课题二数控系统的工作原理一课件

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1、课题二数控系统的工作原理一课题二数控系统的工作原理一教教 师师 课课 时时 授授 课课 计计 划划教师姓名 课程名称 数控原理与编程实训数控原理与编程实训授课时数0.5天 累计 1.5天授课日期授课日期 班班 次次 课课 题题课题二课题二数控系统的工作原理（一）数控系统的工作原理（一） 教学目的教学目的 1、了解CNC装置的组成,熟悉CNC装置的工作流程2、掌握插补的概念, 熟悉逐点比较法中的直线插补原理 重重 点点 难难 点点 刀具补偿原理及直线插补原理直线插补原理 教教 具具 计算机 作作 业业 实训报告 参考书参考书 数控加工实训 数控加工技术 教学过程教学过程一、旧课复习(建议用时:1

2、0分钟)二、新课的教学内容(建议用时:60分钟)1计算机数控系统的工作流程2直线插补原理三、实训内容(建议用时:100分钟)四、课堂小结(建议用时:10分钟)课后小记课后小记课题二数控系统的工作原理一课题二课题二 数控系统的工作原理（一）数控系统的工作原理（一） 一、旧课复习一、旧课复习 1、数控机床主要由哪几部分组成？2、数控车床和数控铣床的切削运动有何区别？3、与传统机械加工方法相比，数控加工有哪些特点?课题二数控系统的工作原理一二、二、新课的教学内容新课的教学内容 ( (一一) )计算机数控系统的工作流程计算机数控系统的工作流程1 1计算机数控系统的组成计算机数控系统的组成 计算机数控系

3、统（Computer Numerical Control）由零件加程序，输入输出设备，计算机数字控制装置，可编程序控制器，主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。 课题二数控系统的工作原理一2计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （1）CNC装置的组成 CNC装置由硬件和软件组成。软件包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由输入输出程序、I/O处理程序、显示程序和诊断程序等组成。控制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成，如图2.2所示。课题二数控系统的工作原理一CNC装置的硬件结构 1）微处理器（CPU）负责运算及对整个系统进行控制和管理。 2

4、）可编程只读存储器（EPROM）和随机存储器（ROM）用于储存系统软件和零件加工程序以及运算的中间结果等。 3）输入输出接口供系统 与外部进行信息交换。 4）MDI/CRT接口完成手 动数据输入并将信息显 示在CRT上。 5）位置控制部分是CNC 装置的重要组成部分， 它通过速度控制单元， 驱使进给电机输出功 率和扭矩，实现进给 运动。如图2.3所示。 位 置 控 制速 度P C进给电 动机位置检 测器读 带 机M DI /C RT控 制 单 元接口MDI/CRT接口总线CPUEPROMRAM输 入 接 口输 出 接 口读 带 机M课题二数控系统的工作原理一（2）CNC装置的工作过程课题二数控

5、系统的工作原理一（3）CNC装置可执行的功能 1）CNC装置中使用了计算机，用存放在存储器中的软件来实现部分或全部数控功能。 2）CNC装置的功能一般包括基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统必备的数控功能，选择功能是供用户根据机床特点和工作途径进行选择的功能。控制功能 主轴功能准备功能 辅助功能 插补功能 字符显示功能 进给功能 自诊断功能 刀具功能 补偿功能及固定循环功能课题二数控系统的工作原理一（二）插补原理（二）插补原理 1概述概述（1）插补的基本概念 按规定的函数曲线或直线，对其起点和终点之间，按照一定的方法进行数据点的密化计算和填充，并给出相应的位移量，使其实际轨迹和理论轨迹之间

6、的误差小于一个脉冲当量，这个过程称为插补。课题二数控系统的工作原理一（2）插补方法的分类 脉冲增量插补 1）脉冲增量插补亦称行程增量插补，它适应于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。 2）这种插补的实现方法较简单，只需进行加法和移位就能完成插补。 3）易用硬件实现，且运算速度很快。因此，脉冲增量插补算法只适合于一些中等精度（0.01mm）和中等速度（13m/min）的机床控制。课题二数控系统的工作原理一数字增量插补 第一步是粗插补第一步是粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度L相等，且与给定的进给速度有关。每一微小直线段的长度L与

7、进给速度F和插补周期T有关，即L=FT。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。 第二步为精插补第二步为精插补，它是在粗插补时算出的每一微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补，这种插补算法可以实现高速、高精度控制，因此适于以直流伺服电机或交流电机为驱动装置的半闭环或闭环数控系统。课题二数控系统的工作原理一2逐点比较法逐点比较法基本原理是：基本原理是：计算机在控制加工轨迹的过程中，每走一步都要和规定的轨迹相比较，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法既可以做直线插补又可以做圆弧插补。特点是：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

8、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，这种方法每控制机床坐标进给一步，都都要完成四个工作节拍要完成四个工作节拍。课题二数控系统的工作原理一逐点比较法的逐点比较法的四个工作节拍四个工作节拍 第一个节拍第一个节拍偏差判别偏差判别 第二个节拍第二个节拍坐标进坐标进给 第三个节拍第三个节拍偏差计算偏差计算 第四个节拍第四个节拍终点判别终点判别 课题二数控系统的工作原理一直线插补：直线插补： 1）如何进行偏差计算。第一象限内。编程时，给出要加工直线起点和终点。如果以直线的起点为坐标原点，终点坐标为（Xe,Ye），插补点坐标为（X，Y），如图2.5所示，则以下关系成立： 若

9、点（X，Y）在直线上，则 ：XeY - YeX = 0若点（X，Y）位于直线上方，则Xe Y- Ye X0若点（X，Y）位于直线下方，则 XeY - Ye X0，下一步向+X方向运动； 3）当点在直线下方时，F0的情况， 继续向+X方向运动。 这样从原点出发，走一步判别一次F， 再走一步，所运动的轨迹总在直线 附近，并不断趋向终点。图2.5 逐点比较法直线插补 课题二数控系统的工作原理一到达终点的判别设点（Xi，Yi）为当前所在位置，其F = XeYi -YeXi若沿+X方向走一步，则：Xi+1=Xi+1 Yi+1=YiFi+1=XeYi+1Ye Xi+1 =XeYiYe(Xi+1) = Fi

10、Ye若沿+Y方向走一步，则：Xi+1=Xi Yi+1=Yi+1Fi+1=XeYi+1Ye Xi+1 =Xe(Yi +1)YeYi= Fi+Xe由逐点比较法的特点，插补运动总步数n = Xe+Ye， 利用n来判别是否到达终点。 每走一步使n = n - 1， 直至n = 0为止。n= 0 ?F=F-YYNNYF=F+X结束+X走一步+Y走一步e起始n =X +Yeen=n-1F 0 ？e图2.6逐点比较法计算流程 课题二数控系统的工作原理一其它象限的直线插补偏差递推公式（1），象象 限限坐坐 标标 进进 给给偏偏 差差 计计 算算 F F 00F0F0F0F0F0F0 1 1XXYYF Fi+1

11、i+1 = F = Fi iY Ye eF Fi+1i+1 = F = Fi iX Xe e 2 2XXYYF Fi+1i+1 = F = Fi iY Ye eF Fi+1i+1 = F = Fi iX Xe e 3 3XXYYF Fi+1i+1 = F = Fi iY Ye eF Fi+1i+1 = F = Fi iX Xe e 4 4XXYYF Fi+1i+1 = F = Fi iY Ye eF Fi+1i+1 = F = Fi iX Xe e表2.2直线插补公式（坐标值带符号） 课题二数控系统的工作原理一其它象限的直线插补偏差递推公式（2） 表2.3直线插补公式（坐标值为绝对值）象象 限

12、限坐坐 标标 进进 给给偏偏 差差 计计 算算 F F00F0F0F F00F0F0时，该点在圆外，向-X方向运动一步； 当F0的情况，插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。与直线插补的判别类似，圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算。课题二数控系统的工作原理一 设当前点（Xi，Yi）对应的偏差函数为： Fi =（Xi2 + Yi2）- R2当点沿-X方向走一步后： Fi+1 =（Xi-1）2 + Yi2 - R2= Fi 2Xi + 1当点沿+Y方向走一步后： Fi +1 =Xi2 + (Yi+1)2 - R2= Fi + 2Yi + 1终点判别可由n = | Xe - Xo | + | Ye

13、- Yo | 判别，每走一步使n = n - 1，直至n = 0为止。其插补软件流程如图2.9所示。课题二数控系统的工作原理一举例： 插补起点（Xo = 4，Y o = 1）至终点（Xe = 1，Y e = 4）的一段圆弧，整个计算流程如教材表2.4所示，插补轨迹如图2.10所示。（注重思路和方法的讲解）图2.10课题二数控系统的工作原理一节拍节拍判别函数判别函数进给方向进给方向偏差与坐标计算偏差与坐标计算终点判别终点判别起始起始F F0 0 = 0 = 0X Xo o = 4 Y = 4 Yo o = 1 = 1n = Xn = Xe e + Y+ Ye e = 6 = 61 1F F0 0

14、 = 0 = 0- -X XX X1 1=3 Y=3 Y1 1=1=1F F1 1 = F = F0 0 2X2X0 0 + 1 = + 1 = - -7 7n = 6 n = 6 - 1 = 5- 1 = 52 2F F1 1= = - -7 7 0 0+Y+YX X2 2=3 Y=3 Y2 2=2=2F F2 2 = F = F1 1 + 2Y + 2Y1 1 +1 = +1 = - -4 4n = 5 n = 5 - 1 = 4- 1 = 43 3F F2 2 = =- -4 4 0 0- -X XX X4 4=2 Y=2 Y4 4=3=3F F4 4 = F = F3 3 2X2X3

15、3 + 1 = + 1 = -4-4n = 3 n = 3 - 1 = 2- 1 = 25 5F F4 4= = - -4 4 0 0- -X XX X6 6=1 Y=1 Y6 6= 4= 4F F6 6 = F = F5 5 2X2X5 5 + 1 = 0 + 1 = 0n = 1 n = 1 - 1 = 0- 1 = 0表2.4 圆弧插补计算表 课题二数控系统的工作原理一2象限处理象限处理表2.5的进给脉冲分配表型课题二数控系统的工作原理一线型线型脉冲脉冲象限和坐标象限和坐标1234直线直线X+X+Y- -X- -YY+Y- -X- -Y+X顺圆顺圆X- -Y+X+Y- -XY+X+Y-

16、-X- -Y逆圆逆圆X- -X- -Y+X+YY+Y- -X- -Y+X表表2.2.5 象限与进给脉冲分配对照象限与进给脉冲分配对照课题二数控系统的工作原理一顺圆逆圆偏差计算公式表表2.6 顺圆逆圆偏差计算公式表0圆圆 弧弧F0F0进给进给计计 算算 公公 式式进给进给计计 算算 公公 式式SR1Y Fi+1 = Fi2Yi1 Xi+1 = Xi Yi+1 = Yi1X Fi+1 = Fi2Xi1 Xi+1 = Xi1 Yi+1 = YiSR3YXNR2YXNR4YXNR1X Fi+1 = Fi2Xi1 Xi+1 = Xi1 Yi+1 = YiY Fi+1 = Fi2Yi1 Xi+1 = Xi

17、1 Yi+1 = YiNR3XYSR2XYSR4XY课题二数控系统的工作原理一3数字增量插补数字增量插补 在以直流伺服电机或交流伺服电机为驱动元件的闭环CNC系统中，一般都会采用不同类型的数据采样插补算法，数据采样插补一般分粗、精两步完成插补运算。 第一步是粗插补，由软件实现， 第二步是精插补，由硬件实现。 用软件粗插补计算出一定时间内加工动点应该移动的距离，送到硬件插补器内，再经硬件精插补，控制电机驱动运动部件，达到预定的要求。课题二数控系统的工作原理一插补周期T 相邻两次插补之间的时间间隔称为插补周期T； 向硬件插补器送入插补位移的时间间隔称为采样周期。 微小的进给直线段（进给步长）L：

18、L与编程速度代码F和插补周期T密切相关， 即L = FT 插补周期T的选择十分重要。正确选择插补周期，要考虑许多因素，主要有下面三个影响因素。插补运算时间位置反馈采样周期插补精度和速度课题二数控系统的工作原理一三、实训内容三、实训内容1 1用逐点比较法插补圆弧AB，画出动点轨迹图。2实训自测题课堂练习，各大题中的后五小题。课题二数控系统的工作原理一四、课堂小结四、课堂小结 通过本次课的教学，必须学会用逐点比较法来插补任一象限的圆弧，能独立推导不同象限的插补函数。课题二数控系统的工作原理一课题二数控系统的工作原理一教教 师师 课课 时时 授授 课课 计计 划划教师姓名 课程名称 数控原理与编程实

19、训数控原理与编程实训授课时数0.5天 累计 2.5天授课日期授课日期班班 次次课课 题题课题二课题二数控系统的工作原理（三）数控系统的工作原理（三） 教学目的教学目的 1、理解刀具半径补偿和刀具长度补偿的概念2、掌握刀具半径补偿和刀具长度补偿原理 重重 点点难难 点点 刀具半径补偿刀具长度补偿教教 具具 计算机 作作 业业 实训报告 参参 考考 书书 数控加工实训 数控加工技术教学过程教学过程一、旧课复习(建议用时：10分钟)二、新课的教学内容(建议用时：100分钟)1刀具半径补偿2刀具长度补偿三、实训内容(建议用时：60分钟)四、课堂小结(建议用时：10分钟)课后小记课后小记课题二数控系统的

20、工作原理一课题二课题二 数控系统的工作原理（三）数控系统的工作原理（三）一、旧课复习一、旧课复习1、什么叫圆弧插补？2、简述第三象限圆弧插补函数的建立？3、简述圆弧插补的象限处理过程?课题二数控系统的工作原理一二、二、新课的教学内容新课的教学内容 (一一)刀具半径补偿刀具半径补偿 (二二)刀具长度补偿的概念刀具长度补偿的概念课题二数控系统的工作原理一(一一)刀具半径补偿刀具半径补偿 1刀具半径补偿的概念刀具半径补偿的概念 1)用铣刀铣削工件的轮廓时，刀具中心的运动 轨迹并不是加工工件的实际轮廓。如图2.5所示； 由于数控系统控制的是刀心轨迹，编程时要根 据零件轮廓尺寸计算出刀心轨迹。 2)注意

21、到零件轮廓可能需要粗铣、半精铣和精 铣三个工步，由于每个工步加工余量不同，因 此它们都有相应的刀心轨迹。 3)另外刀具磨损后，也需要重新计算刀心轨迹，这样势必增加编程的复杂性。编程工作简化成只按零件尺寸编程，将加工余量和刀具半径值输入系统内存并在程序中调用 。这样既简化了编程计算，又增加了程序的可读性。 4)以按照零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置为依据，自动生成刀具中心轨迹的功能即称为刀具半径补偿功能刀具半径补偿功能。课题二数控系统的工作原理一2刀具半径补偿的计算刀具半径补偿的计算 1)编程人员在程序中指明何处进行刀具半径补偿，指明是进行左刀补还是右刀补，并指定刀具半径，刀具半径补偿的具体工

22、作由数控系统中的刀具半径补偿功能来完成。 2)根据ISO规定，当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的右边时称为右刀补，用G42表示；反之称为左刀补，用G41表示。课题二数控系统的工作原理一刀具半径补偿的执行过程 刀补建立即刀具以起刀点接近工件，由刀补方向G41/G42决定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长还是缩短一个刀具半径值。见图2.6所示。 刀补进行一旦刀补建立则一直维持，直至被取消。在刀补进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。在转接处，采用伸长、缩短和插入三种直线过渡方式。 刀补撤消（G40）即刀具撤离工件，回到起刀点。和建立刀具补偿一样，刀具中心轨迹也要比编程

23、轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。 刀具半径补偿仅指在指定的二维坐标平面内进行，刀具半径补偿仅指在指定的二维坐标平面内进行，平面的指定由G17（XY平面），G18（YZ平面），G19（XZ平面）表示。刀具半径值通过代码R来指定。课题二数控系统的工作原理一图2.6 刀补建立课题二数控系统的工作原理一3B功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 1) B功能刀具半径补偿为基本的刀具半径补偿，它仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，计算刀具中心的运动轨迹。 2) 对于直线而言，只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标，刀具中心轨迹即可确定； 3) 对于圆弧而言，圆弧的刀具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹

24、圆弧的起点、终点和圆心坐标。课题二数控系统的工作原理一 如图2.7，正在加工的直线终点坐标为A（X，Y）。假设上段程序加工完成后，刀具中心位于O，现需要计算刀具半径（R）补偿后直线OA的终点A（X，Y）。设终点刀具半径偏置矢量AA的坐标投影为（X，Y），则有 因为 故A点的坐标为 第二、三、四象限的刀具半径补偿计算可以类似推导，所差仅为X与Y的符号。YYYXXX2222cossinYXXRRYYXYRRX2222YXXRYYYXYRXX直线的刀具补偿计算 课题二数控系统的工作原理一图2.7 直线刀具半径补偿 图2.8 圆弧刀具半径补偿课题二数控系统的工作原理一圆弧的刀具半径补偿计算 如图2.8

25、，被加工圆弧的圆心在坐标原点。圆弧半径为R，圆弧起点A的坐标为（XO，YO），圆弧终点B的坐标为（Xe，Ye），刀具半径为r。假设上段程序加工完成后，刀具中心位于A，且坐标已知。那么圆弧的刀具半径补偿计算就是要计算出刀具中心圆弧AB的终点坐标（Xe，Ye）。 设BB在两个坐标上的投影为（X，Y），则有 从而得到 同样容易得到A点的坐标为 YYYXXX2222cossinYXXRRYYXYRRX2222YXXRYYYXYRXX课题二数控系统的工作原理一4C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 1) B功能刀具半径补偿只根据本段程序进行刀补计算，不能解决程序段之间的过渡问题，编程人员将工件轮廓处理或圆

26、角过渡，即人为地加上过渡圆弧。 2)实际加工中，随着前后两段编程轨迹的连接方式不同，相应刀具中心的加工轨迹也会产生不同的连接方式。 3)在普通的CNC装置中，所能控制的轮廓轨迹只有直线和圆弧，其连接方式有：直线与直线连接、直线与圆弧连接、圆弧与圆弧连接。课题二数控系统的工作原理一各种转接方式图2.9 直线至直线左刀补情况（a）、（b）缩短型转换；（c）伸长型转换；（d）插入型转换课题二数控系统的工作原理一(二二)刀具长度补偿的概念刀具长度补偿的概念 1) 刀具长度补偿是非常重要的概念。 2) 刀具长度补偿故名思义，它是用来补偿刀具长度差额的一种功能。 3) 当刀具磨损或更换后，加工程序不变，实

27、际刀具长度与编程长度不一致时，只须更改程序中刀具补偿的数值，通过刀具长度补偿这一功能实现对刀具长度差额的补偿。 4) 在实际加工过程中，每一把刀的长度都不同，由于刀具长度补偿的存在，零点Z坐标会自动向Z(或Z-)方向补偿刀具的长度，从而保证加工零点的正确性。课题二数控系统的工作原理一三、实训内容三、实训内容 1、选择题（1）刀具长度补偿值是（ ）。（A）刀具的纯长度（B）刀具的刀尖到主轴端面的长度 （C）刀具半径的长度（D）A、B都正确（2）数控机床编程序时常用刀具补偿，下面（ ）是错误的。（A）刀具左补偿（B）刀具右补偿（C）刀具长度补偿（D）刀具直径补偿（3）在数控车床中，刀具长度补偿是以（）体现的。（A）半径补偿 （B）位置补偿（C）换刀点 （D）ABC均可2、简答题（1）什么是刀具半径补偿？（2）什么是刀具长度补偿？ （3）试述B功能刀具半径补偿与C功能刀具半径补偿的区别？课题二数控系统的工作原理一四、课堂小结四、课堂小结 通过本次课的教学，必须熟练掌握刀具补偿的原理，灵活运用所学的刀具补偿知识，合理地应用于实际零部件的加工。