1、,數(shù)控機床與編程寧波大學機械學院二0一0年,第二章 數(shù)控系統(tǒng)及工作原理,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 數(shù)控插補原理 第三節(jié) 數(shù)控補償原理 第四節(jié) 位移與速度檢測 第五節(jié) 伺服驅(qū)動與控制 第六節(jié) CNC裝置 第七節(jié) CNC系統(tǒng)中的可編程控制器（PLC）,第三節(jié) 數(shù)控補償原理,補償主要應用在兩個方面 軌跡控制中有關刀具情況的補償，如刀具半徑補償、長度補償和位置補償?shù)?進給運動中對機械傳動情況的補償，如傳動間隙補償和傳動副傳動誤差補償?shù)?本節(jié)僅介紹刀具長度補償、位置補償和半徑補償。,對刀儀對刀,試切對刀,刀具長度補償設置,數(shù)控銑床對刀,一、刀具補償,1幾個基本概念 刀位點：用刀具體上與零件表面成形有密切關系

2、的理想的或假想的點來描述刀具位置，這個點稱為刀具的刀位點。,刀補：在編程時，將刀具簡化為刀位點，用零件本身輪廓進行編程，但要將實際刀具的參數(shù)輸入給CNC裝置，輸入的參數(shù)統(tǒng)稱為刀補值；在程序中適當?shù)奈恢谜{(diào)用刀具補償指令，CNC裝置就會跟據(jù)程序相應的刀補值自動調(diào)整刀位點的運動軌跡，使刀位點的運動軌跡相對編程軌跡產(chǎn)生偏移，這個偏移恰好能加工出要求的零件輪廓。 刀具號和刀補號：對加工中使用的每一把刀具按機床規(guī)定的編號方式進行編號，得到刀具號；為每個刀號分配一組刀補號，每個刀補號對應該刀具的刀補值（包括位置補償值、半徑補償值、長度補償值）。,2刀補指令及其應用 數(shù)控車床： 位置補償T0103 ：前兩位表

3、示刀號01，后兩位表示刀補號03。 半徑補償：使用G41或G42指令另外指定。 數(shù)控銑床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等機床： 刀具半徑補償：使用G41和G42指令，用D給出刀補號 刀具長度補償：用G43和G44指令，用H給出刀補號。,3刀補的全過程,刀補建立：在首次出現(xiàn)有刀補指令的插補程序段，將刀補號對應的刀補值按指令要求補償?shù)降毒叩奈灰浦?，使刀位點相對編程軌跡產(chǎn)生一個偏置。 刀補進行 ：刀補指令是模態(tài)指令，一經(jīng)指定，始終有效，直至被撤消。 刀補撤消：若在某程序段出現(xiàn)刀補撤消指令，則取消刀位點產(chǎn)生的偏置，使刀位點回復到編程軌跡上。（T0100，G40，D00，H00 ）,4使用要點,（1）在G00和

4、G01插補指令段建立和撤消刀補。 （2）在建立新的刀補時，應先撤消已建立的刀補，然后再建立新的刀補。 （3）將刀補建立和撤消指令安排在零件加工的輔助空行程程序段中，使刀補建立和撤消過程中不進行切削加工。,二、刀具位置補償原理,當1號刀從B點直線運動到A點時，其在X軸、Z軸位移增量分別為UBA、WBA,當2號刀從C點運動到A點時，在X軸和Z軸上的位移增量分別為UCA、WCA,程序是按1號刀刀位點B點編制的。設I、K為2號刀X軸、Z軸的刀補值，令,（2-12）,（2-13）,比較以上兩式，得2號刀刀補值為：,編程員按式（2-14）計算2號刀位置補償值，并將其輸入到對應的刀補寄存器中，當CNC裝置執(zhí)

5、行刀具補償指令時，按式（2-13）計算X軸和Z軸位移增量，并按此位移增量控制刀具運動，使2號刀刀位點C最終運動到A點。,CNC裝置處理刀具位置補償?shù)挠嘘P計算，是在軌跡插補前一次性處理完的，屬于插補預處理，而非實時任務。,（2-14）,三、刀具長度補償原理,以鉆削加工為例簡要說明刀具長度補償原理。 如圖2-13所示，標準刀具為，要求刀位點A運動到指定的平面M，使用增量坐標編程（也可使用絕對坐標編程），終點坐標為W1。但由于刀具重磨等原因，實際刀具為，刀位點為B。若仍按編程要求使刀位點B到達平面M，實際位移應為W2。這樣應在編程終點坐標W1的基礎上自動補償一個值W3，使其與實際終點坐標W2一致，而

6、不必修改程序。即,加號對應指令G43，減號對應指令G44。補償值為,G43指令對應取正號，G44指令對應取負號。,（2-15）,（2-16）,刀具長度補償原理為：編程員按式（2-16）計算刀具的長度補償值W3，并輸入到對應的刀補寄存器中，當CNC裝置執(zhí)行刀具長度補償指令時，數(shù)控裝置按式（2-15）計算Z軸終點坐標W2，使刀位點B運動到平面M。,四、刀具半徑補償原理,1刀具半徑補償?shù)淖饔?在數(shù)控銑床上用圓柱銑刀加工母線為任意曲線的平面輪廓 時，刀位點軌跡應該是輪廓線的等距線 ； 使用圓頭車刀車削零件表面，并將刀位點選為車刀的圓弧切削刃圓心時，與上述情況相同。 如圖2-14所示。,2刀具半徑補償?shù)?/p>

7、刀位點計算 如圖2-15所示，設刀具半徑補償值為r。當零件輪廓線是直線或圓弧時，刀位點的軌跡線形不變，分別是與零件輪廓線距離為r的等距直線和與零件輪廓線半徑差為r的等距同心圓弧。 刀具半徑補償中刀位點一般采用矢量方法計算。,3B功能刀具半徑補償與C功能刀具半徑補償 零件輪廓常由多段直線和圓弧組合而成，刀具半徑補償時涉及兩段基本輪廓線連接點處刀位點軌跡如何轉(zhuǎn)接的問題，如圖2-15a所示。 可采用兩種方法處理兩段輪廓線連接點處刀位點軌跡的轉(zhuǎn)接： 采用圓弧過渡轉(zhuǎn)接，稱為B功能刀具半徑補償。 考慮兩段刀位點軌跡的具體情況，采用縮短、延長和插入一段直線段完成轉(zhuǎn)接，稱為C功能刀具半徑補償。 目前，CNC裝

8、置普遍采用C功能刀具半徑補償。,根據(jù)C功能刀具半徑補償?shù)男枰g碼緩沖區(qū)BS外，在CNC裝置的內(nèi)存中又增設了刀補緩沖區(qū)CS、插補緩沖區(qū)AS和輸出緩沖區(qū)OS。,4C功能刀具半徑補償指令的執(zhí)行,第二章 數(shù)控系統(tǒng)及工作原理,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 數(shù)控插補原理 第三節(jié) 數(shù)控補償原理 第四節(jié) 位移與速度檢測 第五節(jié) 伺服驅(qū)動與控制 第六節(jié) CNC裝置 第七節(jié) CNC系統(tǒng)中的可編程控制器（PLC）,第四節(jié) 位移與速度檢測,位移檢測裝置是閉環(huán)和半閉環(huán)控制的CNC系統(tǒng)的重要組成部分 在閉環(huán)（包括半閉環(huán)）伺服系統(tǒng)中，除位置檢測外，還需要檢測并反饋執(zhí)行部件的運動速度，構成速度的閉環(huán)反饋控制。 檢測裝置的分類,一

9、、概述,直線型 VS 回轉(zhuǎn)型 數(shù)字式 VS 模擬式 絕對式 VS 增量式,二、直線光柵,物理光柵 ：刻線細而密，柵距(兩刻線間的距離)在0.0020.005mm之間，主要用于光譜分析和光波波長的測量。 計量光柵 ：刻線相對較粗，柵距在0.0040.25mm之間，主要用于高精度位移的檢測，是數(shù)控進給伺服系統(tǒng)使用較多的一種檢測裝置。 直線光柵：用于直線位移的檢測 圓光柵：用于角位移的檢測,1直線光柵的結構和特點,按光路不同，直線光柵分透射光柵和反射光柵。 光柵檢測裝置：標尺光柵 + 光柵讀數(shù)頭 標尺光柵： 透射標尺光柵：光學玻璃；刻線平行，間距相等；光透射；柵距P；常用線紋密度為100250條/m

10、m。 反射標尺光柵：鋼尺或不銹鋼帶；光反射和漫射；常用的刻線密度為2550條/mm。 光柵讀數(shù)頭：又叫光電轉(zhuǎn)換器，可把光柵莫爾條紋變?yōu)殡娦盘?；由光源，透鏡、指示光柵(與標尺光柵結構相同，但尺寸短，安裝在不同部件上）、光敏元件和驅(qū)動線路組成。 透射：垂直入射讀數(shù)頭、分光讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭。 反射：反射讀數(shù)頭。,垂直入射讀數(shù)頭的結構原理圖,標尺光柵,2直線光柵的工作原理,莫爾條紋：兩光柵尺平行放置，使刻線相對旋轉(zhuǎn)一個很小的角度，在光的照射下，在光柵尺的另一側、在與刻線垂直的方向上形成明暗交替的粗大條紋，即莫爾條紋；當兩光柵尺左右相對移動時，莫爾條紋上下滾動。 莫爾條紋是由擋光效應或光的衍射形成的。

11、 當柵距與光的波長接近時，莫爾條紋由光的衍射形成； 當柵距比光的波長大得多時，莫爾條紋由擋光效應形成。 計量光柵的莫爾條紋一般都基于擋光效應。,莫爾條紋具有如下特性：,明暗相間的摩爾條紋光強分布近似余弦函數(shù)： 摩爾條紋具有放大作用： 摩爾條紋具有誤差均化作用； 摩爾條紋的移動方向與光柵尺的移動方向相垂直，且兩光柵尺相對移動一個柵距P，摩爾條紋上下移動一個莫爾條紋寬度W 。,摩爾條紋信號的轉(zhuǎn)換：,檢測莫爾條紋的位移可間接獲得兩光柵尺的相對位移。 采用光敏元件及相應的驅(qū)動電路將光強度信號轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號： 在寬度W內(nèi)，每隔/2放置一個光電元件，共放置4個，則各元件輸出的電壓信號在相位上依次相

12、差/2，即：,或,3直線光柵檢測電路,功用：將光敏元件和對應的驅(qū)動電路輸出的4路模擬電壓信號（Ua、Ub、Uc、Ud）轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，并使每一個脈沖對應一個固定的位移量。 兩種脈沖輸出方式： 第一種方式是正向和反向位移所對應的脈沖分別由不同的輸出端輸出，并分別稱為正走脈沖和反走脈沖，適用于采用可逆計數(shù)器對脈沖計數(shù)的場合； 第二種方式是正向和反向位移所對應的脈沖都由同一個輸出端輸出，位移的方向由一個控制端給出，適用于采用帶加減計數(shù)控制端的計器數(shù)對脈沖計數(shù)的場合。,下降沿微分,二、脈沖編碼器,一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械角位移變成電脈沖信號，是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中使用很廣的位移檢測裝置，也可作

13、為速度檢測裝置用于速度檢測。 脈沖編碼器分光電式，接觸式和電磁感應式三種。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中主要使用光電式脈沖編碼器。 常用的脈沖編碼器分辨率有2000p/r、2500p/r和3000p/r等，在高速、高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中，脈沖編碼器分辨率達20000p/r、25000p/r和30000p/r等。,1光電脈沖編碼器的結構,2光電脈沖編碼器的工作原理,平行光束透過圓光柵和指示光柵的線紋部分，照射到光敏元件上，形成明暗相間的光照條紋。 當圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光照條紋總通光量呈現(xiàn)周期性變化，每轉(zhuǎn)過一個節(jié)距，總通光量變化一個周期。 圓光柵每旋轉(zhuǎn)一周，其零位狹縫與指示光柵的零位狹縫重合一次，該處的光敏元件相應產(chǎn)生一個呈余弦形狀的脈沖信號。 若以圓光柵和指示光柵的a組線紋的透明條形區(qū)域完全重合時刻為時間初始狀態(tài)，則a組、b組、z狹縫處光敏元件輸出的信號波形如圖2-23所示。 光電編碼器檢測電路用于對a組、b組、z狹縫處光敏元件的輸出信號進行驅(qū)動放大、整形等處理，其原理與前述的直線光柵檢測電路基本相同。,輸出的方波信號A、