的指定方法。 另外，在機床加工過程中，由于進給狀態(tài)的變化，如起動、升速、降速和停止，為了防止產生沖擊、失步、超程或振蕩等，保證運動平穩(wěn)和準確定位，必須按一定規(guī)律完成升

12、速和降速的過程。 二、基準脈沖法進給速度控制和加減速控制二、基準脈沖法進給速度控制和加減速控制 1. 速度控制 進給速度控制方法和所采用的插補算法有關?；鶞拭}沖插補多用于以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，各坐標的進給速度是通過控制向步進電機發(fā)出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，所以進給速度處理是根據(jù)程編的進給速度值來確定脈沖源頻率的過程。進給速度F與脈沖源頻率f之間關系為式中為脈沖當量(mm/脈沖)；f脈沖源頻率(Hz)；F進給速度(mm/min)。脈沖源頻率為fF6060Ff 下面介紹程序計時法，利用調用延時子程序的方法來實現(xiàn)速度控制。 根據(jù)要求的進給速度F，求出與之對應的脈沖頻率f，再 計 算 出

13、 兩 個 進 給 脈 沖 的 時 間 間 隔 （ 插 補 周期） ， 在控制軟件中，只要控制兩個脈沖的間隔時間，就可以方便地實現(xiàn)速度控制。進給脈沖的間隔時間長，進給速度慢；反之，進給速度快。這一間隔時間，通常由插補運算時間tch和程序計時時間tj兩部分組成，由于插補運算所需時間一般來說是固定的，因此只要改變程序計時時間就可控制進給速度的快慢。程序計時時間（每次插補運算后的等待時間），可用空運轉循環(huán)來實現(xiàn)。用CPU執(zhí)行延時子程序的方法控制空運轉循環(huán)時間，延時子程序的循環(huán)次數(shù)少，空運轉等待時間短，進給脈沖間隔時間短，速度就快；延時子程序的循環(huán)次數(shù)多，空運轉等待時間長，進給脈沖間隔時間長，速度就慢。

14、 fT1jchttT例已知系統(tǒng)脈沖當量0.01mm/脈沖，進給速度F300mm/min，插補運算時間tch0.1ms，延時子程序延時時間為ty0.1ms，求延時子程序循環(huán)次數(shù)。脈沖源頻率插補周期程序計時時間tjTtch1.9(ms)循環(huán)次數(shù)n=tj/ty19程序計時法比較簡單，但占用CPU時間較長，適合于較簡單的控制過程。)1(500601 . 06030060sFf)(2)(002. 01mssfT2.加減速控制因為步進電機的啟動頻率比它的最高運行頻率低得多，為了減少定位時間，通過加速使電機在接近最高的速度運行。隨著目標位置的接近，為使電機平穩(wěn)的停止，再使頻率降下來。因此步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)

15、過程中，運行速度都需要有一個加速-恒速-減速-低恒速-停止的過程，如圖3-4所示。圖3-4速度曲線 頻率FK0A時間或距離FKFK1BCx加速減速恒速低速O三、數(shù)據(jù)采樣法進給速度控制和加減速控制三、數(shù)據(jù)采樣法進給速度控制和加減速控制1.速度控制數(shù)據(jù)采樣插補方式多用于以直流電機或交流電機作為執(zhí)行元件的閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，速度計算的任務是確定一個插補周期的輪廓步長，即一個插補周期T內的位移量。式中F程編給出的合成進給速度（mm/min）；T插補周期（ms）；L每個插補周期小直線段的長度（m）。以上給出的是穩(wěn)定狀態(tài)下的進給速度處理關系。當機床起動、停止或加工過程中改變進給速度時，系統(tǒng)應自動進行加

16、減速處理。FTL6012.加減速控制自動加減速處理可按常用的指數(shù)加減速或直線加減速規(guī)律進行。加減速控制多數(shù)采用軟件來實現(xiàn)。V(t)V(t)VcABt1t2O加速勻速減速tO加速勻速減速Ct圖3-5指數(shù)加減速圖3-6直線加減速指數(shù)加減速控制的目的是將起動或停止時的速度突變變成隨時間按指數(shù)規(guī)律加速或減速，如圖3-48所示。指數(shù)加減速的速度與時間的關系為加速時式中時間常數(shù)； Vc穩(wěn)定速度。勻速時減速時直線加減速控制算法使機床在起動和停止時，速度沿一定斜率的直線上升或下降，如圖3-6所示，速度變化曲線是OABC。tceVtV1)(cVtV)(tceVtV)(進行加減速控制，首先要計算出穩(wěn)定速度和瞬時速

17、度。所謂穩(wěn)定速度，就是系統(tǒng)處于穩(wěn)定進給狀態(tài)時，每插補一次（一個插補周期）的進給量。在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，零件程序段中速度命令（或快速進給）的F值（mm/min），需要轉換成每個插補周期的進給量。另外為了調速方便，設置了快速和切削進給二種倍率開關，一般CNC系統(tǒng)允許通過操作面板上進給速度倍率修調旋鈕，進行進給速度倍率修調。穩(wěn)定速度的計算公式如下：式中Vw穩(wěn)定速度（mm/插補周期）;T插補周期（ms）；F程編指令速度（mm/min）； K速度系數(shù)，調節(jié)范圍在0200%之間，它包括快速倍率，切削進給倍率等。100060 TKFVw穩(wěn)定速度計算完之后，進行速度限制檢查，如果穩(wěn)定速度超過由參數(shù)設定的最高速度

18、，則取限制的最高速度為穩(wěn)定速度。所謂瞬時速度Vi，即系統(tǒng)在每一瞬時，每個插補周期的進給量。當系統(tǒng)處于穩(wěn)定進給狀態(tài)時，ViVw；當系統(tǒng)處于加速狀態(tài)時，ViVw?，F(xiàn)以直線加減速說明其計算方法。線性加減速的加速度可按下式計算式中F進給速度（mm/min）；t加速時間（ms）；加速度（mm/(ms)2）。tFa51067. 1a加速時，系統(tǒng)每插補一次都要進行穩(wěn)定速度、瞬時速度和加速處理。當上一個插補周期瞬時進給速度Vi小于當前穩(wěn)定速度Vw時，則要加速，每加速一次，瞬時速度為新的瞬時速度Vi+1參加插補計算，對各坐標軸進行分配。當上一個插補周期瞬時進給速度Vi大于當前穩(wěn)定速度Vw時，則要減速。減速時，首先計算出減速區(qū)域長度S，當穩(wěn)定速度Vw和設定的加速度確定后，S可由下式求得aTVVii1222 aTVSw減速時，系統(tǒng)每進行一次插補計算，都要進行終點判別，計算出離開終點的瞬時距離Si。若本程序段要減速，且SiS，開始減速處理。每減