數(shù)控銑床畢業(yè)論文

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1、 1 引言 1 2 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 1 第1章 1 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 1 1．1 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念 1 1．2 微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成 1 1.3 ＣＮＣ系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 3 1.4 CNC系統(tǒng)的工作過程． 6 1.5 運(yùn)動軌跡括補(bǔ)的概念 7 1.6數(shù)據(jù)采樣法 14 1.7可編程控制器的設(shè)計(jì) 16 第2章機(jī)械部分設(shè)計(jì) 20 2.1 工作臺的進(jìn)給運(yùn)動 20 2.1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 第3章 21 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 3.1. 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 3.2.銑床改造中應(yīng)注意的問題 21 第4章 22 數(shù)控銑床的

2、主軸設(shè)計(jì) 22 4.1高速加工對機(jī)床主軸的要求 22 4.2 主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 第5章 23 分進(jìn)電機(jī)步細(xì)的設(shè)計(jì) 23 5.1細(xì)分電流波形的選擇及量化 23 1 引言 從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強(qiáng)度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、

3、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機(jī)床高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)

4、展趨勢，并提出了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的一些問題。 2 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)控產(chǎn)業(yè)取得數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn)機(jī)床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，200

5、3年僅占27.7%。1999年機(jī)床進(jìn)口額為8.78億美元(7624臺)，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺)，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2.7倍。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。

6、 2.1不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床水平的關(guān)鍵 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口，即使近幾年有些國內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對機(jī)床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認(rèn)可。 2.2制造水平與管理手段依然落后 一些國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工

7、手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主，裝配調(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品，而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們在引進(jìn)技術(shù)的同時應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。 2.3服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的一個重要因素 由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠(yuǎn)利益，對提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對生產(chǎn)

8、的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數(shù)控機(jī)床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床；有的對先進(jìn)高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型，推薦先進(jìn)工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同，提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場占有率。 2.4加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術(shù)人才：第一種是熟悉數(shù)控機(jī)床的操作及加工工藝、懂得簡單的機(jī)床維護(hù)、能夠進(jìn)行手工或自動編程的

9、車間技術(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和制造知識，能夠熟練應(yīng)用UG、PRO/E等CAD/CAM軟件，同時有扎實(shí)的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；第三種是精通數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級人才。我國應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)人才支撐。 3 第1章 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 第1章 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 1．1 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念 計(jì)算機(jī)數(shù)控（computerized numeric

10、al contro，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能．由一臺計(jì)算機(jī)完成以前機(jī)床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時控制。 CNC系統(tǒng)由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC裝置、PLC、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給（伺眼）驅(qū)動裝置組成。由于使用了CNC裝置，使系統(tǒng)具有軟件功能，又用 PLC取代了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維修也方便，并且具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。 1．2 微處理器數(shù)控（

11、MNC）系統(tǒng)的組成 大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)裝置，故也可稱微處理器數(shù)控系統(tǒng) （MNC）。MNC一般由中央處理單元（CPU）和總線、存儲器（ROM，RAM）、輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備、PLC、主軸控制單元、速度進(jìn)給控制單元等組成。圖3 .2.1為MNC 的組成原理圖。 1.2.1中央處理單元（CPU）和總線(BUS） CPU是微型計(jì)算機(jī)的核心，由運(yùn)算器、控制器和內(nèi)寄存器組組成。它對系統(tǒng)內(nèi)的部件及操作進(jìn)行統(tǒng)一的控制，按程序中指令的要求進(jìn)行各種運(yùn)算，使系統(tǒng)成為一個有機(jī)整體。 總線（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導(dǎo)線構(gòu)

12、成。CPU與存儲器、I/O 接口及外設(shè)間通過總線聯(lián)系。總線按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 27 1.2.2存儲器(memory) (１)概述 存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件（管理軟件和控制軟件）和零件加工程序等，并將運(yùn)算的中間結(jié)果和處理后的結(jié)果（數(shù)據(jù)）存儲起來。數(shù)控系統(tǒng)所用的存儲器為半導(dǎo)體存儲器。 （２）半導(dǎo)體存儲器的分類 ①隨機(jī)存取存儲器（讀寫存儲器）ＲＡＭ（random access memory）用來存儲零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲

13、單元的內(nèi)容既可以讀出又可寫入或改寫。 ②只讀存儲器ＲOＭ(resd-only memory)專門存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數(shù)）的存儲器，使用時其存儲單元的內(nèi)容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會因斷電而丟失內(nèi)容。 1.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備 （1）I／O接口 指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機(jī)與外設(shè)要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設(shè)與存儲器間不能直接通信，需靠CPU傳遞信息，通過CPU對I／O接口的讀或?qū)懖僮鳎瓿赏庠O(shè)與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設(shè)送出信息的接口稱為輸出接口，外設(shè)向CPU傳遞信息的接口稱輸入接口

14、，此外還有雙向接口。 微機(jī)中I／O接口包括硬件電路和軟件兩部分。由于選用的I／O設(shè)備或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而應(yīng)用程序也不同。I／O接口硬件電路主要由地址譯碼、I／O讀寫譯碼和I/O接口芯片（如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器等）組成。在CNC系統(tǒng)中I／O的擴(kuò)展是為控制對象或外部設(shè)備提供輸入/輸出通道，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的控制和管理功能，如開關(guān)量控制、邏輯狀態(tài)監(jiān)測、鍵盤、顯示器接口等。I／O接口電路同與其相連的外設(shè)硬件電路特性密切相關(guān)，如驅(qū)動功率、、電子匹配、干擾抑制等。 （2）外部I／O設(shè)備及I／O接口 ①M(fèi)DI/CRT接口 手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）是通過數(shù)控面板上的鍵盤（常為軟觸鍵

15、）進(jìn)行操作的。當(dāng)CPU掃描到按下鍵的信號時，就將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，其輸出經(jīng)過報(bào)警檢查。若不報(bào)警，數(shù)據(jù)經(jīng)選擇門、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送入RAM中；若報(bào)警則數(shù)據(jù)不送入RAM。 ②數(shù)據(jù)輸入/輸出串行接口 CNC裝置控制對立的單臺機(jī)床時，通常需要與下列設(shè)備相接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出。 （a）數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 如光電紙帶閱讀機(jī)（PTR）、紙帶穿孔機(jī)（PP）、打印和穿復(fù)校設(shè)備（TTY）、零件的編程機(jī)和可編程控制器的編程機(jī)等。 （b）外部機(jī)床控制面板 尤其是大型機(jī)床，為操作方便常在機(jī)床上設(shè)外部的機(jī)床控制面板，可分為固定式或懸掛式兩種。 （c）通用的手搖脈沖發(fā)生器。

16、 （d）進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動線路 一般情況下它們與CNC裝置裝在同一機(jī)柜或相鄰機(jī)柜內(nèi)，與CNC裝置通過內(nèi)部連線相連，它們之間不設(shè)置通用輸出輸入接口。 此外，ＣＮＣ裝置還要與上級主計(jì)算機(jī)或ＤＮＣ計(jì)算機(jī)直接通信，或通過工廠局部網(wǎng)絡(luò)相連，從而具有網(wǎng)絡(luò)通信功能。 （3）機(jī)床的I／O控制通道 機(jī)床的I／O控制通道是指微機(jī)與機(jī)床之間的聯(lián)接電路。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床的控制，通常由數(shù)控系統(tǒng)中的I／O控制器和I／O控制軟件共同完成。 ①I／O控制器的功能特點(diǎn) （a）能夠可靠地傳送控制機(jī)床動作的相應(yīng)控制信息，并能夠輸入控制機(jī)床所需的有關(guān)狀態(tài)信息。 （b）

17、能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。 （c）具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。 1.3 ＣＮＣ系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) １．單微處理機(jī)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)只有１個微處理機(jī)，采用集中控制、分時方法處理數(shù)控的各個任務(wù)。有的ＣＮＣ裝置雖有２個以上的微處理機(jī)，但其中只有１個微處理機(jī)能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機(jī)成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，它們組成主從結(jié)構(gòu)（如ＦＮＵＣ－６系統(tǒng)）。這類結(jié)構(gòu)也屬于單微機(jī)結(jié)構(gòu)。 在這種單微機(jī)結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由１個微機(jī)來完成

18、，因此ＣＮＣ裝置的功能將受到微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的影響和限制。 2 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能 下圖所示為 ＣＮＣ系統(tǒng)軟件的組成。ＣＮＣ系統(tǒng)軟件可分為管理軟件與控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制等功能軟件。 １．輸入程序 輸入程序的功能有兩個：一是把零件程序從閱讀機(jī)或鍵盤經(jīng)相應(yīng)的緩沖器輸入到零件程序存儲器；二是將零件程序從零件程序存儲器取出送入緩沖器。 ２．譯碼程序 在輸入的零件加工程序中，含有零件的

19、輪廓信息（線型，起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)值）、工藝要求的加工速度及其他輔助信息（換刀、冷卻液開/關(guān)等）。這些信息在計(jì)算機(jī)作插補(bǔ)運(yùn)算與控制操作之前，需按一定的語法規(guī)則解釋成計(jì)算機(jī)容易處理的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在給定的內(nèi)存專用區(qū)間，即把各程序段中的數(shù)據(jù)根據(jù)其前面的文字地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中。譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或ＭＤＩ緩沖器中逐個讀入字符，先識別出其中的文字碼和數(shù)字碼，然后根據(jù)文字碼所代表的功能，將后續(xù)數(shù)字碼送到相應(yīng)譯碼結(jié)果緩沖器單元中。 ３ 數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)處理程序有三個任務(wù)，即刀具半徑補(bǔ)償，速度計(jì)算（即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度）以及輔助功能的處理等。

20、 刀具半徑補(bǔ)償是把零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡；速度計(jì)算確定加工數(shù)據(jù)段的運(yùn)動速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進(jìn)給速度Ｆ計(jì)算出頻率f，而閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)則根據(jù)Ｆ算出位移量（ΔＬ）；輔助功能處理是指換刀，主軸啟動、停止，冷卻液開、停等輔助功能的處理（即Ｍ，Ｓ，T功能的傳送及其先后順序的處理）。 數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補(bǔ)工作及速度控制程序的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時處理能力，故也稱為預(yù)計(jì)算。下面將著重介紹刀具半徑補(bǔ)償，速度處理將在插補(bǔ)計(jì)算程序中的預(yù)計(jì)算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)容中介紹。 （1）刀具半徑補(bǔ)償?shù)母拍? 在連續(xù)進(jìn)行輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑[

21、例如銑刀的半徑或線切割機(jī)的鉬絲（或銅絲）半徑等］，所以刀具中心運(yùn)動軌跡并不等于加工零件的輪廓。如下圖所示，在進(jìn)行內(nèi)輪廓加工時，要使刀具中心偏移零件的內(nèi)輪廓表面一個刀具半徑值，而在進(jìn)行外輪廓加工時，要使刀具中心偏移零件的外輪廓表面一個刀具半徑值。這種偏移即稱為刀具半徑補(bǔ)償。 A’ B’ C” C B A G41 刀具 G42 刀具 編程軌跡 刀具中心軌跡 C’ 圖1.4-1 為了分析問題方便ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進(jìn)方向的左邊時，稱為左刀補(bǔ)，用G41指令代碼表示，圖中

22、所示零件輪廓內(nèi)部的虛線軌跡。反之，當(dāng)?shù)毒咛幱诰幊誊壽E前進(jìn)方向的右邊時，稱右刀補(bǔ)，用G42表示，如圖中所示零件輪廓外部的虛線軌跡。當(dāng)不需要進(jìn)行刀補(bǔ)時，用G40表示。G41，G42和G40均屬于模態(tài)代碼，一旦執(zhí)行便一直有效，直到同組其他代碼出現(xiàn)后才被取消。 （2）C功能刀具半徑補(bǔ)償 ①C刀具半徑補(bǔ)償?shù)脑砑坝?jì)算 硬件數(shù)控機(jī)床常用的刀具半徑補(bǔ)償方法，其主要特點(diǎn)是在程序段轉(zhuǎn)換時（如折線或直線與圓弧不相切時）采用圓弧過渡。這種方法在拐角處銑刀刃與工件間的接觸產(chǎn)生一停頓時間，工藝性不好，不適合3坐標(biāo)以上的刀具半徑補(bǔ)償。理想的過渡形式應(yīng)是直線過渡形式。可見，這種刀補(bǔ)方法追免了刀具在尖角

23、處的停頓現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)數(shù)控的刀具半徑補(bǔ)償一般都采用直線過渡的方法，在系統(tǒng)程序中有一個刀具半徑補(bǔ)償子程序，需要時可調(diào)用之。 ４．插補(bǔ)計(jì)算程序 插補(bǔ)計(jì)算是ＣＮＣ系統(tǒng)中最重要的計(jì)算工作之一。ＮＣ裝置中采用的是硬件電路（即插補(bǔ)器）來實(shí)現(xiàn)各種軌跡的插補(bǔ)。為了在軟件系統(tǒng)中計(jì)算所需的插補(bǔ)軌跡，這些數(shù)字電路必須由計(jì)算機(jī)的程序來模擬。計(jì)算機(jī)由若干條指令來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)工作，但執(zhí)行每條指令都需要花費(fèi)一定的時間，而過去小型或微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度都不能滿足數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給速度和分辨率的要求。在實(shí)際的ＣＮＣ系統(tǒng)中，常采用數(shù)據(jù)采樣的插補(bǔ)方法，將插

24、補(bǔ)功能分割成軟件插補(bǔ)和硬件插補(bǔ)兩部分，控制軟件把刀具軌跡分割成若干段，而硬件電路再在段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡控制在允許的誤差之內(nèi)。即軟件實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)，硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)插補(bǔ)。 5．伺服（位置）控制軟件 伺服位置控制軟件的主要功能是對插補(bǔ)值進(jìn)行處理（取全值或取其半值），計(jì)算出位置的命令值，同時讀一次實(shí)際的反饋值，然后計(jì)算出命令值與反饋值間的差值（稱為位置跟隨誤差），再乘上增益系數(shù)，并加上補(bǔ)償量從而得到速度命令值。 6．輸出程序 輸出程序的功能有如下幾項(xiàng)： （1）進(jìn)行伺服控制，如上所述。 （2）反向間隙補(bǔ)償處理

25、反向間隙值由程序預(yù)置。若某一軸由正向變成負(fù)向運(yùn)動，則在反向前輸出 Q個正向脈沖；反之，若由負(fù)向變成正向運(yùn)動，則在反向前輸出 Q個負(fù)向脈沖（Q為反向間隙，因?qū)嶋H情況而異）。 （3）進(jìn)行絲杠螺距誤差補(bǔ)償（方法見后面相關(guān)內(nèi)容） （4）M，S，T輔助功能的輸出 M，S，T代碼大多是開／關(guān)量控制，由機(jī)床強(qiáng)電執(zhí)行。 7．管理程序 當(dāng)一個數(shù)據(jù)段開始插補(bǔ)加工時，管理程序即準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼、處理，調(diào)用各功能子程序，準(zhǔn)備好下一段數(shù)據(jù)。一旦本數(shù)據(jù)段加工完畢便立即開始下一段插補(bǔ)。為數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序均

26、由管理程序進(jìn)行調(diào)度。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理。 8、診斷程序 完善的診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大，在故障出現(xiàn)后，還可以迅速查明故障的類型和部位，減少故障停機(jī)時間。 診斷分多種情況，有啟動診斷、在線診斷、停機(jī)診斷、遠(yuǎn)程通信診斷等。 1.4 CNC系統(tǒng)的工作過程． 1 . CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段歷程 一個數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至輸出位置控制值需要經(jīng)過圖3.5.1所示的幾個環(huán)節(jié)。經(jīng)過輸入系統(tǒng)的工作，將數(shù)據(jù)段送入零件程序緩沖器，然后由譯碼程序?qū)⑤斎氲牧慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言，送入譯碼結(jié)果寄存器。再通過

27、數(shù)據(jù)處理程序?qū)㈩A(yù)計(jì)算出的刀補(bǔ)參數(shù)（刀補(bǔ)后的本程序段終點(diǎn)坐標(biāo)）、速度分量（L，ΔL）及有關(guān)輔助功能送入數(shù)據(jù)處理結(jié)果緩沖器，經(jīng)插補(bǔ)后將本次插補(bǔ)周期的輸出位置增量值（ΔX2，ΔY2 ）送至插補(bǔ)工作寄存器，再經(jīng)伺服（位置）控制處理，將段值（ΔX2，ΔY2）經(jīng)計(jì)算成為新指令位置值，同時將反饋的位置增量（ΔX1，ΔY1）加上原實(shí)際位置得出現(xiàn)在的實(shí)際位置值。經(jīng)比較計(jì)算出新指令位置和實(shí)際位置的差值（即跟隨誤差），乘上位置增益，得到位置控制的輸出值也ΔX3，ΔY3，即為速度指令。之后便進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換。

28、 圖1.4-2 數(shù)據(jù)段歷程 2 . CNC系統(tǒng)自動工作時的總體流程 CNC系統(tǒng)的自動工作狀態(tài)是其最主要的加工方式，圖3.5.2所示為它的總體流程。 零件加工程序通過紙帶輸入機(jī)、盒式磁帶機(jī)或MDI鍵盤（磁盤，或上級DNC接口輸入），按一定標(biāo)準(zhǔn)通過輸入程序輸入到內(nèi)存中的零件程序存儲區(qū)。又在輸入程序的支持下將零件加工程序從存儲區(qū)調(diào)出至緩沖區(qū)。然后，程序段逐段進(jìn)行譯碼，即置文字地址碼的標(biāo)志位，

29、并將ASCⅡ碼由數(shù)控內(nèi)部碼譯成系統(tǒng)能識別的二進(jìn)制碼或特征碼。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)算，包括刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算刀心坐標(biāo)值，速度處理計(jì)算各軸分速度，算出線段長（L及ΔＬ）以及Ｍ，Ｓ，T代碼處理，為插補(bǔ)提供各種必要的數(shù)據(jù)。接著再進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。控制程序?qū)⒏鶕?jù)零件加工程序中的進(jìn)給速度（F）和坐標(biāo)位移量，由預(yù)計(jì)算算出線段長（L及ΔＬ），再計(jì)算出分配給每個坐標(biāo)的段值，即每個插補(bǔ)中斷周期中坐標(biāo)的位移量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）。最后，在位置控制比較環(huán)節(jié)中，將插補(bǔ)輸出的段值（位移量）加上原坐標(biāo)指令值作為新的指令位置值。又將反饋位置增量加上原實(shí)際位置坐標(biāo)值作為新的實(shí)際位置值。將新的指令值與新的實(shí)際位置值相比較，算出跟隨誤差。

30、通過計(jì)算機(jī)的軟件放大倍數(shù)調(diào)節(jié)功能乘上系數(shù)后，即為伺服輸入的速度指令值。再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成為速度命令電壓（或頻率），最后驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動工作臺或刀具位移。 入口 輸入 紙帶或MDI將零件程序按ASCⅡBCD形式輸入至存儲區(qū)或調(diào)出至緩沖區(qū) 譯碼 預(yù)計(jì)算 插補(bǔ) 伺服位置控制 結(jié)束 置標(biāo)志位“1”，BCD→B等 刀補(bǔ)，算刀心坐標(biāo) 速度處理算段長，M、S、T處理 算段值△X，△Y，△Z 算跟隨誤差，乘上放大系數(shù)即為速度指令 1.4-3運(yùn)動軌跡的插補(bǔ)原理 1.5 運(yùn)動軌跡括補(bǔ)的概念 在數(shù)控機(jī)床中，刀具的最小移動單位是

31、一個脈沖當(dāng)量，而刀具的運(yùn)動軌跡為折線，并不是光滑的曲線。刀具不能嚴(yán)格地沿著所加工的曲線運(yùn)動，只能用折線軌跡逼近所加工的曲線。在數(shù)控加工中，根據(jù)給定的信息進(jìn)行某種預(yù)定的數(shù)學(xué)計(jì)算，不斷向各個坐標(biāo)軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖或數(shù)據(jù)，使被控機(jī)械部件按指定路線移動（即產(chǎn)生２個坐標(biāo)軸以上的配合運(yùn)動），這就是插補(bǔ)。換言之，插補(bǔ)就是沿著規(guī)定的輪廓，在輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間按一定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，給出相應(yīng)軸的位移量或用脈沖把起點(diǎn)和終點(diǎn)間的空白填補(bǔ)（逼近誤差要小于１個脈沖當(dāng)量）。一般數(shù)控機(jī)床都具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。 1.5.1運(yùn)動軌跡插補(bǔ)的方法 1．脈沖增量法（標(biāo)準(zhǔn)脈沖插補(bǔ) reference pulse

32、）——行程標(biāo)量插補(bǔ) 把每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到步進(jìn)電動機(jī)等伺服機(jī)構(gòu)，并且每次產(chǎn)生一個單位的行程增量，這就是脈沖增量插補(bǔ)，如逐點(diǎn)比較法、ＤＤＡ法及一些相應(yīng)的改進(jìn)算法等都屬此類。這類插補(bǔ)法比較簡單，僅需幾次加法和移位操作就可完成，用硬件和軟件模擬都可實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給速度指標(biāo)和精度指標(biāo)都難以滿足現(xiàn)在零件加工的要求，因此，這種插補(bǔ)法只適用于中等精度和中等速度的機(jī)床ＣＮＣ系統(tǒng)。主要用早期的采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)已很少采用這類算法了。 1.5.2數(shù)據(jù)采樣法（sampled data）－－時間標(biāo)量插補(bǔ) 在這種方法中，整個控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)而形成閉環(huán)，輸出的不是單個脈沖，而是數(shù)

33、據(jù)，即標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制字。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法中較常見的有時間分割法插補(bǔ)，也就是根據(jù)編程進(jìn)給速度將零件輪廓曲線按插補(bǔ)周期分割為一系列微小直線段，然后將這些微小直線段對應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，用以控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的進(jìn)給。這類插補(bǔ)算法適用于以直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件的閉環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 l．逐點(diǎn)比較法的原理 它的原理是以區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時坐標(biāo)與規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點(diǎn)走到圖形外面，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點(diǎn)在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差。每次只進(jìn)行一個坐標(biāo)軸的插補(bǔ)進(jìn)給。通過這種方法能得到一

34、個接近規(guī)定圖形的軌跡，而最大偏差不超過一個脈沖當(dāng)量。在逐點(diǎn)比較法中，每進(jìn)給一步都要4個節(jié)拍，如圖3．6．3所示。 偏差判別 插補(bǔ)開始 坐標(biāo)進(jìn)給 新偏差計(jì)算 到終點(diǎn)？ 結(jié)束 Y N 圖1.4-4 （1）偏差判別 判別偏差符號，確定加工點(diǎn)是在規(guī)定圖形的外面還是里面。 （2）坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)偏差情況，控制X坐標(biāo)或Y坐標(biāo)進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向規(guī)定圖形靠攏，縮小偏差。 （3）新偏差計(jì)算 進(jìn)給一步后，計(jì)算加工點(diǎn)與規(guī)定圖形的新偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)。 （4）終點(diǎn)判別 根據(jù)這一步的進(jìn)給結(jié)果，判定（比較

35、）終點(diǎn)是否到達(dá)。如未到達(dá)終點(diǎn)，繼續(xù)插補(bǔ)工作循環(huán)，如果已到終點(diǎn)就停止插補(bǔ)。 2．逐點(diǎn)比較法I象限直線插補(bǔ) （1）基本原理 ①偏差函數(shù)值的判別 如圖3．6．4所示，OE為Ⅰ象限直線，起點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)E的坐標(biāo)為E（Xe，Ye），還有一個動點(diǎn)為N（Xi，Yi）?，F(xiàn)假設(shè)動點(diǎn) N正好處于直線OE上，則有下式成立： 即 XeYi－XiYe＝０ (Xe，Ye) Y 直線圖1.4-5 (Xm，Ym) (Xn，Yn) 假設(shè)動點(diǎn)處于 OE的下方N′處，則直線 ON′的斜率小于

36、直線OE的斜率，從而有 即 XeYi－XiYe＞０ 由以上關(guān)系式可以看出，（Xe Yi－Xi Ye）的符號反映了動點(diǎn)N與直線OE之間的偏離情況。為此取偏差函數(shù)為 F＝Xe Yi - Xi Ye 依此可總結(jié)出動點(diǎn) N（Xi ，Yi）與設(shè)定直線 OE之間的相對位置關(guān)系如下： 當(dāng) F＝0時，動點(diǎn) N（Xi ，Yi）正好處在直線 OE上； 當(dāng) F＞0時，動點(diǎn) N（Xi ，Yi）落在直線 OE上方的區(qū)域；

37、 當(dāng) F＜0時，動點(diǎn) N（Xi ，Yi）落在直線OE下方的區(qū)域。 ②坐標(biāo)進(jìn)給 以圖3．6．5為例。設(shè)OE為要加工的直線輪廓，而動點(diǎn)N（Xi ，Yi）對應(yīng)于切削刀具的位置，終點(diǎn) E坐標(biāo)為Xe＝4，Ye＝6，起點(diǎn)為 O，即 Xo＝0，Yo＝0。顯然，當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€下方區(qū)域時（F＜0），為了更靠攏直線輪廓，則要求刀具向（＋Y）方向進(jìn)給一步；當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€上方區(qū)域時（Ｆ＞０），為了更靠攏直線輪廓，則要求刀具向（＋Ｘ）方向進(jìn)給一步；當(dāng)?shù)毒哒锰幱谥本€上時（Ｆ＝０），理論上既可向（＋Ｘ）方向進(jìn)給一步，也可向（＋Ｙ）方向進(jìn)給一步，但一般情況下約定向（＋Ｘ）方向進(jìn)給，從而將F＞０和Ｆ＝０兩種情況歸

38、一類（Ｆ≥０）。根據(jù)上述原則，從原點(diǎn)Ｏ（０，０）開始走一步，計(jì)算并判別Ｆ的符號，再趨向直線進(jìn)給，步步前進(jìn)，直至終點(diǎn)Ｅ。這樣，通過逐點(diǎn)比較的方法，控制刀具走出一條盡量接近零件輪廓直線軌跡，如圖３.６.５中的折線所示。當(dāng)每次進(jìn)給的臺階（即脈沖當(dāng)量）很小時，就可以將這折線近似當(dāng)作直線來看待。顯然，逼近程度的大小與脈沖當(dāng)量的大小直接相關(guān)。 　 圖1.4-6 ?、谛缕钣?jì)算　　由式（３－１）可以看出，每次求Ｆ時要作乘法和減法運(yùn)算，而這在使用硬件或匯編語言軟件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時不大方便，還會增加運(yùn)算的時間。因此，為了簡化運(yùn)算，通常采用遞推法，即每

39、進(jìn)給一步后新加工點(diǎn)的加工偏差值通過前一點(diǎn)的偏差遞推算出。 現(xiàn)假設(shè)第ｉ次插補(bǔ)后動點(diǎn)坐標(biāo)為Ｎ（Ｘi，Ｙi），偏差函數(shù)為 Ｆi＝ＸeＹi－ＸiＹe 若Ｆi≥０，則向（＋Ｘ）方向進(jìn)給一步，新的動點(diǎn)坐標(biāo)值為 Ｘi+1＝Ｘi＋１　?。賗+1＝Ｙi 這里，設(shè)坐標(biāo)值單位是脈沖當(dāng)量，進(jìn)給一步即走一個脈沖當(dāng)量的距離（＋ｌ）。新的偏差函數(shù)為 Ｆi+1＝ＸeＹi+1－Ｘi+1Ｙe＝ＸｅＹi一ＸiＹe－Ｙe 所以

40、 Ｆi+1＝Ｆi－Ｙｅ （３－２） 同樣，若Ｆ＜０，則向（＋Ｙ）方向進(jìn)給一步，新的動點(diǎn)坐標(biāo)值為 Ｘi+1＝Ｘi，　?。賗+1＝Ｙi+1 因此新的偏差函數(shù)為 Ｆi+1＝ＸeＹi+1－Ｘi+1Ｙe＝ＸｅＹi一ＸiＹe＋Ｘe 所以 　　　Ｆi+1＝Ｆi＋Ｘe （３－３） 根據(jù)式（３－２）和（３一３）可以看出，采用遞推

41、算法后，偏差函數(shù)Ｆ的計(jì)算只與終點(diǎn)坐標(biāo)值Ｘｅ，Ｙe有關(guān)，而不涉及動點(diǎn)坐標(biāo)Ｘi，Ｙi的值，且不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，新動點(diǎn)的偏差函數(shù)可由上一個動點(diǎn)的偏差函數(shù)值遞推出來（減Yｅ或加Ｘe）。因此，該算法相當(dāng)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但要一步步速推，且需知道開始加工點(diǎn)處的偏差值。一般是采用人工方法將刀具移到加工起點(diǎn)（對刀），這時刀具正好處于直線上，當(dāng)然也就沒有偏差，所以遞推開始時偏差函數(shù)的初始值為Ｆ0＝０。 ④終點(diǎn)判別 由于插補(bǔ)誤差的影響，刀具的運(yùn)動軌跡可能不通過被加工直線的終點(diǎn)Ｅ（Ｘｅ，Ｙe）。即在有些情況下，刀具的橫坐標(biāo)Ｘi與縱坐標(biāo)Ｙi不可能同時滿足以下兩式

42、 因此，不能用以上條件來判斷直線是否加工完畢。通常根據(jù)刀具沿Ｘ、Y軸所走的總步數(shù)判斷終點(diǎn)。 從直線的起點(diǎn)Ｏ（圖3.6.5）移動到終點(diǎn)Ｅ，刀具沿Ｘ軸應(yīng)走的步數(shù)為Ｘe，沿Ｙ軸應(yīng)走的步數(shù)為Ｙe，沿Ｘ，Ｙ兩坐標(biāo)軸應(yīng)走的總步數(shù)Ｎ為 Ｎ＝Ｘｅ十 Ｙｅ 刀具運(yùn)動到點(diǎn)P（Ｘi，Yi）時，沿Ｘ，Ｙ軸已經(jīng)走過的步數(shù)ｎ為 ｎ＝Ｘi＋Yi 若ｎ與Ｎ相等，說明直線已加工完畢，插補(bǔ)過程應(yīng)該結(jié)束。否則，說明直線還沒有加工完畢。

43、 對于逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，每進(jìn)行一個插補(bǔ)循環(huán)，刀具或者沿Ｘ軸走一步，或者沿Ｙ軸走一步，因此插補(bǔ)循環(huán)數(shù)與刀具沿Ｘ，Ｙ軸已走的總步數(shù)相等。這樣就可以根據(jù)插補(bǔ)循環(huán)數(shù)ｉ與具沿Ｘ，Ｙ軸應(yīng)進(jìn)給的總步數(shù)Ｎ是否相等判斷終點(diǎn)，即直線加工結(jié)束的條件為 ｉ＝Ｎ （３－４） 1.6數(shù)據(jù)采樣法 數(shù)據(jù)采樣法實(shí)質(zhì)上就是用一系列首尾相連的微小直線段來逼近給定的曲線。由于這些線段是按加工時間進(jìn)行分割的，所以，也稱為“時間分割法”。一般分割后得到的小線段相對于系統(tǒng)精度來講仍是比較

44、大的。為此，必須進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的密化工作。微小直線段的分割過程也稱為粗插補(bǔ)，而后續(xù)進(jìn)一步的密化過程稱為精插補(bǔ)。通過兩者的緊密配合即可實(shí)現(xiàn)高性能的輪廓插補(bǔ)。 一般數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法中的粗插補(bǔ)是由軟件實(shí)現(xiàn)的。由于其算法中涉及到一些三角函數(shù)和復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，所以大多采用高級計(jì)算機(jī)語言完成。而精插補(bǔ)算法大多采用前面介紹的脈沖增量法。它既可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由硬件實(shí)現(xiàn)。由于相應(yīng)的算術(shù)運(yùn)算較簡單，所以軟件實(shí)現(xiàn)時大多采用匯編語言完成。 １．插補(bǔ)周期與位置控制周期 插補(bǔ)周期Ｔs是相鄰兩個微小直線段之間的插補(bǔ)時間間隔。位置控制周期Ｔc是數(shù)控系統(tǒng)中伺服位置環(huán)的采樣控制周期。對于給定的某個數(shù)

45、控系統(tǒng)而言，插補(bǔ)周期和位置控制周期是兩個固定不變的時間參數(shù)。 通常Ｔs≥Ｔc，并且為了便于系統(tǒng)內(nèi)部控制軟件的處理，當(dāng)Ｔs與Ｔc不相等時，一般要求Ｔs是Ｔc的整數(shù)倍。這是由于插補(bǔ)運(yùn)算較復(fù)雜，處理時間較長，而位置環(huán)數(shù)字控制算法較簡單，處理時間較短，所以每次插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果可供位置環(huán)多次使用。現(xiàn)假設(shè)編程進(jìn)給速度為Ｆ，插補(bǔ)周期為Ｔs，則可求得插補(bǔ)分割后的微小直線段長度為ΔＬ（暫不考慮單位）： ΔＬ＝ＦＴs（３一40） 插補(bǔ)周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，但對被加工輪廓的軌跡精度有影響，控制周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性和輪廓誤差均有影

46、響。因此選擇Ｔs時主要從插補(bǔ)精度方面考慮，而選擇Ｔc時則從伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)跟蹤誤差兩方面考慮。 一般插補(bǔ)周期Ｔs越長，插補(bǔ)計(jì)算的誤差也越大。因此單從減小插補(bǔ)計(jì)算誤差的角度考慮，插補(bǔ)周期Ｔs應(yīng)盡量選得小一些。但Ｔs也不能太短，因?yàn)椋茫危孟到y(tǒng)在進(jìn)行輪廓插補(bǔ)控制時，其ＣＮＣ裝置中的ＣＰＵ不僅要完成插補(bǔ)運(yùn)算，還必須處理一些其他任務(wù)（如位置誤差計(jì)算、顯示、監(jiān)控、I／Ｏ處理等），因此Ｔs不單是指ＣＰＵ完成插補(bǔ)運(yùn)算所需的時間，而且還必須留出一部分時間用于執(zhí)行其他相關(guān)的ＣＮＣ任務(wù)。一般要求插補(bǔ)周期Ｔs必須大于插補(bǔ)運(yùn)算時間和完成其他相關(guān)任務(wù)所需時間之和。 ＣＮＣ系統(tǒng)位置控制周期的選擇有

47、兩種形式。一種是 Ｔc＝Ｔs，另一種是Ｔｓ為Ｔc的整數(shù)倍。 ２．插補(bǔ)周期與精度、速度之間的關(guān)系 在數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ)過程中，由于給定的輪廓本身就是直線，則插補(bǔ)分割后的小直線段與給定直線是重合的，也就不存在插補(bǔ)誤差問題。但在圓弧插補(bǔ)過程中，一般采用切線、內(nèi)接弦線和內(nèi)外均差弦線來逼近圓弧，顯然這些微小直線段不可能完全與圓弧相重合，從而造成了輪廓插補(bǔ)誤差。插補(bǔ)誤差er與被插補(bǔ)圓弧半徑Ｒ、插補(bǔ)周期Ｔｓ以及編程進(jìn)給速度Ｆ有關(guān)。若Ｔs越長，Ｆ越大，Ｒ越小，則插補(bǔ)誤差就越大。但對于給定的某段圓弧輪廓來講，如果將Ｔs選得盡量小，則可獲得盡可能高的進(jìn)給速度Ｆ，從而提高了加工效率。同樣在其他條件相同的

48、情況下，大曲率半徑的輪廓曲線可獲得較高的允許切削速度。 ３．?dāng)?shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ) 假設(shè)刀具在ＸＯＹ平面內(nèi)加工直線輪廓ＯＥ，起點(diǎn)為Ｏ（０ ０），終點(diǎn)為Ｅ（Xe，Ye），動點(diǎn)為Ｎi－１（Ｘi－ｌ，Ｙi－ｌ），編程進(jìn)給速度為Ｆ，插補(bǔ)周期為Ｔs，如圖3.6.30所示。 在１個插補(bǔ)周期內(nèi)進(jìn)給直線長度為ΔＬ＝ＦＴs，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，很容易求得插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸對應(yīng)的位置增量為： 圖1.4-8

49、 （3－４６） 式中Ｌ為被插補(bǔ)直線的長度，Ｌ＝（mm）；K為每個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速率數(shù)，Ｋ＝ΔＬ／L＝（ＦＴs）／L。這樣很容易得出下一個動點(diǎn) Ｎi的坐標(biāo)值為 利用數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)直線時的算法相當(dāng)簡單，可在ＣＮＣ裝置中分兩步完成。第一步是插補(bǔ)準(zhǔn)備，完成一些常量的計(jì)算工作，如 Ｌ，K的計(jì)算等（一般對于每個零

50、件輪廓段僅執(zhí)行一次）；第二步是插補(bǔ)計(jì)算，每個插補(bǔ)周期均執(zhí)行一次，求出該周期對應(yīng)的坐標(biāo)增量值 （ΔＸi，ΔＹi）及動點(diǎn)坐標(biāo)值（Ｘi，Ｙi）。數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ)軟件的流程圖如圖3.6.31所示。 數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)過程中所使用的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)及插補(bǔ)所得到的動點(diǎn)坐標(biāo)都是帶有符號的代數(shù)值，而不像脈沖增量插補(bǔ)算法那樣使用絕對值參與插補(bǔ)運(yùn)算。并且這些坐標(biāo)值也不一定轉(zhuǎn)換成以脈沖當(dāng)量為單位的整數(shù)值，即數(shù)據(jù)采樣法中涉及到的坐標(biāo)值是帶有正、負(fù)號的真實(shí)坐標(biāo)值。另外，求取坐標(biāo)增量值和動點(diǎn)坐標(biāo)的算法并非唯一，例如也可利用輪廓直線與橫坐標(biāo)夾角α的三角函數(shù)關(guān)系來求得。 1.7可編程控制器的設(shè)計(jì)

51、1.7.1 可編程序控制器的定義及作用 可編程控制器（簡稱PLC）是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)、自動化和通信技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，采用可編程存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算數(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出方式控制各種類型的機(jī)器或生產(chǎn)過程。 可編程控制器具有很強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力，而且PLC的輸入/輸出接口適應(yīng)了工業(yè)過程的需要，具有功率放大的功能，可直接帶負(fù)載運(yùn)行，這就是PLC在工業(yè)控制上優(yōu)于普通微型計(jì)算機(jī)的地方。 作用：——完成各種輔助功能 o 機(jī)床主軸的起停、正反轉(zhuǎn)

52、控制及主軸轉(zhuǎn)速的控制、倍率的選擇。 o 機(jī)床冷卻、潤滑系統(tǒng)的接通和斷開。 o 機(jī)床刀庫的起停和刀具的選擇、更換。 o 機(jī)床卡盤的夾緊、松開。 o 機(jī)床自動門的打開、閉合。 o 機(jī)床尾座和套筒的起停、前進(jìn)、后退控制。 o 機(jī)床排屑等輔助裝置的控制 1.7.2 可編程序控制器在機(jī)床數(shù)控中的應(yīng)用 １.PLC的應(yīng)用類型 ＰＬＣ的應(yīng)用范圍非常廣泛。根據(jù)功能的不同ＰＬＣ大致可分為以下５種應(yīng)用類型。 （１）開關(guān)邏輯控制類型 （２）閉環(huán)過程控制類型 （３）組成多級控制系統(tǒng)類型 （４）控制機(jī)器人類型 （５）組合數(shù)字控制類型　 ２.ＣＮＣ系統(tǒng)中

53、的ＰＬＣ ＣＮＣ系統(tǒng)內(nèi)部處理的信息大致可分為兩大類。一是控制坐標(biāo)軸運(yùn)動的連續(xù)數(shù)字信息，這種信息主要由ＣＮＣ系統(tǒng)本身去完成。另一類是控制刀具更換、主軸啟停、換向變速、零件裝卸、冷卻液開八亭和控制面板Ｉ／Ｏ等的邏輯離散信息。 ＰＬＣ在ＣＮＣ系統(tǒng)中是介于ＣＮＣ裝置與機(jī)床之間的中間環(huán)節(jié)。它根據(jù)輸入的離散信息，在內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并完成輸出功能。ＣＮＣ系統(tǒng)中用ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)控制的類型可分為內(nèi)裝型和獨(dú)立型兩類。 （１）內(nèi)裝型 ＰＬＣ（ｂｕｉｌｔ－ｉｎ－ｔｙｐｅ）所謂內(nèi)裝型 ＰＬＣ是指 ＰＬＣ內(nèi)含在 ＣＮＣ裝置內(nèi)，從屬于ＣＮＣ裝置，并與ＣＮＣ裝置集于一體，如圖1.4-9所示。

54、 圖.1.4-9 　由于ＰＬＣ的硬件和軟件都被作為ＣＮＣ系統(tǒng)的基本功能而統(tǒng)一設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)也由ＣＮＣ系統(tǒng)來確定。內(nèi)裝型ＰＬＣ與所從屬的ＣＮＣ裝置之間的信號傳送均在ＰＬＣ內(nèi)部進(jìn)行，并且內(nèi)裝型ＰＬＣ一般也不單獨(dú)配置 Ｉ／Ｏ接口，而是通過 ＣＮＣ裝置本身的 Ｉ／Ｏ電路完成輸入／輸出功能。這樣內(nèi)裝型ＰＬＣ的硬件電路既可以單獨(dú)設(shè)計(jì)在其本身的印刷電路板內(nèi)，也可安排在ＣＮＣ裝置的某一塊電路板中（如有的數(shù)控系統(tǒng)將內(nèi)裝型ＰＬＣ電路設(shè)計(jì)在ＣＮＣ裝置的ＣＰＵ板上）。 采用內(nèi)裝型ＰＬＣ擴(kuò)大了ＣＮＣ內(nèi)部直接處理數(shù)據(jù)的能力，因此可以使用梯形圖方式進(jìn)行編輯，傳送復(fù)雜的控制功能。又因?yàn)椴捎眠@種方法的造價

55、很低，從而提高了ＣＮＣ的性能價格比。 （２）獨(dú)立型ＰＬＣ（ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ－ｔｙＰｅ） 獨(dú)立型ＰＬＣ實(shí)際上是通用型ＰＬＣ，它完全獨(dú)立于ＣＮＣ裝置，具有完備的硬件和軟件，能夠獨(dú)立完成ＣＮＣ系統(tǒng)所要求的控制任務(wù)。獨(dú)立型ＰＬＣ與數(shù)控機(jī)床之間的關(guān)系如圖1.4-9所示。 圖1.4-9 獨(dú)立型ＰＬＣ不但要進(jìn)行機(jī)床側(cè)的Ｉ／Ｏ連接，還要進(jìn)行ＣＮＣ裝置側(cè)的Ｉ／Ｏ連接，因此ＣＮＣ和ＰＬＣ均具有自己的Ｉ／Ｏ接口電路。獨(dú)立型ＰＬＣ一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，裝在插版式機(jī)籠內(nèi)，Ｉ／Ｏ點(diǎn)數(shù)和規(guī)?？赏ㄟ^ Ｉ／Ｏ模塊插板的增減而靈活配置。對于數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心等單臺數(shù)控設(shè)備，所需ＰＬＣ的Ｉ

56、／Ｏ點(diǎn)數(shù)大多在１２８點(diǎn)以下（少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在１２８點(diǎn)以上），因此選用小型ＰＬＣ即可。而對于大型數(shù)控機(jī)床，如 ＦＭＣ，ＦＭＳ，ＦＡ，ＣＩＭＳ等，則需要選用中型或大型ＰＬＣ。 　獨(dú)立型ＰＬＣ的造價較高，所以其性能價格比不如內(nèi)裝型ＰＬＣ。一般內(nèi)裝型ＰＬＣ多用于單微處理器的ＣＮＣ系統(tǒng)，而獨(dú)立型ＰＬＣ主要用于多微處理器的ＣＮＣ系統(tǒng)。但它們的作用是一樣的，都是配合ＣＮＣ裝置實(shí)現(xiàn)刀具軌跡控制和機(jī)床順序控制。 1.7.3?。?，Ｓ，Ｔ功能的實(shí)現(xiàn) １．Ｍ功能的實(shí)現(xiàn) Ｍ功能也稱輔助功能，根據(jù)Ｍ代碼的編程，可以控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止、主軸齒輪箱的變速。冷卻液的開關(guān)、卡盤的夾緊和松開以及自動換刀裝置的取刀和

57、還刀等。 ２．Ｓ功能的實(shí)現(xiàn) Ｓ功能主要完成對主軸轉(zhuǎn)速的控制，常用Ｓ２位代碼形式和Ｓ４位代碼形式進(jìn)行編程。所謂Ｓ２位代碼編程是指 Ｓ代碼后跟隨 ２位＋進(jìn)制數(shù)字指定主軸轉(zhuǎn)速。這種代碼形式共有100級（Ｓ００～Ｓ９９）分度，并且按等比級數(shù)遞增，其公式為１０＝１.１２，即相鄰分度的后一級速度比前一級速度增加約 １２％。這樣根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的上、下限和上述等比關(guān)系就可以獲得一個Ｓ２位代碼與主軸轉(zhuǎn)速（ＢＣＤ碼）的對應(yīng)表格，用于Ｓ２位代碼的譯碼。 所謂Ｓ４代碼編程是指 Ｓ代碼后跟隨４位＋進(jìn)制數(shù)字，直接指定主軸轉(zhuǎn)速。例如 Ｓ1500表示主軸轉(zhuǎn)速為 １５００ ｒ／ｍｉｎ?？梢姡樱次淮a表示轉(zhuǎn)速的范圍為

58、 ０～９ ９９９ ｒ／ｍｉｎ。 ３．Ｔ功能的實(shí)現(xiàn) Ｔ功能即為刀具功能工代碼后跟隨２～５位數(shù)字表示要求的刀具號和刀具補(bǔ)償號。數(shù)控機(jī)床根據(jù)Ｔ代碼通過ＰＬＣ可以管理刀庫，自動更換刀具。即根據(jù)刀具和刀具座的編號，可以簡便、可靠地進(jìn)行選刀和換刀控制。根據(jù)取刀／還刀位置是否固定，可將換刀功能分為隨機(jī)存取換刀控制和固定存取換刀控制。在隨機(jī)存取換刀控制中，取刀和還刀與刀具座編號無關(guān)，還刀位置是隨機(jī)變動的。在執(zhí)行換刀的過程中，當(dāng)取出所需的刀具后，刀庫不需轉(zhuǎn)動，而是在原地立即存入換下來的刀具，由數(shù)控系統(tǒng)記憶每把刀具在刀庫中的實(shí)際位置。這時取刀、換刀、存刀一

59、次完成，縮短了換刀時間．提高了生產(chǎn)效率，但刀具的控制和管理要復(fù)雜一些。在固定存取換刀控制中，被取刀具和被還刀具的位置都是固定的，也就是說換下的刀 具必須放回預(yù)先安排好的固定位置。顯然這種方法增加了換刀時間，但其控制要簡單些。 第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 第2章機(jī)械部分設(shè)計(jì) 對數(shù)控機(jī)床的改造最主要的部分就是對其縱、橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造，以便使其具有更加合理的結(jié)構(gòu)和更全面的控制系統(tǒng)，便于其真正的應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中。 2.1 工作臺的進(jìn)給運(yùn)動 因?yàn)楦脑旌蟮幕A(chǔ)主要加工圓弧、凸輪一類平面曲線的輪廓，所以采用微機(jī)數(shù)控實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)兩軸聯(lián)動控制，工作

60、臺縱向（軸）、橫向（軸）及垂直方向（軸）的運(yùn)動，分別由步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)過一級齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動電動機(jī)經(jīng)過一級齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動。 由于銑削時作用在電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，所以要選擇大功率的步進(jìn)電動機(jī)，而大功率的步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動較困難。步進(jìn)電動機(jī)沒有過載能力，在高速運(yùn)動時轉(zhuǎn)矩下降很多，容易丟步。要使改造后的銑床進(jìn)給伺服性能較好，在改造采用直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。改造方案如圖1所示。 2.1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作臺升降運(yùn)動仍采用手動操作，縱、橫向進(jìn)給改造后既可機(jī)動進(jìn)行復(fù)雜零件的計(jì)算機(jī)數(shù)控加工，又可手動操作完成簡單零件的加工或用于數(shù)控

61、加工前的對刀工作。 （2）保留原機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)動部分，將離合器脫開，去掉手輪。將手輪軸通過一對齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制縱向進(jìn)給運(yùn)動。加工時，將離合器脫開，使原來的機(jī)動進(jìn)給停止工作。 （3）工作臺橫向運(yùn)動方面，在原手輪安裝位置，安裝減速齒輪及步進(jìn)電機(jī)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制橫向進(jìn)給運(yùn)動。 （4）采用直流伺服電動機(jī)作驅(qū)動元件，伺服電動機(jī)的軸端為光軸，齒輪與電動機(jī)軸，電動機(jī)軸與傳動軸采用錐環(huán)無鍵連接消除連接器的結(jié)構(gòu)。這種連接的特點(diǎn)是不需要開鍵槽，而且兩連接件的相對角度可任意調(diào)節(jié)，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形，靠磨擦力與套連接，消除配合間隙，保證對中性。

62、 第3章數(shù)控硬件的設(shè)計(jì) 第3章 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1. 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控部分采用MCS-51系列的8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的主控制。用8031外接3片2764（E-PROM）,一片6264（RAM）及一片8255（擴(kuò)展I/O），一片8155芯片，擴(kuò)展成一個較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。2764用作程序存儲器，6264用來擴(kuò)展8031的RAM存儲器， 8155用作鍵盤和顯示接口，8255用于接收控制面板上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制信號。圖2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制X、Y軸某一臺步進(jìn)電機(jī)單動時，可實(shí)現(xiàn)銑床橫向、縱向的直線進(jìn)給；當(dāng)控制X-Y軸配合聯(lián)動時，可實(shí)現(xiàn)

63、水平面內(nèi)直線、斜線、圓弧及復(fù)合軌跡的加工，可以近似地復(fù)合出水平面內(nèi)非圓曲線。在銑床原有加工功能的基礎(chǔ)上，其控制精度和加工精度遠(yuǎn)高于普通銑床。 3.2.銑床改造中應(yīng)注意的問題 （1）應(yīng)盡量保留銑床的手動功能，以便操作人員對刀及調(diào)整機(jī)床。 （2）改造前先測出絲桿傳動間隙，并在編程時予以補(bǔ)償，改造后應(yīng)測出有關(guān)參數(shù)，如最大實(shí)載切削速度、最大背刀吃刀量等，作為編程時參考依據(jù)。 （3）應(yīng)盡量消除齒輪副和絲桿副的間隙，齒輪全部采用雙片薄齒輪錯齒法消除嚙合間隙。也可采用軟件補(bǔ)償進(jìn)給量的方法消除。 （4）銑床工作臺重，而且銑削力也較大，垂直絲桿要配備較大功率的驅(qū)動電動機(jī)，要在工作臺上加配重或平衡液壓缸

64、來平衡。 （5）滾動絲桿沒有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，工作臺會自動下降，可采用超越離合器和摩擦離合器產(chǎn)生制動達(dá)到自鎖。 普通銑床數(shù)控化改造，實(shí)質(zhì)就是在普通銑床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)，其目的是使原機(jī)床具有一定的柔性，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，解決復(fù)雜零件的加工問題。用單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)將普通銑床改造為經(jīng)濟(jì)型銑床，簡便易行，能保證零件的加工精度，對復(fù)雜零件尤其是對弧面和凸面的加工效果顯著。 第4章數(shù)控銑床的主軸設(shè)計(jì) 第4章 數(shù)控銑床的主軸設(shè)計(jì) 內(nèi)容摘要:杭州銑床廠 李曉華 高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進(jìn)一步改善零件

65、的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題，因此，高速加工在世界上引起了高度重視。 高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進(jìn)一步改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題，因此，高速加工在世界上引起了高度重視。 4.1高速加工對機(jī)床主軸的要求 高速加工對機(jī)床主軸系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速高，輸出的扭矩和功率要大，還要求具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度和在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中保持具有良好的剛度、抗震性及熱穩(wěn)定性。國內(nèi)中小型加工中心、數(shù)控銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速也達(dá)4000～6000r/min。實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動的

66、高速電主軸，這類主軸因采用電機(jī)和機(jī)床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過精確的動平衡校正，因此具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，但對輸出的扭矩和功率有所限制；另一類是以變頻主軸電機(jī)與機(jī)械變速機(jī)構(gòu)相結(jié)合的主軸，這類主軸輸出的扭矩和功率要大得多，但相對來說回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性要差一點(diǎn)，因此對于這類主軸來說，如何正確地設(shè)計(jì)機(jī)床主軸及其組件對機(jī)床加工精度的影響是至關(guān)重要的。 4.2 主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主軸單元式結(jié)構(gòu) 高速加工中心和數(shù)控銑床大多采用單元式主軸結(jié)構(gòu)，將主軸前后軸承在恒溫環(huán)境下進(jìn)行配磨，配磨好后裝入一個圓套筒內(nèi)，然后在總裝時以一個完整的單元裝入機(jī)床主軸箱內(nèi)，這樣不僅保證了機(jī)床主軸組件的裝配精度，而且又易于安裝和維修調(diào)整，如圖1所示。 圖4.1主軸單元式結(jié)構(gòu) 第5章分進(jìn)電機(jī)步細(xì)的設(shè)計(jì) 第5章 分進(jìn)電機(jī)步細(xì)的設(shè)計(jì) 5.1細(xì)分電流波形的選擇及量化 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合