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1、数控机床原理与应用实验指导书屈健康编西北工业大学实验一：数控车床原理与组成一.实验目的1 .了解数控车床的组成及工作原理。2 .了解数控系统常用部件的原理和作用。3 .读懂电器原理图，了解数控系统各部件之间的连接。4 .掌握数控车床编程的根本知识。二.实验仪器与设备CJK6032教学型数控车床一台三.实验内容1、感性认识数控车床数控系统的各组成局部。(1) 了解数控系统的各个组成部件及其原理或作用。(2) 了解数控车床数控系统各个组成部件之间的连接关系，认清各个信号线的来源和去向。2、根据电气原理图，熟悉数控车床数控系统各局部之间的连接关系，主要有以下局部：(1)强电局部(2)电源回路(3)交
2、流控制回路(4)直流控制回路(5)开关量输入、输出单元。(6)步进电机驱动单元。(7)数控装置与步进电机驱动器的连接关系。3、熟悉数控车床根本变成指令的使用(1)快速点位运动功能实现(图1)书写格式：GOOX-Z-；X、Z：目标点坐标绝对坐标值方式编程：G90；GOOX60Z40；增量方式编程:G91；GOOX20Z30；直线插补功能实现(图2)书写格式：GOlX-Z-F-；绝对坐标值方式编程：G90；GOlX30Z80F100；增量方式编程：G91；GOlX-60Z60F100；(3)顺时针圆弧插补功能书写格式：G02X-Z-I-K-F-；说明：DX、Z在绝对坐标方式时，圆弧终点坐标是其在编
3、程坐标系中的坐标值。2)I、K是圆心坐标。在绝对编程方式时，是圆心在编程坐标系中的坐标值；在增量方式时，I是沿X方向圆弧起点到圆心源新的距离，K是沿Z轴方向上圆弧起点到圆心的距离。3)用G02指令编程时，可以过象限，但不得超过180。4)由于坐标系的变换，G02的方向与人们日常顺逆时针相反。绝对坐标值方式编程：如图3G90；G02X120ZlO1120K60F50；增量方式编程：G91；G02X60Z-90160K-40F50；(4)逆时针圆弧插补功能的实现书写格式：G03X-Z-I-K-F-；说明：逆时针圆弧插补时，除圆弧运动方向相反外，其余和G02指令完全相同。绝对坐标值方式编程：如图4G
4、90；G03X240Z40180K60F150；增量方式编程：如图4G91；G02X120Z-1001-40K-80F150；图4(5)螺纹加工功能在加工螺纹时，螺纹的切削运动从粗加工刀精加工都是始终沿同一刀具轨迹重复进行的，当主轴上的位置编码器检测道义各零脉冲信号时螺纹切削运动才开始，保证切削螺纹的一致性。书写格式：G32X-Z-R-F-；R：表示螺纹切削的退尾量，R符号表示回退方向。F：表示导程。例图5加工m30xl.5圆柱螺纹,根据普通螺纹标准及加工工艺，确定该螺纹大径尺寸为030,牙为深0.97mm,确定三次吃刀量分别为0.7mm,0.4mm,0.4mmo加工程序为：01019；G90
5、G00X50Z120；G00X29.3Z101.5;G32Z19F1.5;G00X40;ZlOl.5;X28.5;G32Z19F1.5;G00X40;X50Z120;M02X(6)圆锥的切削对于如图6零件，锥的大端直径为030,小段直径为010,锥长为20m,吃刀深度位2mm,用绝对编程方法编程。NOOlG90；N002G92X40Z10；N003M03S800；N004M06T3；N005GOOX32Z0；N006GOlXOF80；N008GOOX26；N009GOlZOF330；NOlOGOlX30Z-20F100：NOllGOOZ0；N012GOlX22F330；N013GOlX30Z-
6、20F100；NOMGOOZ0；N015GOlX20F330；N016GOlX30Z-20；N017G28；N018G29；N019M05；N020M02；图64、编写图7所示零件的加工程序，并操作机床进行加工。图7零件图四、CJK6032教学型数控车床简介1、数控系统硬件结构框图(1) HC5905卡其主要功能如下：最多可支持8轴步进电机手摇脉冲发生器接口(本机未用)主轴编码器接口，采用16位可逆计数器(正转加计数，反转减计数)(2) HC5102卡32路光隔离开关量输入，采用TLP521-4隔离24路光隔离开关量输出，可直接驱动继电器，输出电压24V,输出电流W200mA0图8数控系统硬件
7、结构框图2、数控车床的操作面板CJK6032教学型数控车床的操作面板如图9所示：(1)电源钥匙开关合上总电源开关后，必须用钥匙翻开此开关，数控系统驱动电源，主电机电源才能接通。Mt敏华顿触财臬公司图10机床操作面板(2)急停按钮机床操作过程中，出现紧急情况时，按下此按钮，进给及主轴运行立即停止运动，CNC便进入急停状态。(3)超程解除按钮当某个轴出现超程，要退出超程状态时，必须松开急停按钮，一直按压着此开关，然后，在手动方式下，按下该轴的点动按钮，向相反方向退出超程状态。(4)快移按钮在手动方式下，假设同时按快移和某个轴的点动按钮，那么产生该轴的正向或负向快移运动。(5)工作方式开关本开关可选
8、择机床自动、单段、手动、步进、回参考点五种方式，自动方式。进给修调设定X5、X10、X30X50、X70、X100,六个位置。增量倍率设定XI、X10,XlO0、XlOOO四个信号，控制步进进给的倍率。(6)刀架选择在手动方式下把刀架手动移到平安位置，拨动刀架选择开关到对应的刀号(一共四把刀)再启动到刀架正转按钮，刀架就会转到所需要的位置，在自动方式下可直接运行换刀指令，实现在程序运行中自动换刀。(7)冷却冷却(在自动，手动下都有效)，开关是一个带锁的开关，按下冷却开/停按钮，冷却开，再按一下冷却关。(8)机床照明机床照明灯直接由灯座上的开关控制，电柜空开翻开，照明灯就可直接上电。(9)主轴在
9、手动方式下，按主轴正转键，主轴正转；按主轴反转键，主轴反转；按主轴停键,主轴停。(10)循环启动在自动加工方式下，选择“程序选择”主菜单键用光标选择，CR确认从内存调入加工程序，方式选择开关置于自动位置，按下循环启动按钮，自动加工开始，自动操作执行期间，按钮内指示灯亮。（三）进给保持.在自动运行过程中，“进给保持”键按下，机床运动轴减速停止，暂停执行程序;如按“循环启动”键，系统继续运行。(12)单段状态在“单段”状态下，自动运行将逐段执行，即运行一段后停止；循环启动后，执行一段又停止。(13)机床锁住在自动运行开始时，将“机床锁住”键按下，再循环启动，坐标位置信息变化，但机床不运动。这个功能
10、用于校验程序。(14) +X点动按钮在手动或增量(即步进，下同)进给方式下，按此按钮，X轴将产生正向移动，松开即减速停止，增量进给时，按压此开关并松开一次，产生增量进给一次，其位移量等于X轴最小设定单位乘增量倍率数(15) -X点动按钮功能同+X点动按钮，区别只在于对X轴产生负向移动。(16) +Z点动按钮功能同+X点动按钮，区别只在于对Z轴产生正向移动。(17) -Z点动按钮功能同+X点动按钮，区别只在于对Z轴产生负向移动。3、HNC-21T数控系统软件操作界面HNC-21T的软件操作界面如图11所示其界面由如下几个局部组成：(1)图形显示窗口。(2)菜单命令条。(3)运行程序索引。(4)选
11、定坐标系下的坐标值。(5)工件坐标零点。(6)辅助机能。(7)当前加工程序行。(8)当前加工方式系统运行状态及当前时间。(9)机床坐标、剩余进给。93S7图11 HNC-21T的软件操作界面系统功能的操作主要通过菜单命令条中的功能键Fl-FlO来完成由于每个功能包括不同的操作菜单采用层次结构即在主菜单下选择一个菜单项后数控装置会显示该功能下的子菜单用户可根据该子菜单的内容选择所需的操作如图12所示。当要返回主菜单时按子菜单下的FlO键即可。主菜单子菜单图12菜单层次HNC-21T的菜单结构如图13所示.程序选择(FI)参数索引(FI)自运行状态(F2)修改口令(F2)动程序校验(F3)参一输入
12、权限(F3),V W 2- 9M 3 -指示光，4光元件,S要动城路图6光栅尺结构原理图为了提高光栅的分辨率，通常还用4倍频的方法细分。所谓4倍频细分，就是将莫尔条纹来的每个脉冲信号，变为在0、口/2、n、3n2时都有脉冲输渝出，从而使精度提高了4倍。假设光栅栅距0.01mm,那么工作台每移动0.0025mm,系统就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅尺测量系统的分辨率不仅取决于光栅尺的栅距，而且取决于鉴相倍频倍数n,即分辨率=栅距/n（3）光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”
13、、“关”信号的器件。左图为典型的光电开关结构图。图7（左）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。图7（右）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体外表反射的光，没有物体时那么接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。本实验采用透射式的光电开关。图7光电开关结构原理图光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及平安装置中作为光控
14、制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，平安报警及计算机输入接口等。3,数控系统位置测量装置的应用正如绪论中所述，数控系统按有无测量装置分为开环数控系统和闭环数控系统，而闭环数系统根据测量装置中采样点的位置不同又可分为半闭环、全闭环两种。半闭环数控系统和全闭环数控系统的工作原理，此处不再赘述。全闭环数控系统工作原理示意图如图8（上）所示，半闭环数控系统工作原理示意图如图8（下）所示。(b)图8全闭环和半闭环结构示意图4 .提高伺服驱动系统精度的措施（1）齿隙补偿（反向间隙补偿）原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会引起电动机的空走补偿原理：对实际
15、间隙进行实测并保存，当工作台换向时增加输出脉冲进行补偿。（2）螺距误差补偿原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位置精度，需要进行补偿。补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应位置时根据误差分布进行补偿。实现方法：安置两个补偿杆按照螺距误差在补偿杆上设置档块工作台移动时行程开关与档块接触时进行补偿5 .插补算法插补的类型很多，有基准脉冲插补（又称脉冲增量插补）和数据采样插补（又称数字增量插补或时间标量插补）。其中，脉冲增量插补的方法包括逐点比拟法、最小偏差法、数字积分法、目标点跟踪法等，逐点比拟法是脉冲增量插补最典型的代表，它是一种最早的插补算法，其根本思想是以折线来逼近曲线（包括
16、直线）。逐点比拟法直线插补。Y-一 E(XaYe)/(XiJi)/-ok如图9所示，设被加工直线OA位 于XOY平面的第象限内，并假定直线 OA的起点O为坐标原点，终点A的坐 标为A（X, Yo ）,直线上任一加工点的 坐标为E（Xi,Yi） o直线插补的偏差判别函数为：F=XeYi-XiYe由F的数值就可判别出E点与直线的相对位置：当F20时，点E在直线上或上方，沿+X向输出一步（一个步距）。当F0时，点E在直线下方，图9直线插补示意图沿+Y向输出一步（一个步距）。逐点比拟法直线插补终点的判别是：当两个方向所走的步数和终点坐标丸（X,Y）值相等时，数控系统发出终点到达信号，停止插补。逐点比拟
17、法圆弧插补。如图/0所示，第一象限XoY平面内逆时针走向的圆弧AB,半径为R,以原点为圆心，其起点A的坐标为（Xo,Yo）,圆弧上任一加工点P的坐标为（Xi，Yj）o对于笫一故PHSIMAB,圆弧插补偏差判别函数为：Fij=（X”X：）+（Yj2Y；）由Fij的数值就可判别出P点与圆弧的相对位置1）当Fij20时，点P在圆弧外或圆弧上，沿X向输出一步，即向圆内走一步（一个步距）；图10圆弧插补示意图2）当Ej200OXC.全局（程序）缓冲区指令（能储存的）A. 运动程序：OPENPROG3,OPENPLC7位移，模式切换，数学运算，逻辑运算，指令，messagesB. PLC程序数学运算，逻辑
18、运算，指令，messagesC.旋转缓冲区缓冲区指令必须在缓冲区翻开的时候才能写入。电机手动运行（JOG） Jog模式是PMAC闭环运动的最简单形式。 Jog运动是在线指令控制的 Jog能够用来作为简单的定位 Jog可以使电机象主轴一样以确定的速度做（位置）不确定的运行 电机必须首先以#n这种在线指令选址（即确定为当前轴） 根本的jog指令：J+Jog正向连续运动J-Jog反向连续运动J/Jog运动停止（或者闭环）J=JOg返回前一个JOG的（或上一个编程）位置J=常数Jog到指定的位置（单位是脉冲counts）JX常数Jog从当前实际位置运动指定的距离J：常数JOg从当前指令位置运动指定的距
19、离J=*Jog运动一个变量（PMAC的内存地址）J=常数或*常数一Jog直到触发例：#1电机增量进给IoOo个脉冲。#1J:1000运动程序功能在于每一个伺服周期内计算出电机的连续指令位置,然后发送数据到轨迹发生器。运动程序必须在实际指令运动之前进行计算,保证轨迹发生器接收数据.个坐标系在某时刻只能运行一个程序在同一个坐标系里,一个运动程序可以象子程序一样调用任何其他的运动程序.运动程序或者PLC程序可以写成任何文本文件然后通过PMAC执行软件PEWIN32PR0下载到PMAC.下面是一个小程序用标准的G代码编写:；*电机和坐标轴设定*&1CLOSE#1-2OOOX#3-2000Y;OPENP
20、ROG3CLEAR;指定坐标系1;保证所有缓冲区关闭；电机1指向X轴，1个编程单位代表Imm；电机3指向丫轴，1个编程单位代表Imm;翻开缓冲区3;擦掉缓冲区显存内容；*运动程序*G17G90；指向XT平面，绝对运动模式GOOFlOX15Y60；快速运动模式，运动到点（15,60）；进给速度GOlX15Y195；直线插补G02X75Y195130JO;顺时针圆弧插补GOlX75Y120G03X120Y75145JO;逆时针圆弧插补GOlX195Y75G02X195Y15IOJ-30;GOlX60Y15;G02X15Y60IOJ45;CLOSE;关闭缓冲区，程序结束；*宏定义，用G代码表示PMA
21、C指令*OPENPROG1000CLEARRAPIDRETURN;NlOOOLINEARRETURN;N2000CIRCLE1RETURN;N3000CIRCLE2RETURN;N4000READ(P)；延时指令If(Q100&32768O)DWELL(Ql16*1000)EndIfRETURNNl7000NORMALK-IRETURN;指定X-Y平面N90000ABSRETURNN91000INCRETURNRETURNCLOSECLOSE运行&1B3R即可执行，曲线显示如图/32252101951801651501351201059075604530150 6 15 30 45 60 75 90105120135150165180195210225246图13实时显示曲线六、实验总结 画出此开放式数控平台的结构框图，简述与普通数控系统区别 列举此数控平台的主要部件，并简述其作用 画出此数控平台的电气连线图（见附录D 测量反向间隙，并简述补偿方法 用PMAC指令或者G代码编写简单的运动程序，分析直线插补和圆弧插补与步距之间的关系附录1
