數(shù)控銑床的設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題目： 數(shù)控銑床的設(shè)計</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　班 級: </p><p>　　專 業(yè)： </p>&l

2、t;p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　20 年 月</p><p><b>　　數(shù)控銑床的設(shè)計</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　從20世紀中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性

3、好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(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、價格昂貴不允許報廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 </p><p>　　進

4、入21世紀，我國經(jīng)濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，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，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的飛速進步，數(shù)控機床的應(yīng)用范圍還在不斷擴大，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)控機床高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放

5、化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢，并提出了我國數(shù)控機床發(fā)展中存在的一些問題。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；高速化；高精度化；復(fù)合化；智能化；開放化；網(wǎng)絡(luò)化 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 緒論---------------------------

6、----------------------------------1</p><p>　　1.1提高國產(chǎn)數(shù)控機床的關(guān)鍵----------------------------------------1</p><p>　　1.2制造水平與管理手段--------------------------------------------2</p><p>　　1.3影

7、響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的重要因素------------------------------2</p><p>　　1.4加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度------------------------------------2</p><p>　　2 計算機數(shù)控系統(tǒng)---------------------------------------------------3</p>&

8、lt;p>　　2.1計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念------------------------------3</p><p>　　2.2微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成--------------------------------3</p><p>　　2.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)--------------------------------------------6<

9、;/p><p>　　2.4CNC系統(tǒng)的工作過程-------------------------------------------10</p><p>　　2.5運動軌跡括補的概念------------------------------------------12</p><p>　　2.6數(shù)據(jù)采樣法--------------------------------

10、------------------18</p><p>　　2.7可編程控制器的設(shè)計------------------------------------------21</p><p>　　3 機械部分設(shè)計----------------------------------------------------23</p><p>　　3.1工作臺的進給運動-

11、-------------------------------------------23</p><p>　　4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計------------------------------------------------25</p><p>　　4.1數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計--------------------------------------------25</p>

12、<p>　　4.2銑床改造中應(yīng)注意的問題--------------------------------------25</p><p>　　5 數(shù)控銑床的主軸設(shè)計----------------------------------------------26</p><p>　　5.1高速加工對機床主軸的要求---------------------------------

13、---26</p><p>　　5.2主軸逐漸的結(jié)構(gòu)設(shè)計------------------------------------------27</p><p>　　6 分進電機步細的設(shè)計----------------------------------------------27</p><p>　　6.1細分電流波形的選擇及量化---------------

14、---------------------27</p><p>　　6.2斬波恒流細分驅(qū)方案及硬件實現(xiàn)--------------------------------30</p><p>　　7 結(jié)束語----------------------------------------------------------33</p><p>　　8 致謝------

15、------------------------------------------------------34</p><p>　　9 參考文獻--------------------------------------------------------35</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　我國數(shù)控技術(shù)的

16、發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(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)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，但進出口逆差嚴重，

17、國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元(7624臺)，2003年達27.1億美元(23320臺)，相當于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(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口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究

18、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。 </p><p>　　我們應(yīng)看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。 </p><p>　　1.1 不斷加強技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關(guān)鍵 </p><p>　　國產(chǎn)數(shù)控機床缺乏核心技術(shù)，從高性

19、能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進口，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)控機床制造商通過技術(shù)引進、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術(shù)，但缺乏對機床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計等基礎(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)用戶的認可。</p><p&

20、gt;　　1.2 制造水平與管理手段依然落后 </p><p>　　一些國產(chǎn)數(shù)控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，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

21、。因此我們在引進技術(shù)的同時應(yīng)注意加強自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。</p><p>　　1.3 服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的一個重要因素 </p><p>　　由于數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，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)的數(shù)控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好

22、數(shù)控機床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機床；有的對先進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，幫助用戶進行設(shè)備選型，推薦先進工藝與工輔具，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同，提高國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率。</p><p>　　1.4 加大數(shù)控

23、專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 </p><p>　　從我國數(shù)控機床的發(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)控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技術(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機床機械結(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，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經(jīng)驗；第三種是精通

24、數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計、能夠進行數(shù)控機床產(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)需要有目標的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)提供強大的技術(shù)人才支撐。</p><p><b>　　2 計算機數(shù)控系統(tǒng)</b></p><p>　　2．1 計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　計算機數(shù)控（computer

25、ized numerical contro，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機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．由一臺計算機完成以前機床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對機床運動進行實時控制。</p><p>　　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

26、用 PLC取代了傳統(tǒng)的機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，并且具有與上位機連接及進行遠程通信的功能。</p><p>　　2．2 微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成</p><p>　　大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構(gòu)成的計算機裝置，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（

27、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、速度進給控制單元等組成。圖2.2.1為MNC 的組成原理圖。</p><p>　　圖2.2.1 MNC的組成原理圖</p><p>　　2.2.1 中央處理單元（CPU）和總線(BUS）</p><p>　　CPU是微型計算機的核心，由運算器、控制器和內(nèi)寄存器組組成。它對系統(tǒng)內(nèi)的部

28、件及操作進行統(tǒng)一的控制，按程序中指令的要求進行各種運算，使系統(tǒng)成為一個有機整體。</p><p>　　總線（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導(dǎo)線構(gòu)成。CPU與存儲器、I/O 接口及外設(shè)間通過總線聯(lián)系?？偩€按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。</p><p>　　2.2.2 存儲器(memory)</p><p><b>

29、;　　(1)概述</b></p><p>　　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。</p><p>　　(2)半導(dǎo)體存儲器的分類</p><p>　?、匐S機存取存儲器（讀寫存儲器）ＲＡＭ（random access memory）用來存儲零件加

30、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)、中間計算結(jié)果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲單元的內(nèi)容既可以讀出又可寫入或改寫。</p><p>　　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。</p><p>　　2.2.3 輸入/輸出

31、（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備</p><p><b>　　(1)I／O接口</b></p><p>　　指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機與外設(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?，完成外設(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

32、息的接口稱輸入接口，此外還有雙向接口。</p><p>　　微機中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的擴展是為控制對象或外部設(shè)備提供輸入/輸出通道，實現(xiàn)機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

33、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。</p><p>　?。?）外部I／O設(shè)備及I／O接口</p><p>　?、費DI/CRT接口</p><p>　　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）進行操作的。當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)過報警檢查。若不報

34、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；若報警則數(shù)據(jù)不送入RAM。</p><p>　?、跀?shù)據(jù)輸入/輸出串行接口</p><p>　　CNC裝置控制對立的單臺機床時，通常需要與下列設(shè)備相接并進行數(shù)據(jù)的輸入輸出。</p><p>　　(a)數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 如光電紙帶閱讀機（PTR）、紙帶穿孔機（PP）、打印和穿復(fù)校設(shè)備（TTY）、零件的編程機和可編程控

35、制器的編程機等。</p><p>　　(b)外部機床控制面板 尤其是大型機床，為操作方便常在機床上設(shè)外部的機床控制面板，可分為固定式或懸掛式兩種。</p><p>　　(c)通用的手搖脈沖發(fā)生器。</p><p>　　(d)進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動線路 一般情況下它們與CNC裝置裝在同一機柜或相鄰機柜內(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。&

36、lt;/p><p>　　此外，ＣＮＣ裝置還要與上級主計算機或ＤＮＣ計算機直接通信，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。</p><p>　　（3）機床的I／O控制通道</p><p>　　機床的I／O控制通道是指微機與機床之間的聯(lián)接電路。計算機數(shù)控系統(tǒng)對機床的控制，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。</p><p>

37、;　?、?I／O控制器的功能特點</p><p>　?。╝）能夠可靠地傳送控制機床動作的相應(yīng)控制信息，并能夠輸入控制機床所需的有關(guān)狀態(tài)信息。</p><p>　?。╞）能夠進行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。</p><p>　?。╟）具有較強的阻斷干擾信號進入計算機的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　2.3

38、 ＣＮＣ系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3.1 單微處理機結(jié)構(gòu)</p><p>　　這種結(jié)構(gòu)只有１個微處理機，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，但其中只有１個微處理機能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機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)也屬于單微機結(jié)構(gòu)。&l

39、t;/p><p>　　在這種單微機結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由１個微機來完成，因此ＣＮＣ裝置的功能將受到微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響和限制。</p><p>　　2.3.2 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能</p><p>　　下圖2.3.1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

40、入、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補運算和位置控制等功能軟件。</p><p>　　圖2.3.1 CNC系統(tǒng)軟件的組成</p><p><b>　　(1)輸入程序</b></p><p>　　輸入程序的功能有兩個：一是把零件程序從閱讀機或鍵盤經(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

41、儲器取出送入緩沖器。 </p><p><b>　　(2)譯碼程序</b></p><p>　　在輸入的零件加工程序中，含有零件的輪廓信息（線型，起點、終點坐標值）、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）。這些信息在計算機作插補運算與控制操作之前，需按一定的語法規(guī)則解釋成計算機容易處理的數(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

42、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。</p><p><b>　　(3)數(shù)據(jù)處理程序</b></p><p>　　數(shù)據(jù)處理程序有三個任務(wù)，即刀具半徑補償，速度計算（即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度

43、）以及輔助功能的處理等。</p><p>　　刀具半徑補償是把零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡；速度計算確定加工數(shù)據(jù)段的運動速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進給速度Ｆ計算出頻率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）。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補工作及速度控制程序的

44、負擔(dān)，提高系統(tǒng)的實時處理能力，故也稱為預(yù)計算。下面將著重介紹刀具半徑補償，速度處理將在插補計算程序中的預(yù)計算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)容中介紹。</p><p>　　(a)刀具半徑補償?shù)母拍?lt;/p><p>　　在連續(xù)進行輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑[例如銑刀的半徑或線切割機的鉬絲（或銅絲）半徑等］，所以刀具中心運動軌跡并不等于加工零件的輪廓。如下圖所示，在進行內(nèi)輪

45、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償。</p><p><b>　　圖2.3.2</b></p><p>　　為了分析問題方便ISO標準規(guī)定，當?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進方向的左邊時，稱為左刀補，用G41指令代碼表示，圖中所示零件輪廓內(nèi)部的

46、虛線軌跡。反之，當?shù)毒咛幱诰幊誊壽E前進方向的右邊時，稱右刀補，用G42表示，如圖中所示零件輪廓外部的虛線軌跡。當不需要進行刀補時，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。</p><p>　　(b)C功能刀具半徑補償</p><p>　?、貱刀具半徑補償?shù)脑砑坝嬎?硬件數(shù)控機床常用的刀具半徑補償方法，其主要特點是在程序段轉(zhuǎn)

47、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坐標以上的刀具半徑補償。理想的過渡形式應(yīng)是直線過渡形式?？梢?，這種刀補方法追免了刀具在尖角處的停頓現(xiàn)象。計算機數(shù)控的刀具半徑補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償子程序，需要時可調(diào)用之。</p><p><b>　　(4)插補計算程序</b></

48、p><p>　　插補計算是ＣＮＣ系統(tǒng)中最重要的計算工作之一。ＮＣ裝置中采用的是硬件電路（即插補器）來實現(xiàn)各種軌跡的插補。為了在軟件系統(tǒng)中計算所需的插補軌跡，這些數(shù)字電路必須由計算機的程序來模擬。計算機由若干條指令來實現(xiàn)插補工作，但執(zhí)行每條指令都需要花費一定的時間，而過去小型或微型計算機的計算速度都不能滿足數(shù)控機床對進給速度和分辨率的要求。在實際的ＣＮＣ系統(tǒng)中，常采用數(shù)據(jù)采樣的插補方法，將插補功能分割成軟件插補和硬件插

49、補兩部分，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和終點之間進行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡控制在允許的誤差之內(nèi)。即軟件實現(xiàn)粗插補，硬件實現(xiàn)細插補。</p><p>　　(5)伺服（位置）控制軟件</p><p>　　伺服位置控制軟件的主要功能是對插補值進行處理（取全值或取其半值），計算出位置的命令值，同時讀一次實際的反饋值，然后計算出命令值與反饋值間的差值（稱為位置跟隨誤差）

50、，再乘上增益系數(shù)，并加上補償量從而得到速度命令值。</p><p><b>　　(6)輸出程序</b></p><p>　　輸出程序的功能有如下幾項：</p><p>　　(a)進行伺服控制，如上所述。</p><p>　　(b)反向間隙補償處理 反向間隙值由程序預(yù)置。若某一軸由正向變成負向運動，則在反向前輸出 Q個正向

51、脈沖；反之，若由負向變成正向運動，則在反向前輸出 Q個負向脈沖（Q為反向間隙，因?qū)嶋H情況而異）。</p><p>　　(c)進行絲杠螺距誤差補償（方法見后面相關(guān)內(nèi)容）</p><p>　　(d)M，S，T輔助功能的輸出 M，S，T代碼大多是開／關(guān)量控制，由機床強電執(zhí)行。</p><p>　　(7)管理程序 </p>

52、<p>　　當一個數(shù)據(jù)段開始插補加工時，管理程序即準備下一個數(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。為數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序均由管理程序進行調(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行處理。</p><p><b>　　(8)診斷程序</b></p><p

53、>　　完善的診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴大，在故障出現(xiàn)后，還可以迅速查明故障的類型和部位，減少故障停機時間。</p><p>　　診斷分多種情況，有啟動診斷、在線診斷、停機診斷、遠程通信診斷等。</p><p>　　2.4 CNC系統(tǒng)的工作過程</p><p>　　2.4.1 CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段歷程</p><p>　　一個數(shù)據(jù)段從輸

54、入到傳送至輸出位置控制值需要經(jīng)過圖2.4.1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。再通過數(shù)據(jù)處理程序?qū)㈩A(yù)計算出的刀補參數(shù)（刀補后的本程序段終點坐標）、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)插補后將本次插補周期的輸出位置增量值（ΔX2，ΔY2 ）送至插補工作寄存器，再經(jīng)伺服（位置）控制處理，將段值（ΔX2，ΔY

55、2）經(jīng)計算成為新指令位置值，同時將反饋的位置增量（ΔX1，ΔY1）加上原實際位置得出現(xiàn)在的實際位置值。經(jīng)比較計算出新指令位置和實際位置的差值（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。之后便進行D／A轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖2.4.1 數(shù)據(jù)段歷程</p><p>　　2.4.2 CNC系統(tǒng)自動工作時的總體流程</p><p&g

56、t;　　CNC系統(tǒng)的自動工作狀態(tài)是其最主要的加工方式，圖2.4.2所示為它的總體流程。</p><p>　　零件加工程序通過紙帶輸入機、盒式磁帶機或MDI鍵盤（磁盤，或上級DNC接口輸入），按一定標準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，程序段逐段進行譯碼，即置文字地址碼的標志位，并將ASCⅡ碼由數(shù)控內(nèi)部碼譯成系統(tǒng)能識別的二進制碼或特征碼。接著進行

57、數(shù)據(jù)的預(yù)計算，包括刀具半徑補償計算刀心坐標值，速度處理計算各軸分速度，算出線段長（L及ΔＬ）以及Ｍ，Ｓ，T代碼處理，為插補提供各種必要的數(shù)據(jù)。接著再進行插補運算。控制程序?qū)⒏鶕?jù)零件加工程序中的進給速度（F）和坐標位移量，由預(yù)計算算出線段長（L及ΔＬ），再計算出分配給每個坐標的段值，即每個插補中斷周期中坐標的位移量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）。最后，在位置控制比較環(huán)節(jié)中，將插補輸出的段值（位移量）加上原坐標指令值作為新的指令位置值。又將反饋位置增

58、量加上原實際位置坐標值作為新的實際位置值。將新的指令值與新的實際位置值相比較，算出跟隨誤差。通過計算機的軟件放大倍數(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，帶動工作臺或刀具位移。</p><p>　　2.4.2 運動軌跡的插補原理</p><p>　　2.5 運動軌跡括補的概念</p><p>　　

59、在數(shù)控機床中，刀具的最小移動單位是一個脈沖當量，而刀具的運動軌跡為折線，并不是光滑的曲線。刀具不能嚴格地沿著所加工的曲線運動，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)給定的信息進行某種預(yù)定的數(shù)學(xué)計算，不斷向各個坐標軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進給脈沖或數(shù)據(jù)，使被控機械部件按指定路線移動（即產(chǎn)生２個坐標軸以上的配合運動），這就是插補。換言之，插補就是沿著規(guī)定的輪廓，在輪廓的起點和終點之間按一定算法進行數(shù)據(jù)點的密化，給出相應(yīng)軸的位移量或用脈沖

60、把起點和終點間的空白填補（逼近誤差要小于１個脈沖當量）。一般數(shù)控機床都具備直線和圓弧插補功能。</p><p>　　2.5.1運動軌跡插補的方法</p><p>　　脈沖增量法（標準脈沖插補 reference pulse）——行程標量插補</p><p>　　把每次插補運算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到步進電動機等伺服機構(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

61、，如逐點比較法、ＤＤＡ法及一些相應(yīng)的改進算法等都屬此類。這類插補法比較簡單，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現(xiàn)。進給速度指標和精度指標都難以滿足現(xiàn)在零件加工的要求，因此，這種插補法只適用于中等精度和中等速度的機床ＣＮＣ系統(tǒng)。主要用早期的采用步進電機驅(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。</p><p>　　2.5.2 數(shù)據(jù)采樣法（sampled data）－－時間標量插補<

62、;/p><p>　　在這種方法中，整個控制系統(tǒng)通過計算機而形成閉環(huán)，輸出的不是單個脈沖，而是數(shù)據(jù)，即標準二進制字。數(shù)據(jù)采樣插補算法中較常見的有時間分割法插補，也就是根據(jù)編程進給速度將零件輪廓曲線按插補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)進行輸出，用以控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標軸的進給。這類插補算法適用于以直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行元件的閉環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p

63、>　?。?）逐點比較法的原理</p><p>　　它的原理是以區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點的瞬時坐標與規(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。如果加工點走到圖形外面，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差。每次只進行一個坐標軸的插補進給。通過這種方法能得到一個接近規(guī)定圖形的軌跡，而最大偏差不超過一個脈沖當量。在逐點比較法中，每進給一步都

64、要4個節(jié)拍，如圖2.5.1所示。</p><p><b>　　圖2.5.1</b></p><p>　?。╝)偏差判別 判別偏差符號，確定加工點是在規(guī)定圖形的外面還是里面。</p><p>　?。╞）坐標進給 根據(jù)偏差情況，控制X坐標或Y坐標進給一步，使加工點向規(guī)定圖形靠攏，縮小偏差。</p><p>　?。╟）新偏差計

65、算 進給一步后，計算加工點與規(guī)定圖形的新偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)。</p><p>　　（d）終點判別 根據(jù)這一步的進給結(jié)果，判定（比較）終點是否到達。如未到達終點，繼續(xù)插補工作循環(huán)，如果已到終點就停止插補。</p><p>　　(2)逐點比較法I象限直線插補</p><p><b>　?。╝）基本原理</b></p>&l

66、t;p>　?、倨詈瘮?shù)值的判別 如圖2.5.2所示，OE為Ⅰ象限直線，起點O為坐標原點，終點E的坐標為E（Xe，Ye），還有一個動點為N（Xi，Yi）。現(xiàn)假設(shè)動點 N正好處于直線OE上，則有下式成立：</p><p>　　即 XeYi－XiYe＝０</p><p>　　假設(shè)動點處于 OE的下方N′處，則直線 ON′的斜率小于直線OE的斜率，從而有

67、 </p><p>　　即 XeYi－XiYe＞０ </p><p>　　由以上關(guān)系式可以看出，（Xe Yi－Xi Ye）的符號反映了動點N與直線OE之間的偏離情況。為此取偏差函數(shù)為</p><p>　　F＝Xe Yi - Xi Ye (3-1）</p><p>　　依此可總結(jié)出動點

68、 N（Xi ，Yi）與設(shè)定直線 OE之間的相對位置關(guān)系如下：</p><p>　　當 F＝0時，動點 N（Xi ，Yi）正好處在直線 OE上；</p><p>　　當 F＞0時，動點 N（Xi ，Yi）落在直線 OE上方的區(qū)域；</p><p>　　當 F＜0時，動點 N（Xi ，Yi）落在直線OE下方的區(qū)域。</p><p>　　②坐標進給

69、 以圖3．6．5為例。設(shè)OE為要加工的直線輪廓，而動點N（Xi ，Yi）對應(yīng)于切削刀具的位置，終點 E坐標為Xe＝4，Ye＝6，起點為 O，即 Xo＝0，Yo＝0。顯然，當?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）方向進給一步；當?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）方向進給一步；當?shù)毒哒锰幱谥本€上時（Ｆ＝０），理論上既可向（＋Ｘ）方向進給一步，也可向（＋Ｙ）方向進給

70、一步，但一般情況下約定向（＋Ｘ）方向進給，從而將F＞０和Ｆ＝０兩種情況歸一類（Ｆ≥０）。根據(jù)上述原則，從原點Ｏ（０，０）開始走一步，計算并判別Ｆ的符號，再趨向直線進給，步步前進，直至終點Ｅ。這樣，通過逐點比較的方法，控制刀具走出一條盡量接近零件輪廓直線軌跡，如圖2.5.3中的折線所示。當每次進給的臺階（即脈沖當量）很小時，就可以將這折線近似當作直線來看待。顯然，逼近程度的大小與脈沖當量的大小直接相關(guān)。</p><p&

71、gt;<b>　　圖2.5.3</b></p><p>　?、谛缕钣嬎?由式（３－１）可以看出，每次求Ｆ時要作乘法和減法運算，而這在使用硬件或匯編語言軟件實現(xiàn)插補時不大方便，還會增加運算的時間。因此，為了簡化運算，通常采用遞推法，即每進給一步后新加工點的加工偏差值通過前一點的偏差遞推算出。</p><p>　　現(xiàn)假設(shè)第ｉ次插補后動點坐標為Ｎ（Ｘi，Ｙi），偏差函數(shù)為

72、</p><p>　?。苅＝ＸeＹi－ＸiＹe</p><p>　　若Ｆi≥０，則向（＋Ｘ）方向進給一步，新的動點坐標值為</p><p>　?。豬+1＝Ｘi＋１　?。賗+1＝Ｙi</p><p>　　這里，設(shè)坐標值單位是脈沖當量，進給一步即走一個脈沖當量的距離（＋ｌ）。新的偏差函數(shù)為</p><p>　?。苅+1＝Ｘ

73、eＹi+1－Ｘi+1Ｙe＝ＸｅＹi一ＸiＹe－Ｙe</p><p>　　所以 Ｆi+1＝Ｆi－Ｙｅ （3-2)</p><p>　　同樣，若Ｆ＜０，則向（＋Ｙ）方向進給一步，新的動點坐標值為</p><p>　?。豬+1＝Ｘi，　　Ｙi+1＝Ｙi+1</p><

74、p><b>　　因此新的偏差函數(shù)為</b></p><p>　　Ｆi+1＝ＸeＹi+1－Ｘi+1Ｙe＝ＸｅＹi一ＸiＹe＋Ｘe</p><p>　　所以 Ｆi+1＝Ｆi＋Ｘe (3-3)</p><p>　　根據(jù)式（３－２）和（３一３）可以看出，采用

75、遞推算法后，偏差函數(shù)Ｆ的計算只與終點坐標值Ｘｅ，Ｙe有關(guān)，而不涉及動點坐標Ｘi，Ｙi的值，且不需要進行乘法運算，新動點的偏差函數(shù)可由上一個動點的偏差函數(shù)值遞推出來（減Yｅ或加Ｘe）。因此，該算法相當簡單，易于實現(xiàn)。但要一步步速推，且需知道開始加工點處的偏差值。一般是采用人工方法將刀具移到加工起點（對刀），這時刀具正好處于直線上，當然也就沒有偏差，所以遞推開始時偏差函數(shù)的初始值為Ｆ0＝０。</p><p>　?、芙K

76、點判別 由于插補誤差的影響，刀具的運動軌跡可能不通過被加工直線的終點Ｅ（Ｘｅ，Ｙe）。即在有些情況下，刀具的橫坐標Ｘi與縱坐標Ｙi不可能同時滿足以下兩式</p><p>　　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。</p><p>　　從直線的起點Ｏ（圖3.6.5）移動到終點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

77、標軸應(yīng)走的總步數(shù)Ｎ為</p><p><b>　?。危剑兀迨?Ｙｅ</b></p><p>　　刀具運動到點P（Ｘi，Yi）時，沿Ｘ，Ｙ軸已經(jīng)走過的步數(shù)ｎ為</p><p><b>　?。睿剑豬＋Yi</b></p><p>　　若ｎ與Ｎ相等，說明直線已加工完畢，插補過程應(yīng)該結(jié)束。否則，說明直線還

78、沒有加工完畢。</p><p>　　對于逐點比較插補法，每進行一個插補循環(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)插補循環(huán)數(shù)ｉ與具沿Ｘ，Ｙ軸應(yīng)進給的總步數(shù)Ｎ是否相等判斷終點，即直線加工結(jié)束的條件為 </p><p>　?。椋剑?(3-4)</

79、p><p><b>　　2.6 數(shù)據(jù)采樣法</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采樣法實質(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)精度來講仍是比較大的。為此，必須進一步進行數(shù)據(jù)的密化工作。微小直線段的分割過程也稱為粗插補，而后續(xù)進一步的密化過程稱為精插補。通過兩者的緊密

80、配合即可實現(xiàn)高性能的輪廓插補。</p><p>　　一般數(shù)據(jù)采樣插補法中的粗插補是由軟件實現(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)運算，所以大多采用高級計算機語言完成。而精插補算法大多采用前面介紹的脈沖增量法。它既可由軟件實現(xiàn)，也可由硬件實現(xiàn)。由于相應(yīng)的算術(shù)運算較簡單，所以軟件實現(xiàn)時大多采用匯編語言完成。</p><p>　　2.6.1 插補周期與位置控制周期</p>

81、<p>　　插補周期Ｔs是相鄰兩個微小直線段之間的插補時間間隔。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)控系統(tǒng)而言，插補周期和位置控制周期是兩個固定不變的時間參數(shù)。</p><p>　　通常Ｔs≥Ｔc，并且為了便于系統(tǒng)內(nèi)部控制軟件的處理，當Ｔs與Ｔc不相等時，一般要求Ｔs是Ｔc的整數(shù)倍。這是由于插補運算較復(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

82、次插補運算的結(jié)果可供位置環(huán)多次使用?，F(xiàn)假設(shè)編程進給速度為Ｆ，插補周期為Ｔs，則可求得插補分割后的微小直線段長度為ΔＬ（暫不考慮單位）：</p><p>　　ΔＬ＝ＦＴs（３一40）</p><p>　　插補周期對系統(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響。因此選擇Ｔs時主要從插補精度方面考慮，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

83、面考慮。</p><p>　　一般插補周期Ｔs越長，插補計算的誤差也越大。因此單從減小插補計算誤差的角度考慮，插補周期Ｔs應(yīng)盡量選得小一些。但Ｔs也不能太短，因為ＣＮＣ系統(tǒng)在進行輪廓插補控制時，其ＣＮＣ裝置中的ＣＰＵ不僅要完成插補運算，還必須處理一些其他任務(wù)（如位置誤差計算、顯示、監(jiān)控、I／Ｏ處理等），因此Ｔs不單是指ＣＰＵ完成插補運算所需的時間，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

84、周期Ｔs必須大于插補運算時間和完成其他相關(guān)任務(wù)所需時間之和。</p><p>　?。茫危孟到y(tǒng)位置控制周期的選擇有兩種形式。一種是 Ｔc＝Ｔs，另一種是Ｔｓ為Ｔc的整數(shù)倍。</p><p>　　2.6.2 插補周期與精度、速度之間的關(guān)系</p><p>　　在數(shù)據(jù)采樣法直線插補過程中，由于給定的輪廓本身就是直線，則插補分割后的小直線段與給定直線是重合的，也就不存在插補

85、誤差問題。但在圓弧插補過程中，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誤差。插補誤差er與被插補圓弧半徑Ｒ、插補周期Ｔｓ以及編程進給速度Ｆ有關(guān)。若Ｔs越長，Ｆ越大，Ｒ越小，則插補誤差就越大。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給速度Ｆ，從而提高了加工效率。同樣在其他條件相同的情況下，大曲率半徑的輪廓曲線可獲得較高的允許切削速度。<

86、;/p><p>　　2.6.3 數(shù)據(jù)采樣法直線插補</p><p>　　假設(shè)刀具在ＸＯＹ平面內(nèi)加工直線輪廓ＯＥ，起點為Ｏ（０ ０），終點為Ｅ（Xe，Ye），動點為Ｎi－１（Ｘi－ｌ，Ｙi－ｌ），編程進給速度為Ｆ，插補周期為Ｔs，如圖3.6.30所示。</p><p>　　在1個插補周期內(nèi)進給直線長度為ΔＬ＝ＦＴs，根據(jù)圖2.6.1中的幾何關(guān)系，很容易求得插補周期內(nèi)各坐標

87、軸對應(yīng)的位置增量為：</p><p><b>　　圖2.6.1</b></p><p><b>　　（3－４６）</b></p><p>　　式中Ｌ為被插補直線的長度，Ｌ＝（mm）；K為每個插補周期內(nèi)的進給速率數(shù)，Ｋ＝ΔＬ／L＝（ＦＴs）／L。這樣很容易得出下一個動點 Ｎi的坐標值為</p><p>

88、;　　利用數(shù)據(jù)采樣法插補直線時的算法相當簡單，可在ＣＮＣ裝置中分兩步完成。第一步是插補準備，完成一些常量的計算工作，如 Ｌ，K的計算等（一般對于每個零件輪廓段僅執(zhí)行一次）；第二步是插補計算，每個插補周期均執(zhí)行一次，求出該周期對應(yīng)的坐標增量值（ΔＸi，ΔＹi）及動點坐標值（Ｘi，Ｙi）。</p><p>　　數(shù)據(jù)采樣法插補過程中所使用的起點坐標、終點坐標及插補所得到的動點坐標都是帶有符號的代數(shù)值，而不像脈沖增量插補

89、算法那樣使用絕對值參與插補運算。并且這些坐標值也不一定轉(zhuǎn)換成以脈沖當量為單位的整數(shù)值，即數(shù)據(jù)采樣法中涉及到的坐標值是帶有正、負號的真實坐標值。另外，求取坐標增量值和動點坐標的算法并非唯一，例如也可利用輪廓直線與橫坐標夾角α的三角函數(shù)關(guān)系來求得。</p><p>　　2.7 可編程控制器的設(shè)計</p><p>　　2.7.1 可編程序控制器的定義及作用</p><p>

90、;　　可編程控制器（簡稱PLC）是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計算機、自動化和通信技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。</p><p>　　可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，采用可編程存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(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器或生產(chǎn)過程。</p><p>　　可編程控制器具有很強的邏輯運算

91、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，可直接帶負載運行，這就是PLC在工業(yè)控制上優(yōu)于普通微型計算機的地方。</p><p>　　作用：——完成各種輔助功能</p><p>　　(1) 機床主軸的起停、正反轉(zhuǎn)控制及主軸轉(zhuǎn)速的控制、倍率的選擇。</p><p>　　(2) 機床冷卻、潤滑系統(tǒng)的接通和斷開。</p><

92、;p>　　(3) 機床刀庫的起停和刀具的選擇、更換。</p><p>　　(4) 機床卡盤的夾緊、松開。</p><p>　　(5) 機床自動門的打開、閉合。</p><p>　　(6) 機床尾座和套筒的起停、前進、后退控制。</p><p>　?。?) 機床排屑等輔助裝置的控制。</p><p>　　2.7.2

93、 可編程序控制器在機床數(shù)控中的應(yīng)用</p><p>　　（1）PLC的應(yīng)用類型</p><p>　?。校蹋玫膽?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。</p><p>　?。╝) 開關(guān)邏輯控制類型 </p><p>　　(b) 閉環(huán)過程控制類型 </p><p>　　(c) 組成多級控制系統(tǒng)類型

94、</p><p>　　(d) 控制機器人類型 </p><p>　　(e）組合數(shù)字控制類型　</p><p>　　(2) ＣＮＣ系統(tǒng)中的ＰＬＣ</p><p>　　ＣＮＣ系統(tǒng)內(nèi)部處理的信息大致可分為兩大類。一是控制坐標軸運動的連續(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

95、制面板Ｉ／Ｏ等的邏輯離散信息。</p><p>　?。校蹋迷冢茫危孟到y(tǒng)中是介于ＣＮＣ裝置與機床之間的中間環(huán)節(jié)。它根據(jù)輸入的離散信息，在內(nèi)部進行邏輯運算，并完成輸出功能。ＣＮＣ系統(tǒng)中用ＰＬＣ實現(xiàn)控制的類型可分為內(nèi)裝型和獨立型兩類。</p><p>　　(a) 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

96、體，如圖2.7.1所示。</p><p><b>　　圖2.7.1</b></p><p>　　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，其性能指標也由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)部進行，并且內(nèi)裝型ＰＬＣ一般也不單獨配置 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

97、ＰＬＣ的硬件電路既可以單獨設(shè)計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)計在ＣＮＣ裝置的ＣＰＵ板上）。</p><p>　　采用內(nèi)裝型ＰＬＣ擴大了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行編輯，傳送復(fù)雜的控制功能。又因為采用這種方法的造價很低，從而提高了ＣＮＣ的性能價格比。</p><p>　　(b) 獨立型ＰＬＣ（ｓｔａ

98、ｎｄ－ａｌｏｎｅ－ｔｙＰｅ）</p><p>　　獨立型ＰＬＣ實際上是通用型ＰＬＣ，它完全獨立于ＣＮＣ裝置，具有完備的硬件和軟件，能夠獨立完成ＣＮＣ系統(tǒng)所要求的控制任務(wù)。獨立型ＰＬＣ與數(shù)控機床之間的關(guān)系如圖2.7.2所示。</p><p><b>　　圖2.7.2</b></p><p>　　獨立型ＰＬＣ不但要進行機床側(cè)的Ｉ／Ｏ連接，還要進行Ｃ

99、ＮＣ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。獨立型ＰＬＣ一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，裝在插版式機籠內(nèi)，Ｉ／Ｏ點數(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／Ｏ點數(shù)大多在１２８點以下（少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在１２８點以上），因此選用小型ＰＬＣ即可。而對于大型數(shù)控機床，如 ＦＭＣ，ＦＭＳ，ＦＡ，ＣＩＭＳ等，則需要選用中型或大型ＰＬＣ。</p><p

100、>　　獨立型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裝置實現(xiàn)刀具軌跡控制和機床順序控制。</p><p>　　2.7.3 Ｍ，Ｓ，Ｔ功能的實現(xiàn)</p><p>　　(1) Ｍ功能的實現(xiàn)</p><p>　　Ｍ功能也稱輔助功

101、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還刀等。</p><p>　　(2) S功能的實現(xiàn)</p><p>　　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位代碼形式進行編程。所謂Ｓ２位代碼編程是指 Ｓ代碼后跟隨 ２位＋進制數(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

102、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。</p><p>　　所謂Ｓ４代碼編程是指 Ｓ代碼后跟隨４位＋進制數(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。可見Ｓ４位代碼表示轉(zhuǎn)速的范圍為 ０～９ ９９９ ｒ／ｍｉｎ。<

103、;/p><p>　?。?）Ｔ功能的實現(xiàn) </p><p>　?。怨δ芗礊榈毒吖δ芄ごa后跟隨２～５位數(shù)字表示要求的刀具號和刀具補償號。數(shù)控機床根據(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存取換刀控制和固定存取換刀控制。在隨機存取換刀控制中，取刀和還刀

104、與刀具座編號無關(guān)，還刀位置是隨機變動的。在執(zhí)行換刀的過程中，當取出所需的刀具后，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際位置。這時取刀、換刀、存刀一次完成，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。 </p>

105、<p><b>　　3 機械部分設(shè)計</b></p><p>　　3.1 工作臺的進給運動</p><p>　　因為改造后的基礎(chǔ)主要加工圓弧、凸輪一類平面曲線的輪廓，所以采用微機數(shù)控實現(xiàn)三坐標兩軸聯(lián)動控制，工作臺縱向（軸）、橫向（軸）及垂直方向（軸）的運動，分別由步進電動機經(jīng)過一級齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動電動機經(jīng)過一級齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖

106、動。由于銑削時作用在電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩較大，所以要選擇大功率的步進電動機，而大功率的步進電動機的驅(qū)動較困難。步進電動機沒有過載能力，在高速運動時轉(zhuǎn)矩下降很多，容易丟步。要使改造后的銑床進給伺服性能較好，在改造采用直流伺服電動機驅(qū)動。改造方案如圖3.1.1所示。</p><p>　　圖3.1.1 機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　?。?）保留原機床的主軸旋轉(zhuǎn)運動，工作臺升降運動仍采用手動

107、操作，縱、橫向進給改造后既可機動進行復(fù)雜零件的計算機數(shù)控加工，又可手動操作完成簡單零件的加工或用于數(shù)控加工前的對刀工作。</p><p>　?。?）保留原機床縱向進給的機動部分，將離合器脫開，去掉手輪。將手輪軸通過一對齒輪與步進電機相聯(lián)，用微機數(shù)控系統(tǒng)控制縱向進給運動。加工時，將離合器脫開，使原來的機動進給停止工作。</p><p>　?。?）工作臺橫向運動方面，在原手輪安裝位置，安裝減速

108、齒輪及步進電機，用微機數(shù)控系統(tǒng)控制橫向進給運動。</p><p>　　（4）采用直流伺服電動機作驅(qū)動元件，伺服電動機的軸端為光軸，齒輪與電動機軸，電動機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。</p><p>　　4 數(shù)控系統(tǒng)硬

109、件設(shè)計</p><p>　　4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　數(shù)控部分采用MCS-51系列的8031單片機實現(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（擴展I/O），一片8155芯片，擴展成一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。2764用作程序存儲器，6264用來擴展8031的RAM存儲器， 8155用作鍵盤和顯示接口，8255用