课题二 数控系统的工作原理实训

课题二 数控系统的工作原理实训

2.1实训目的

了解计算机数控系统的工作流程，熟悉刀具补偿原理，掌握插补的概念及用逐点比较法对直线和圆弧进行插补的过程。

2.2相关知识

2.2.1计算机数控系统的工作流程

1．计算机数控系统的组成

计算机数控系统（Computer Numerical Control）简称CNC系统，它由零件加工程序，输入输出设备，CNC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。如图2.1所示。

CNC系统的核心是CNC装置。因为采用了计算机，使过去许多难以实现的功能通过软件来实现，使CNC装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，具有优越的性能价格比。

图2.1CNC系统结构框图

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，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。软件包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由输入程序、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。

CNC装置的硬件结构如图2.3所示，微处理器（CPU）负责运算及对整个系统进行控制和管理。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。输入输出接口供系统与外部进行信息交换。MDI/CRT接口完成手动数据输入并将信息显示在CRT上。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。

图2.2CNC装置软件构成

图2.3CNC装置的硬件构成

（2）CNC装置的工作过程

CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的全过程，如图2.4所示。由图可知，机床的逻辑功能信息是在CNC装置中经译码处理后，在机床逻辑控制软件的控制下，通过一些顺序执行电器送往机床强电部分，去执行机床的强电功能。零件加工程序的坐标控制信息经译码后，通过轨迹计算和速度计算传送给插补工作寄存器，由插补产生的运动指令提供给伺服电动机，去控制机床坐标轴的运动。

图2.4CNC装置的工作过程

3．CNC装置可执行的功能

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，这就为丰富数控功能创造条件，也有利于数控机床进入FMS和CIMS。

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）基本功能

①控制功能

控制功能主要反映了CNC系统能够同时控制的轴数（即联动轴数）。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。如数控车床一般为两个联动轴（X轴和Z轴），数控铣床和加工中心一般需要三个或三个以上的控制轴。控制轴数越多， CNC系统就越复杂。

②准备功能

准备功能（G功能）是指定机床动作方式的功能，由指令G和它后面的两位数字表示。ISO标准中，G代码有100种，从G00～G99，主要有基本移动（G00，G01，G02，G03），程序暂停（G04）等。

③插补功能

插补功能指CNC装置可以实现插补加工线型的能力，如直线插补、圆弧插补和其它一些线型的插补，甚至多次曲线和多坐标插补的能力。

④进给功能

进给功能包括切削进给、同步进给、快速进给、进给倍率等。它反映了刀具的进给速度，一般用F代码后的数字直接指定各轴的进给速度，如F200表示进给速度为200mm/min。最大进给速度反映了CNC系统运算速度的大小，最新型的CNC系统允许采用100m/s的速度进行加工。

⑤刀具功能

刀具功能用来选择刀具，用T代码和它后面的2位或4位数字表示。

⑥主轴功能

主轴功能是指定主轴速度的功能，用S代码指定。主轴的转向用M03（正向）和M04（反向）指定。

⑦辅助功能

辅助功能也称M功能。用来规定主轴的启停和转向，冷却液的接通和断开，刀具的更换，工件的夹紧和松开等。

⑧字符显示功能

CNC系统可通过软件和接口在CRT显示器上实现字符显示，如显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置和故障信息等。

⑨自诊断功能

CNC系统有各种诊断程序，可以防止故障的发生和扩大。在故障出现后可迅速查明故障的类型和部位，减少因故障引起的停机时间。

⑩补偿功能及固定循环功能

CNC系统具备补偿功能，对加工过程中由于刀具磨损或更换而造成的误差，以及机械传动的丝杠螺距误差和反向间隙所引起的加工误差等予以补偿。CNC系统的存储器中存放着刀具长度或半径的相应补偿量，加工时按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。

固定循环功能指CNC装置为常见的加工工艺所编制的，可以多次循环加工的功能。用数控机床加工零件时，一些典型的加工工序，如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削等，所完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存在存储器中，用G代码进行指定。固定循环中的G代码所指定的动作程序，要比一般G代码所指定的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。

（２）选择功能

①图形显示功能

CNC装置可配置9英寸单色或14英寸彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话界面、零件图形、动态刀具轨迹等。

②通信功能

CNC系统通常具备RS-232C接口，有的还备有DNC接口，设有缓冲存储器，可以按文本格式输入，也可按二进制格式输入，进行高速传输。有些CNC系统还能进入工厂通信网络，以适应FMS和CIMS的要求。

③人机对话编程功能

有些数控系统带有人机对话编程功能，它不但有助于编制复杂零件的加工程序，而且可以方便编程。如图形编程，只要输入图样上简单的表示几何尺寸的命令，就能自动生成加工程序；对话式编程可根据引导图和说明进行编程，并具有工序、刀具、切削条件等自动选择的智能功能；用户宏编程也可以使初步受过CNC训练的人能很快地进行编程。

2.2.2刀具补偿原理

在加工过程中，刀具的磨损、实际刀具尺寸与编程时规定的刀具尺寸不一致以及更换刀具等原因，都会直接影响最终加工尺寸，造成误差。为了最大限度的减少因刀具尺寸变化等原因造成的加工误差，数控系统通常都具备有刀具误差补偿功能。通过刀具补偿功能指令，CNC系统可以根据输入补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床能够自动地加工出符合程序要求的零件。

数控系统的刀具补偿功能主要是为简化编程，方便操作而设置的，包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。

1．刀具半径补偿

（１）刀具半径补偿的概念

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，加工内轮廓时，刀具中心要向工件的内侧偏移一个距离；而加工外轮廓时，同样刀具中心也要向工件的外侧偏移一个距离。由于数控系统控制的是刀心轨迹，因此编程时要根据零件轮廓尺寸计算出刀心轨迹。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。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。为了解决这个问题，数控系统中专门设计了若干存储单元，存放各个工步的加工余量及刀具磨损量。数控编程时，只需依照刀具半径值编写公称刀心轨迹。加工余量和刀具磨损引起的刀心轨迹变化，由系统自动计算，进而生成数控程序。进一步地，如果将刀具半径值也寄存在存储单元中，就可使编程工作简化成只按零件尺寸编程。这样既简化了编程计算，又增加了程序的可读性。

图2.5刀具半径补偿原理

根据同样的道理，在数控车床上车削工件时，车刀的刀尖半径也有类似的情形发生。无论是加工余量还是刀具磨损，或者是刀具半径的考虑，它们实质是刀心轨迹相对于工件轮廓的偏置。实际加工时，操作者根据零件图纸尺寸编程，同时将加工余量和刀具半径值输入系统内存并在程序中调用，由数控系统自动使刀具沿轮廓线偏置一个值，正确地加工出所需轮廓。这种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称为刀具半径补偿功能。

（２）刀具半径补偿的执行过程

刀具半径补偿不是由编程人员来完成的。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。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。

刀具半径补偿的执行过程分为刀补建立，刀补进行和刀补撤消三个步骤。

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了一个刀具半径值。如图2.6所示。

图2.6刀补建立

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，采用了伸长、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。

刀具半径补偿仅在指定的二维坐标平面内进行，平面的指定由代码G17（X—Y平面），G18（Y—Z平面），G19（X—Z平面）表示。

（3）B功能刀具半径补偿

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。一般数控系统的轮廓控制通常仅限于直线和圆弧。对于直线而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的一条直线，因此，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；对于圆弧而言，刀补后的刀具中心轨迹为与指定轮廓圆弧同心的一段圆弧，因此，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。

①直线的刀具补偿计算

如图2.7所示，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A/（X/，Y/）。设终点刀具半径偏置矢量AA/的坐标投影为（ΔX，ΔY），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ΔX与ΔY的符号。

图2.7直线刀具半径补偿

②圆弧的刀具半径补偿计算

如图2.8所示，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A/B/的终点坐标（Xe/，Ye/）。设BB/在两个坐标上的投影为（ΔX，ΔY），则有