数控系统的工作原理(一)

1 、了解 CNC 装置的组成 , 熟悉 CNC 装置的 工作流程 教学目的 2、掌握插补的概念, 熟悉逐点比较法中的 直线插补原理
重 点 难 点 教 具 作 业 参考书
刀具补偿原理及直线插补原理 直线插补原理 计算机
实训报告 数控加工实训 数控加工技术
课后小记
二、教学内容
(一)计算机数控系统的工作流程
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图2.7 直线刀具半径补偿
图2.8 圆弧刀具半径补偿
(二)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。
2．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。
2．逐点比较法
逐点比较法：就是通过逐点比较刀具与所加工曲线的相对位置， 从而确定刀具的进给方向，以加工出所需的零件轮廓。 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：运算直观，插补误差小于一个脉冲当 量，输出脉冲均匀，而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 要完成四个工作节拍。
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）ΔL： ΔL与编程速度代码F和插补周期T密切相关， 即ΔL = 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。 ①插补运算时间 ②位置反馈采样周期 ③插补精度和速度
1．计算机数控系统的组成 计算机数控系统（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。
2．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。
逐点比较法的
四个工作节拍
第一个节拍——偏差判别 第二个节拍——坐标进给
第三个节拍——偏差计算
第四个节拍——终点判别
3．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。
②数字增量插补
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ΔL相等，且与给定的进给速度有关。每一微小直线段 的长度ΔL与进给速度F和插补周期T有关，即ΔL=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，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。
（二）插补原理
1．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的 误差小于一个脉冲当量，这个过程称为 插补。
（2）插补方法的分类
①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（1～3m/min）的机床 控制。
①直线的刀具补偿计算
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O′A′的终点 ′的 A′（X′，Y′）。设终点刀具半径偏置矢量 AA X ' X X 坐标投影为（Δ X，Δ Y），则有 Y ' Y Y
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
班
课
次
题
课题二 数控系统的工作原理（三）
1 、理解刀具半径补偿和刀具长度补偿的概 教学目的 念 2、掌ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ刀具半径补偿和刀具长度补偿原理
三、实训内容(建议用时：60分钟)
四、课堂小结(建议用时：10分钟)
重 难 教 作
点 刀具半径补偿 点 刀具长度补偿 具
计算机
业 实训报告
数控加工技术
参 考 书 数控加工实训
课后小记
(一)刀具半径补偿
1．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。
刀具半径补偿的执行过程
①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。 ②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。 ③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，平面的指定 由G17（XY平面），G18（YZ平面），G19（XZ平面）表示。
教 师 课 时 授 课 计 划
教师姓名
授课日期 班 次 课 题
课题二 数控系统的工作原理（一）
课程名称 数控原理与编程实训授课时数0.5天 累计 1.5天
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 :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)
图2.6 刀补建立
3．B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圆弧的起点、终点和圆心 坐标。
因为
Y X R sin R X 2 Y 2 X Y R cos R X 2 Y 2
故A′点的坐标为
Y X ' X R X 2 Y 2 X Y ' Y R X 2 Y 2
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Δ X与Δ Y的符号。
三、实训内容
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。
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。
教 师 课 时 授 课 计 划
教师姓名
授课日期
课程名称 数控原理与编程实训授课时数0.5天 累计 2.5天
（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。
①控制功能 ②准备功能 ③插补功能 ④进给功能 ⑤刀具功能 ⑥主轴功能 ⑦辅助功能 ⑧字符显示功能 ⑨自诊断功能 ⑩补偿功能及固定循环功能