機床電器與可編程序控制器資源

機床電器與可編程序控制器資源第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五1．介紹一些基本概念：數控技術、數控系統(tǒng)、計算機數控系統(tǒng)、數控機床、加工中心；2．數控機床的五個重要組成部分；3．數控機床的工作原理；4．數控機床的分類；5．數控機床的特點；6．數控機床的適用范圍。7.數控加工編程的基礎知識；手工程序編制的內容和步驟；

（以上為兩學時）主要教學內容第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五9．插補運算的方法；10．逐點比較法的四個主要的步驟；11．直線插補的運算過程，并舉例加以說明；12．圓弧插補的運算過程，并舉例加以說明；13．在直線和圓弧插補過程中，涉及其它象限插補運算如何處理的問題。

（以上為兩學時）14．講述數控機床常用的位置檢測裝置的原理及其在伺服驅動系統(tǒng)中的作用；15．講述兩種常用的伺服驅動系統(tǒng)：鑒幅式與鑒相式；16．講述XH714立式加工中心中與電氣控制有關的數控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、I/O單元、換刀裝置、機床電源及它們之間的連接方式。

（以上為兩學時）主要教學內容（續(xù)）第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五1．數控機床的五個重要組成部分；2．數控機床的工作原理；3．數控加工程序編制格式和步驟、數控車床和銑床的常用編程指令及方法、編程中的一些技巧。4．逐點比較法的四個主要的步驟；5．重點通過實例詳細介紹直線插補與圓弧插補的整個計算過程。6．重點講述數控機床常用的位置檢測裝置的原理及其在伺服驅動系統(tǒng)中的作用以及兩種常用的伺服驅動系統(tǒng)：鑒幅式伺服驅動系統(tǒng)與鑒相式伺服驅動系統(tǒng)。教學重點第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五1．機床坐標系及工件（編程）坐標系的建立，刀具軌跡求解中的基點、節(jié)點計算，數控車削加工編程工藝等；2．直線插補過程中各個公式的推導；3．圓弧插補過程中各個公式的推導；4．圓弧插補過程中順圓、逆圓以及過象限圓弧的處理問題。5．XH714立式加工中心中與電氣控制有關的數控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、I/O單元、換刀裝置、機床電源及它們之間的連接方式。教學難點第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)機床數控技術的基本概念一、基本概念：1．數控技術：一種自動控制技術，利用數字化的信息對機床運動及加工過程進行控制。2．數控系統(tǒng)：采用數控技術的控制系統(tǒng)。3．計算機數控系統(tǒng)：它是一種采用計算機硬件結構，利用數控軟件來實現(xiàn)數控功能的數控系統(tǒng)4．數控機床：用數控技術實現(xiàn)加工控制的機床，稱為數控機床。第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五注意：數控機床與普通機床的區(qū)別：數控機床是按照程序自動加工工件，而普通機床是由人來操作。數控加工中只要改變加工程序就能達到加工不同形狀工件的目的，但編程人員必須把加工過程中的所有動作和信息（如主軸轉速、進給速度和方向等）按照一定的順序編寫在程序中。第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五二、數控機床的組成：

圖5.1.1數控機床的組成框圖第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五1．控制介質：存儲工件加工程序的媒介物，有穿孔帶、穿孔卡片、磁帶和磁盤、DNC等。2．輸入裝置：將程序載體中的有關信息送入數控裝置。3．數控裝置：數控機床的核心，包括微型計算機(CPU、存儲器、各種I/O接口)、通用輸入輸出外圍設備（如CRT/LED顯示器、鍵盤、操作控制面板等）以及相應的軟件。4．伺服系統(tǒng)：數控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，接受數控裝置的指令信息，經功率放大后，（光電隔離），嚴格按照指令信息的要求驅動機床的運動部件，完成指令規(guī)定的運動。5．機床的機械部件：主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、輔助部分以及一些特殊部件（如自動換刀裝置ATC等）。第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五三、數控機床的工作原理

手工編程與加工

第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五

自動編程與加工

第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五四、數控機床的分類1．按工藝用途分

（1）普通數控機床：數控車、數控銑第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（2）加工中心第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五

（3）特種加工機床：線切割機床第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（3）特種加工機床：點火花成型加工機床第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2、按控制系統(tǒng)的特點（1）點位控制：只要精確的控制刀具相對工件從一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而與軌跡運動無關。主要有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控沖床和數控測量機等。（2）點位直線控制：不僅要求具有準確的定位功能，而且要求從一點到另一點按直線運動進行切削加工。如數控車床、數控鏜銑床、加工中心等。（3）輪廓切削控制：能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行切削加工控制，不僅能夠控制機床移動部件的起點與終點坐標，而且能按照需要嚴格控制刀具移動的軌跡，以加工任意斜率的直線、圓弧、拋物線及其它函數關系的曲線或曲面。第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3、按伺服系統(tǒng)的類型（1）開環(huán)系統(tǒng)：不帶位置檢測反饋裝置，CNC發(fā)出的指令信號流是單向的。一般用功率步進電動機作為伺服驅動元件。第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（2）閉環(huán)系統(tǒng)：裝有位置檢測裝置。驅動元件：一般采用交直流伺服電動機作為驅動元件。第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（3）半閉環(huán)系統(tǒng)：反饋信號取自于電動機軸或絲杠上，而不是機床的最終運動部件。第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五1．性能特點（1）對加工對象的適應性強，靈活性好；（2）加工精度高，避免了人為的干擾因素，產品質量穩(wěn)定；（3）生產效率高；（4）良好的經濟效率；（5）自動化程度高。2．使用特點（1）對操作、維修人員的要求高。（2）對夾具和刀具的要求。夾具：單件生產，通用夾具；批量生產，專用夾具。刀具：較高的精度、壽命合計和尺寸穩(wěn)定；可實現(xiàn)機外預調、快速換刀；很好的控制切屑的折斷、卷曲和排出；冷卻性能好。五、數控機床的特點第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五六、數控機床的適用范圍（1）多品種小批量生產的工件；（2）形狀結構復雜的工件；（3）頻繁改型的工件；（4）價值昂貴的關鍵工件；（5）急需工件；（6）批量較大且精度要求高的工件。第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)數控機床程序編制

一、數控編程的內容和步驟1．內容:程序編制的過程是把工件加工所需的數據和信息（如工件的材料、形狀、尺寸、精度、加工路線、切削用量、數值計算數據等）按數控系統(tǒng)規(guī)定的格式和代碼，編寫程序。之后通過輸入裝置把程序輸入到數控裝置中，由數控裝置控制數控機床進行加工。第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2．步驟數控編程的步驟

第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五二、數控機床程序編制的方法1．手工編程對于一些形狀簡單的工件，軌跡坐標計算容易，數控程序短，在程序編制的過程中從工件的圖樣分析、工藝過程的確定、數值計算到編寫加工程序單等全過程一般都由人工完成，這樣既經濟又及時。2．自動編程對一些形狀復雜的非圓曲線、空間曲面、列表曲面等，編程需經過復雜的計算，手工編程就顯得十分繁瑣，且容易出錯，在這種情況下常需采用自動編程來完成，即編程的大部分或全部工作都是由計算機來完成。目前圖形編程軟件很多，如北航海爾的制造工程師V2、MasterCAM、UG和Ideas、Pro/E等軟件在國內模具加工等數控加工領域中都有應用。第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五三、數控編程的標準規(guī)定和代碼1．兩種編程標準

ISO(InternationalStandardOrganization)國際標準化組織標準；

EIA(ElectronicIndustriesAssociation)美國電子工業(yè)協(xié)會標準。結合我國國情，并根據ISO標準，我國制定了

JB3050-82、JB3051-82、JB3208-83等標準，分別對編碼字符、機床坐標及運動方向和功能代碼等作了規(guī)定。第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2、程序結構和程序段格式（1）程序結構一個完整的程序由程序號、程序的內容和程序結束三部分組成，下面就以CK6028車床上加工階梯軸的加工程序為例,具體說明程序結構、程序代碼的樣式與含義：第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（2）程序段格式程序段的格式是指程序段書寫規(guī)則，它包括機床所要求執(zhí)行的功能和運動所需要的所有幾何數據和工藝數據。一個零件的加工程序由若干以段號大小次序排列的程序段組成，每個程序段由以下幾部分組成：N程序段號G準備功能X、Y、Z坐標或增量值F進給速度M輔助功能S主軸轉速T刀具號從車床實例可看出：程序段由若干程序字組成，其中程序字包括由英文字母表示的地址符和跟隨其后的數字、字符組成。第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五**G指令又稱G功能指令、準備功能指令、G功能、G代碼。主要是指定數控機床的加工方式，為數控裝置的插補運算、刀補運算、固定循環(huán)等做好準備，如加工平面的選擇、刀具的補償、插補方式的選擇等任務。G指令由字母G和其后跟兩位數字組成，即從G00到G99共100種。**M指令又稱輔助功能指令、M功能、M代碼。主要是控制機床或系統(tǒng)的輔助功能動作。如切削液的開關、主軸的正反轉、程序的結束等功能。M指令由字母M和其后的兩位數字組成，即從M00到M99共100種。第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五**F、S、T功能利用字母F、S、T指令后面跟一個數值，分別指定進給速度、主軸轉速和所用刀具與刀具補償號，在一個程序段中，F(xiàn)、S、T均只能有一個，并將接受的代碼信息傳送給機床。F功能也稱進給功能，數控系統(tǒng)不同，F(xiàn)功能的表示方法也不同，用字母F后面跟一位、二位、三位、四位或五位數字表示，如跟兩位時的表示方式即為F××，其數值有的代表具體的進給數值，有的代表某種進給速度的編碼號。單位一般為mm/min，當進給速度與主軸轉速有關時（如車削螺紋）單位為mm/r。第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3、坐標系（1）坐標系規(guī)定我國制定了JB3051-82。規(guī)定直線運動的坐標軸由X、Y、Z表示，圍繞X、Y、Z軸旋轉的圓周進給坐標軸分別用A、B、C表示。對坐標軸和運動方向命名的內容和原則是：標準坐標系各軸之間的關系：在機床上建立一標準坐標系，也稱機床坐標系，其中坐標系中的X、Y、Z軸的關系用右手迪卡兒原則確定。大拇指指向X軸的正方向，食指指向Y軸的正方向，則中指指向為Z軸的正方向。A、B、C的方向由右手螺旋法確定。（2）絕對坐標和增量坐標：

絕對坐標：刀具運動軌跡的坐標值均以某一固定原點而標準的坐標，用X、Y、Z表示；

增量坐標：運動軌跡的坐標值是以相對于前一位置來計算的，用U、V、W表示（各種不同的系統(tǒng)不盡相同）。第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五四、編程實例加工工件圖樣第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五逐點比較法脈沖增量插補法數字積分法、比較積分法數據采樣插補法

第三節(jié)插補原理一、插補的定義二、常用的插補方法數控機床加工的零件，其外形往往由復雜的曲面組成，這就要求數控裝置根據控制指令和數據，一邊計算，一邊根據計算結果向各個坐標方向分配進給脈沖，從而控制刀具相對于工件表面的運動軌跡，把工件加工成所要求的形狀和尺寸。數控裝置所進行的這種計算就叫插補運算。第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五三、逐點比較法插補原理通過比較刀具與加工零件輪廓曲線的相對位置，確定刀具的運動方向，即每走一步都要將加工瞬時坐標同規(guī)定的零件輪廓相比較。每進給一步都要經過四個工作節(jié)拍：偏差判別、坐標進給、新偏差計算、終點判別。第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（1）偏差判別判別刀具當前位置相對于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動方向。（2）坐標進給根據偏差判別結果，控制刀具相對于工件輪廓進給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差。（3）新偏差計算由于刀具進給已改變了位置，因此應計算出刀具當前位置的新偏差，為下一次判別作準備。（4）終點判別判別刀具是否已到達被加工輪廓線段的終點。若已到達終點，則停止插補，否則繼續(xù)。第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五四、直線插補1．直線插補原理A)偏差判別

從上圖可看出，只要比較動點所連直線與X軸夾角和OE與X軸夾角的大小，即兩角度的正切值就可判斷出刀具下一步應沿X或Y運動及其方向，由此推出偏差判別函數：第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五B)坐標進給進給方向由偏差判別的結果決定，即F>=0，沿X正方向進給一步；F<0，沿Y正方向進給一步。C)新偏差計算起始點F=0，通過遞推運算可得新偏差計算公式如下：F>=0，沿X正方向進給一步：F<0，沿Y正方向進給一步：

D)終點判別終點判別可采用兩種方法：終點坐標法，即將動點作標與終點坐標進行比較，判斷兩者是否相等；總步長法，即首先求得總步長，每進給一步從總步長中減1，直至為0。第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2．直線插補軟件流程圖

逐點比較法第一象限直線插補軟件流程圖第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3．直線插補實例例：設欲加工第一象限直線OE，終點坐標為xe=3，ye=5，用逐點比較法加工直線OE。解：總步數n=3+5=8；開始時刀具在直線起點，既在直線上，故Fo=0，其插補運算過程如下表所示，插補軌跡見右圖。第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五五、圓弧插補1．圓弧插補原理偏差判別函數及進給令偏差判別函數為：，應進給，新偏差為

，應進給，新偏差為

B）終點判別圓弧的終點坐標判別與直線插補相同。第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2．圓弧插補軟件流程圖逐點比較法第一象限逆圓軟件流程圖

第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3．圓弧插補實例例：設AB為第一象限逆圓弧，起點為A（5，0），終點為B（0，5），用逐點比較法加工圓弧AB。解：n=|5–0|+|0–5|=10開始加工時刀具在起點，即在圓弧上，F(xiàn)o=0。加工運算過程見表5-4，插補軌跡見右圖第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五六、象限處理與坐標變換直線插補的象限處理直線插補四個象限進給方向

第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五四象限直線插補軟件流程圖如下圖所示：第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五2．圓弧插補的象限處理前面介紹的圓弧插補公式也只適合于第一象限的逆圓弧，若想處理其他象限的圓弧，需進行以下進給方向的處理。圓弧插補四個象限進給方向

第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五四象限圓弧插補軟件流程圖如圖所示：第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五

第四節(jié)數控機床的位置檢測裝置及伺服系統(tǒng)一、數控機床的位置檢測裝置1．位置檢測裝置的作用測出工作機構的實際位置，并將實際位置輸入計算機，以便和預先給定的理想位置相比較。2．數控機床伺服系統(tǒng)對位置檢測元件的要求（1）高的可靠性和抗干擾能力；（2）在機床執(zhí)行部件移動范圍內，能滿足精度與速度要求；（3）使用維護方便，能適應生產現(xiàn)場的工作環(huán)境；（4）成本低、壽命長；（5）便于與數控系統(tǒng)相連。第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3．位置檢測元件常用的位置檢測元件包括旋轉變壓器、感應同步器、光柵、光電盤、編碼盤等。（1）旋轉變壓器①旋轉變壓器的結構旋轉變壓器是一種測量角位移的檢測元件，其結構類似與小型交流電動機，由定子和轉子組成。如下圖所示：第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五②工作原理旋轉變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，定子繞組作為變壓器的一次側接受勵磁電壓，轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電動勢。一、二次繞組之間隨著轉子的角位移發(fā)生相對位置變化，因此其輸出電壓的大小也隨之變化。③工作方式旋轉變壓器的工作方式通常為鑒相和鑒幅兩種。鑒相工作方式是通過旋轉變壓器轉子繞組輸出電壓的相位確定被測角位移。鑒幅工作方式是通過旋轉變壓器轉子繞組輸出電壓的幅值確定被測角位移第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（2）光柵它是測量數控機床工作臺位移的光電檢測元件，主要由光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵和光敏元件組成，如圖所示：光柵標尺檢測位移

第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五（3）磁柵它是測量直線位移的一種數字式傳感器，按結構可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角度位移的測量。（4）脈沖編碼器它是一種光學式位置檢測元件，編碼盤直接裝在旋轉軸上，以測出軸的旋轉角度和速度變化，其輸出信號為電脈沖。第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五二、伺服驅動系統(tǒng)1．伺服驅動系統(tǒng)的作用完成機床移動部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）的位置和速度檢測。2．伺服驅動系統(tǒng)的分類伺服驅動系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)通常使用步進電機，而閉環(huán)通常使用直流伺服電機或交流伺服電機。按比較方式的不同，伺服驅動系統(tǒng)又可分為鑒相式伺服系統(tǒng)和鑒幅式伺服系統(tǒng)第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五3．鑒相式伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)及半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，其框圖如下所示：鑒相式伺服系統(tǒng)框圖第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五當以旋轉變壓器為測量元件組成的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如下圖所示：第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五4．鑒幅式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置測量信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進行比較構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其原理方框圖如下圖所示：鑒幅式伺服系統(tǒng)框圖

第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期五

第五節(jié)XH714立式加工中心電氣控制一、XH714立式加工中心的結構1．XH714立式加工中心介紹XH714立式加工中心是一種中小規(guī)格、高效通用的數控機床。該機床設有可容納20把刀具的自動換刀系統(tǒng)，并配有三菱MELDAS50數控系統(tǒng)，通過編程，在一次裝夾中可自動完成銑、鏜、鉆、絞、攻螺紋等多種工序的加工。若選用數控轉臺，可實現(xiàn)四軸控制。第58頁，共70頁，