刀具补偿数控技术大作业.doc

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1、 目 录第1章 序 言第2章 数控系统的发展过程和趋势2.1数控系统的发展过程2.2数控系统的发展趋势第3章 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析3.1 国外数控系统功能介绍与应用分析3.1.1 FANUC 数控系统63.1.2 西门子SINUMERIK 840D3.2 国内数控系统功能介绍与应用分析3.2.1 华中数控HNC-210AT数控装置3.2.2 广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统第4章 国内外数控系统比较及差距分析4.1 国内外数控系统比较4.1.1 FANUC公司数控系统的产品特点4.1.2 西门子公司数控系统(SIEMENS)的产品特点4.1.3 华中数控系统的产品特点

2、4.2 我国数控系统与国外数控系统的差距参考文献第一章 序 言数控即数字控制(Numerical Control，NC)。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。第二章 数控系统的发展过程和

3、趋势21数控系统的发展过程为了满足多品种、小批量的自动化生产，并适应随着科学技术和社会生产的不断发展所要求越来越高的机械产品的质量和生产率，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下产生与发展起来的。它极其有效地提高了产品质量，大大提高了生产率，并为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。随着电子技术的发展，1946 年世界上第一台电子计算机问世，由此掀开了信息自动化的新篇章。1948 年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司(Parsons Co.)在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，提出了采用电子计算机对加工轨迹进行

4、控制和数据处理的设想，后来得到美国空军的支持，并与美国麻省理工学院(MIT)合作，于1952 年研制出第一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管器件，逻辑运算与控制采用硬件连接的电路。1955 年，该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。这时数控机床的控制系统(专用电子计算机)采用了电子管，其体积庞大，功耗高。此种机床仅在一些军事部门中用于加工普通机床难以加工的形状复杂的零件。这是第一代数控系统。1959 年晶体管出现，电子计算机应用了晶体管器件和印制电路板，从而使机床数控系统

5、跨入了第二代。1965 年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小、功耗降低及可靠性提高，但它仍然是硬件逻辑数控系统。数控系统发展到第三代。以上三代，都属于硬件逻辑数控系统，称为NC 系统。由于点位控制的数控系统比轮廓控制的数控系统要简单得多，在该阶段，点位控制的数控机床得到大发展。有资料统计，到1966 年，世界上实际使用的6000 台数控机床中，85%是点位控制的数控机床。1970 年，美国芝加哥国际机床展览会首次展出用小型计算机控制的数控机床，这是世界上第一台计算机数字控制(CNC)的数控机床。数控系统进入第四代。20 世纪70 年代初，随着微处理机的出现，美、日、德等国都

6、迅速推出了以微处理机为核心的数控系统，这样组成的数控系统，称为第五代数控系统，即MNC 系统。在近20多年内，生产中实际使用的数控系统大多为第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20 世纪90 年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，个人计算机(PC)的发展尤为突出，无论是其软、硬件还是外围器件，都得到了迅速的发展，计算机采用的芯片集成化程度越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大、中型机上才能实现的功能现在微型机上就可以实现。美国首先推出了基于个人计算机的数控系统，即PCNC系统，它被划入所谓的第六代数控系统。目前，世界主要工业发达国家的数控机床

7、已进入批量生产阶段，如美国、日本、德国、法国等，其中日本发展最快。1977 年时，日本年产数控机床5400 多台，到1985 年，日本产数控机床约为50000 台，数控化率约为70%，居世界第一位。我国1958 年试制成功第一台电子管数控机床，并从1965年开始研制晶体管数控系统，到20世纪70年代初曾研究出数控劈锥铣床、非圆插齿机、数控立铣床、数控车床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。这一时期国产数控系统的稳定性、可靠性问题尚未得到很好地解决，因而也限制了国产数控机床的发展。而数控线切割机床由于其结构简单、价格低廉、使用方便，得到了较快的发展，据资料统计，19731979 年期间，我国共生产

8、数控机床4108 台，而其中数控线切割机床就占了86%左右。2.2数控系统的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了五十多年的历程。近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。总体上讲，目前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面： 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展。 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。 向PCbased化和开放性方向发展。 出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展。 信息技术(IT)与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展。 纳米技术将形成新发展

9、潮流，并将有新的突破。 节能环保机床将加速发展，占领广大市场。第三章 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析3.1 国外数控系统功能介绍与应用分析3.1.1 FANUC 数控系统6FANUC 数控系统6，是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC 系统，分成6M与6T 两个品种，它们的硬件部分是通用的，只变更其部分软件来获得不同功能，6T 适用于车床，6M 适用于铣床和加工中心。FANUC数控系统6 的特点主要包括：(1) 可靠性高。由于使用了大容量磁泡存储器、大规模专用集成电路和高速微处理器，而且在制造过程中采用严格筛选，使用自动检测器进行自动检测以及环境试验等措施，大大提高了电路的可靠性。为

10、了提高动作的可靠性，该系统还备有数据奇偶校验、程序对比校验和时序校验等校验功能。(2) 适用于高精度、高效率加工，最小脉冲当量为1 m或0.001in，具有提高加工精度的间隙补偿和丝杠螺距误差补偿功能；还有自动监视和自动补偿伺服系统漂移的功能；有自动监视误差寄存器的静态误差与动态误差的功能；备有高效率的随机选择自动换刀机构和纯电气式的主轴快速定向控制系统；有控制主轴电动机转速、确保切削速度不变的恒速切削控制；还有为缩短加工时间的许多固定循环。(3) 容易编程。备有由用户自己制作特有变量型子程序的用户宏功能；有不必预先计算就能够直接指定刀尖设定点的刀尖半径补偿功能；能用图样标记半径值直接指令的圆

11、弧补偿；还有便于某些交换工作台机械编程的返回第2 参考点功能，只需指定精加工尺寸就可以自动进行粗切削、精切削的复合型固定循环。(4) 容易维护保养，现场调试方便。能够使用微处理器进行CNC系统内部监视，能判断160 种(6M)或130 种(6T)停车故障；确认CNC 系统的所有输入/输出开关信号的显示值或输出值，能发现数控柜和机床强电柜的故障；间隙补偿量、螺距误差补偿量、伺服系统时间常数等参数可简单地用MDI输入设定。(5) 操作性好，使用安全。大容量磁泡存储器，具有最大320m 控制带的存储、编辑功能，用程序号检索可以调出所需程序进行加工，具有相当于DNC 的功能；使用CRT 显示器能确认程

12、序内容、偏移量的设定与变更和各种动作的状态，加上手动操作，大大提高了操作性能；使用带小数点的数字表示尺寸或位置可以防止眼误；具备便于工程管理、刀具寿命管理的累计使用时间显示功能等；为了保护所存入的程序，使用带“锁”的键输入；为防止刀具与工件冲撞，使用了存储式限位开关，设置刀具禁入区域。3.1.2 西门子SINUMERIK 840DSINUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统SINuMERIK 880和840C的三CPU结构：人机通信CPU(MMC-CPU)、数字控制CPU(NC-CPU)和可编程逻辑控制器CPU(PLC-CPU)。三部分在

13、功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU和PLC-C P U合为一体，合成在NCU(Numerical Control Unit)中，但在逻辑功能上相互独立。SINUMERIK 840D的特点主要包括：(1)数字化驱动。在SINUMERIK 840D中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。(2)轴控规模大。最多可以配31个轴，其中可配10个主轴。(3)可以实现五轴联动。SINUMERIK 840D可以实现X、Y、Z、A、B五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。(4)操作系统视窗化.SINUMERIK 840D采用Windows95作为操作平台，

14、使操作简单、灵活，易掌握。(5)软件内容丰富功能强大。SINUMERIK 840D可以实现加工(Machine)、参数设置(Parameter)、服务(Services)、诊断(Diagnosis)及安装启动(Startup)等几大软件功能。(6)具有远程诊断功能。如现场用PC适配器、MODEM卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D与异域PC机通信，完成修改PLC程序和监控机床状态等远程诊断功能。(7)保护功能健全。SINUMERIK 840D系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。(8)硬件高度集成化。SINUMERIK 840D数

15、控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。(9)模块化设计。SINUMERIK 840D的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接更加简单。(10)内装大容量的PLC系统。SINUMERIK 840D数控系统内装PLC最大可以配2048输入和2048输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。(11)PC化。SINUMERIK 840D数控系统是一个基于PC的数控系统。3.2 国内数控系统功能介绍与应用分析3.2.1 华中数控HNC-210AT数控装置该系列产品是华中数控系统中的高端产品，采用一体化模具设计，工程操作面板

16、采用独立安装的形式。集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，支持远程I/O扩展功能，采用电子盘程序存储方式以及CF卡、USB盘、DNC、以太网等程序扩展及数据交换功能，8.4/TFT彩色液晶显示屏。最大控制轴数：3轴，主要应用于数控车床和车削加工中心。HNC-210AT数控装置主要特点包括：（1）可选配各种类型的脉冲接口式交流伺服驱动单元（闭环、半闭环）或步进驱动单元（开环）。（2）主轴单元可选配伺服主轴单元、变频主轴单元，编码器接口，带脉冲量接口。（3）汉字菜单、全中文界面、中文参数系统，故障监控、故障诊断与报警，历史故障记忆，能显示机床坐标系、工件坐标系、相对坐标系

17、、实时跟踪误差、实时剩余进给量、指令位置、实际位置实时显示等，操作简便，易于操作者监控实时坐标动态。（4）加工图形显示和仿真（三维彩色图形实时动态显示刀具轨迹和零件形状）。（5）具有加工程序编辑功能,可全屏幕编辑、支持后台编辑功能（选件）。还提供高级编辑功能，如块定义、块操作（删除、拷贝、粘贴等）、行删除、查找、替换以及光标快速定位文件的头尾等功能.(6) 加工断点保存与恢复功能，程序跳段功能，选择停功能，可从指定的任意行运行加工。(7) 支持反向间隙补偿、单向螺距误差补偿和双向螺距误差补偿功能，补偿点数128点。(8)支持跟踪误差允差设定与报警、定位允差设定与报警功能，轮廓误差示波器。(9)

18、小线段连续加工功能，特别适合于CAD/CAM设计的模具和零件加工。(10)支持手持单元（包含电子手轮、轴选择波段开关、倍率选择波段开关、使能开关、急停按钮、弹簧电缆等）。(11)具有USB接口可热插拔、硬盘接口，可装载和存储巨量加工程序。3.2.2 广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统GSK27系统是广州数控承担国家高档数控装置开发重大专项项目的结晶，是广数依托自己的成熟的数控研发技术、工业现场总线技术、制造技术等的最新成果。系统采用多处理器实现nm级控制；人性化人机交互界面，菜单可配置，根据人体工程学设计，更符合操作人员的加工习惯；采用开放式软件平台，可以轻松与第三方软件连接；高性能硬

19、件支持最大8通道，64轴控制。GSK27全数字总线式高档数控系统主要特点包括：(1)开放式数控系统平台，对第三方软件有很好的支持；(2)多通道、多轴联动控制；(3)采用高性能处理器实现纳米级控制；(4)支持各种常用编程软件的刀具路径程序；(5)电子手轮可手动控制各进给轴；(6)具有三维刀具补偿；(7)具有旋转刀具中心点编程；(8)具有远程诊断技术；具有三维仿真技术。第四章 国内外数控系统比较及差距分析4.1 国内外数控系统比较 4.1.1 FANUC公司数控系统的产品特点：（1）结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。（2）采用专用LSI，以提高集成度、可靠性，减小体积和降低成

20、本。（3）产品应用范围广。每一CNC装置上可配多种上控制软件，适用于多种机床。（4）不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆等。（5）CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）。（6）在插补、加减速成、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能：插补功能：除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极其坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、样条插补等。切削进给的自动加减速功能：除插补后直线加减速，还插补前加减速。补偿功能：除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿线性度补偿以及各新的刀具补偿功能。故障诊断功能

21、：采用人工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。（7）CNC装置面向用户开放的功能。以用户特订宏程序、MMC等功能来实现。（8）支持多种语言显示。如日、英、德、汉、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麦语等。（9）备有多种外设。如FANUC PPR， FANUC FA Card，FANUC FLOPY CASSETE，FANUC PROGRAM FILE Mate等。（10）已推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC通过该接口实现与上一级计算机通信。（11）现已形成多种版本。FANUC 系统早期有3系列系统及6系列系统，现有0系列、10/11/12系列、15、16、18、21系列

22、等，而应用最广的是FANUC 0系列系统。4.1.2 西门子公司数控系统(SIEMENS)的产品特点：SIEMENS公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。随着微电子技术的发展，越来越多地采用大规模集成电路(LSI)，表面安装器件(SMC)及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。采用SIMATICS系列可编程控制器或集成式可编程控制器，用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话功能，具有多种语言的显示。 SIEMENS公司CNC装置主要有SINUMERIK388108208508

23、80805802840系列。4.1.3 华中数控系统的产品特点： 华中数控系统是基于通用PC的数控装置，是武汉华中数控股份有限公司在国家八五、九五科技攻关的重大科技成果。华中数控系统发展为三大系列：世纪星系列、小博士系列、华中I型系列。而华中I型系列为高档高性能数控装置，为满足市场要求，开发了世纪星系列、小博士系列高性能经济型数控装置。世纪星系列采用通用原装进口嵌入式工业PC机，彩色LCD液晶显示器，内置式PLC，可与多种伺服驱动单元配套使用；小博士系列为外配通用PC机的经济型数控装置。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的特点。4.2 我国数控系统与国外数控

24、系统的差距随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。然而，由于我国原有数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差，技术积累较少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产中高档数控系统在性能、功能和可靠性方面与国外相比仍有较大的差距，限制了数控系统的发展。为此需要政府、科研院所和制造商共同努力，推进我国中高档数控系统的发展。参 考 文 献1.王永章，杜君文，程国全.数控技术.北京：高等教育出版社，2001.2.徐伟，刘朝明

25、. 数控系统发展趋势的研究期刊论文 制造业自动化2009,31(9)3.王虎军. 国内外数控系统发展现状研究期刊论文 科学大众 科学教育 2011(11)4.邹伟平，吴再兴. 数控技术的现状及发展趋势期刊论文 林业机械与木工设备 2006,34(3)5.数控市场：竞争激烈 四大差距期刊论文 机械工程师 2006(11)题目三 DDA法椭圆插补如图所示，椭圆的参数方程可表达为：x = acost ，y = bsint。式中：a 椭圆长轴半径；b 椭圆短轴半径；t 参数角。设要在第一象限内逆圆加工一段椭圆曲线，起点为、终点为。当前点的坐标为（，），经过参数角后，下一点的坐标为（，）。对参数方程求微

26、分：dx = -asintdt = - ydtdy = -costdt = - xdt因而，从到两坐标的增量可近似写作：x = -ydt = -kydt y = xdt=kxdt仿圆弧插补DDA，设累加器为n 位，则k 。得椭圆的插补公式为：x=-y=椭圆插补的步骤如下：(1) 运算开始，x 轴y 轴被积函数分别存放其初值，即y ,x 。总步长,;(2) x 轴累加器得出的溢出脉冲发送-x 方向，而y 轴累加器得到的溢出脉冲送到+ y 方向；(3) 某一轴发出一个进给脉冲后，必须将该轴被积函数的坐标值加以修正。例如：当x 轴方向发出进给脉冲时，y 轴的被积函数中的x 坐标值减1而后乘，当y 轴

27、方向发出了一个进给脉冲时，x轴的被积函数的y 坐标加1 而后乘。(4) 终点判别：每次累加后，用，与椭圆终点坐标曲线作比较。当某个坐标轴到终点，该轴不会有脉冲发出，当两个坐标轴都达到终点时，则插补结束。椭圆DDA 插补实例设有一椭圆，长半轴a = 10 ，短半轴b = 6 ，自起点A（10 ，0），终点E（0， 6）逆圆加工，试用DDA插补此段圆弧。按照上述插补方法及步骤，设寄存器整数部分占4 位，小数部分占4 位，共8 位，满16 溢出。插补的轨迹如下图所示。插补过程如表所示：DDA 椭圆插补运算过程nx积分器y积分器JVXJRXJJVYJRYJ00001060061000106606200

28、01061206300010616+2154010680550106140565010616+41470106100480106161395196603105095.411.403115095.416+0.81212185.46.202138084.8110214084.815.80215174.816+4.61116074.28.8011716+6164.2130118063.616+0.6101910153.6停止迭代 002010143002110042.4002210132.4002310121.8002410021.2002510111.2002610011.2002710100.6002810停止迭代000.600注：，为终点计数器。