机械系车床技术工毕业论文

数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析摘要：高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动，其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法，并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置，并用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。关键词：旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0 前言高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统（即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节，把传动链的长度缩短为零。）广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单，运行可靠，通过在结构上采取措施，如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等，可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2，重量轻60%，转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到，传统驱动系统由于传动环节的存在，控制环节的受力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直接驱动伺服系统，负载与控制环节之间几乎是直接相联，没有传动链的缓冲，因此控制环节受力较大，对扰动比较敏感，这可能会对系统的动态性能造成影响；同时，摆头与转台的特点是要承受低速大负载，因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此，对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言，其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制，其建立控制模型的基础是经典控制理论，即对系统使用传递函数加以描述，将某个单变量（如转速等）作为输出，直接和输入（如电压等）联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量，而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的，因而不能包含系统的所有信息，不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统，其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反映系统全部独立变量的变化，确定系统全部内部运动状态，方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系，尤其适合应用于非线性、多输入－多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型，并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析，为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系（d－q轴系）中永磁同步电动机定子磁链方程为：（1）其中：——转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感；、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为： （2）其中， 、——定子电压矢量us的d、q轴分量；w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为： （3）电动机转矩系数Kt 为：Kt ＝ pmyr此外，电动机系统还要满足基本运动方程：（ 4）其中，n ——电动机转速；wr ——转子机械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制，一般要求id=0，但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等于0，但id的实际值并不一定总是等于0（特别是在动态过程中）。同时，ud的实际数值也不会等于0。因此，必须将ia也作为状态变量，将md 也作为控制变量，由控制器根据所有状态变量（包括id）的取值进行控制。因此取状态变量 ，q 为转子位置角。将（1）式带入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，则永磁同步电机的状态方程为( ) ：(5)由此可见，该系统是一个非线性时变系统，且在系数矩阵中含有wr，id，iq状态变量的交叉相乘项，因此需要进行系统解耦，令因此采取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系统可化为线性系统。取ud，uq 为控制量，负载转矩TL 作为扰动处理，因此单独提出，则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式，则原系统化为：(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下：则系统状态空间方程为： 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型，系统的传递矩阵为： 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得，系统的能控矩阵秩为4，满秩，则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4，满秩，则系统状态是完全可观测的。 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统，其系统稳定的充分必要条件是：系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'= *[0 - + ]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零，因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4，满秩，因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是：首先求一状态反馈，使得其闭环系统对某一输入（例如第一个输入）是能控的，再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为： *[ + ]（1）构造Q、S 矩阵。，由系统可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 为Q-1 的最后一行向量。（2）先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为，所期望的特征多项式为，则增益阵为:（3）求化为能控标准型的变换矩阵T，即则增益阵返回原坐标系为（4）使原系统（A，B）实现极点配置的状态反馈为: 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应：图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）：图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见，通过极点配置使系统稳定，且对各种输入信号的响应有很大改善，具有很好的跟踪性能，这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统，可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来，并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型，运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算，分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性，通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定，使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。参考文献：[1] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.[2] 张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[3] 李三东,薛花.基于Matlab永磁同步电机控制系统的仿真建模[J].江南大学学报,2004,(2):115-120.[4] 杨平,马瑞卿,张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统的建模仿真方法 [J].沈阳工业大学学报,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇启春,张建军,杜京义.现代控制理论基础[M].北京大学出版社,2006.[6] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社,2006国物流管理逐渐走向社会化和供应链化的形势下，必须接合具体企业的物流运作管理实际，根据精益物流的基本原则和企业信息化状况，通过理论与应用的研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上不断修改和完善，不断地进行研究和实践，以此来推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考文献：[1] 乌跃.论精益物流系统[J].中国流通经济,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麦克, (英)丹尼尔·T. 琼斯, 沈希瑾,张文杰,李京生.精益思想:消灭浪费,创造财富[M].北京:商务印书馆,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都经济贸易大学出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技术,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4): 在机床数控改造中的典型应用邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0 前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5～6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M]

河北师范大学职业技术学院毕业论文 数控车床加工程序的优化问题 (针对 Faunc-0i-MateTc 进行分析) 我们在数控车上加工的零件主要还是以回转件为主,其加工精度一般都比较高,而往往加工精 度高出废品率也比较高. 那么我们如何才能保证高的精度而出废品率低?当然要达到高精度低废品 率的要求需要考虑的各方面的原因,而本论题主要是侧重于从程序这一角度来分析.旨在使车床编 程人员在满足工艺要求的前提下, 编制出即简洁, 运算量小又能使机床损耗小, 刀具磨损小的程序. 一, 简析数控车床的工艺方面问题编制数控机床加工零件程序需要处理一系列的工艺问题. 在普通机床上加工零件的工艺实际上 就是一个工艺卡片,机床加工的切削用量,走刀路线,工序内的工步安排等,往往都是操作工人自 行决定.而数控机床是按程序进行加工的.因此加工中的所有工序,工步,每道工序的切削用量, 走刀路线,加工余量,以及所用刀具的尺寸,类型等都要预先确定好并编入程序中.为此要求一个 合格的编程人员首先应该是一个很好的工艺员,并对数控机床的性能,特点和应用,切削规范和标 注刀具系统非常熟悉.否则就无法做到全面,周到地考虑零件加工全过程,无法正确,合理地确定 零件加工程序.其加工工艺主要包括:机床加工的切削用量,工序划分及安排,走刀路线,加工顺 序等. 切削用量的选择切削用量的选择:数控加工零件时,其切削用量都预先编到加工程序里面,在正常的情况下是 人工部允许变动的.只有在试切削或是出现异常情况时,才允许通过速度调节或是电手轮调节其切 削用量.因此程序中所选的切削用量一般是最合理,最优化的.这样才可以提高其数控加工机床的 加工精度,刀具寿命和生产率,降低加工成本. 影响数控加工切削用量的因素有: (1)机床 切削用量的选择必须在机床主传动功率,进给传动功率,主轴转速范围之内.机床刀具工 件系统的刚性是限制切削用量的重要因素. 切削用量的选择使机床—刀具—工件系统部发 生较大的颤动.对于热稳定性好,热变形小,刚性好的数控机床,可以适当加大切削用量. (2)刀具 刀具材料是影响切削用量的有一重要因素.常用的刀具材料有高速钢,硬质合金,陶瓷和 金刚石.金刚石刀片性能最好,允许很高的切削速度,耐磨性好,硬度高,硬度随温度变 化小.数控机床所采用的刀具多是部刃磨可换刀片(机夹刀片)机夹刀片的材料,形状和 尺寸,必须与程序中切削速度和进给量相适应并存入刀具参数里面.对于标准刀片的参数 可参考有关的手册或是产品样本. (3)工件 加工工件的材料不同,所选用的刀具材料,刀片的类型也不同.要注意其可切削性.优良 的切削性能的标志:在高的切削速度下,有效的形成切屑,较小的饿道具磨损,良好的表 面加工质量采用较高的切削速度, 较小的背吃刀量和进给量, 可以获得较好的表面粗糙度. 采用合理的恒切削速度,较小的背吃刀量和进给量,可获得较高的加工精度.工件的测量 除首件全面检验外,应隔一段时间对工件的重要尺寸进行检验,控制刀具的磨损量及时进 行刀具的补偿或更换刀片. (4)冷却液 冷却液具有冷却和润滑的作用. 冷却液能带走切削过程中产生的热量, 降低工件, 刀具, 夹具和机床的升温, 减少刀具与工件的摩擦与磨损, 提高刀具寿命和工件的表面加工质量. 使用冷却液还能提高切削用量.冷却液必须定期更换,以防老化,腐蚀机床导轨或其他零 件. 工序划分的安排 (1)刀具的集中分序法 该法是按所用刀具来划分工序的方法.用同一把刀完成零件上所所有可第 1 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 以完成的部位.再用第二把刀,第三把刀完成他们可以完成的部位.这样可以减少换刀 的次数,压缩空行程时间,减少不必要的定位误差. (2)粗精加工分序法 对于单个零件要先粗加工,半精加工,而后在精加工.对于一批零件要, 应先全部进行粗加工,半精加工,最后在进行精加工,且粗,精加工之间最好先隔一段时 间以使粗加工后的零件的变形得到充分地恢复,然后再进行精加工以提高零件的加工精 度. (注:尤其是对于易变形的零件或是对精度要求较高的零件必须将粗,精加工放在不 同的工序下进行. ) (3)按加工部位分序法 一般是先加工平面,定位面,后加工孔;先加工简单的几何形状,再加 工复杂的几何形状;先加工精度低的部位,再加工精度高的部位. 加工路线的选择原则及加工顺序的安排加工路线的安排及确定 加工路线是指数控机床加工过程中刀具的运动轨迹和方向. 每一道工 序的加工路线的确定都是非常重要的,因为它影响着零件的加工精度及表面粗糙度.其加工路线的 总体划分原则为:保证加工精度及粗糙度,使得空行程最少及加工路线最短,计算也要方便.但是 在加工路线的确定中还需考虑以下几点: (1)应尽量减少进,退刀时间和其他辅助时间. (2)选择合理的进,退刀位置,尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给中途停顿,且进,退刀的 位置应选在不重要的位置上. (3)加工路线一般是先加工外轮廓,然后再加工内轮廓. . 加工顺序的安排 重点是为了保证定位夹紧时工件的刚性和保证加工精度.一般可按以下原 则来进行: (1)上道工序加工部影响下道工序的装夹(特别是定位) (2)以相同的装夹方式或同一把刀加工的工序尽可能采用集中的连续加工,减少重复装夹,更 换刀具等辅助时间. (3)同一次安装中的加工内容,以对零件刚性小的内容先行. 指令及其插补方式概 及其插补方式概述 二, 车床数控系统的 G 指令及其插补方式概述 车床数控系统常用 G 指令 1,快速定位 G00 格式:G00 X(U)_ Z(W)_ 说明:X,Z:为绝对编程时,快速定位终点在工件坐标系中的坐标;U,W:为增量编程时, 快速定位终点相对于起点的位移量;G00 指令刀具相对于工件以各轴预先设定的速度, G00 指令中的快移速度由机床参数 "快 从当前位置快速移动到程序段指令的定位目标点. 移进给速度"对各轴分别设定,不能用 F 规定. 注意: 在执行 G00 指令时,由于各轴以各自速度移动,不能保证各轴同时到达终点,因而联动直线轴 的合成轨迹不一定是直线.操作者必须格外小心,以免刀具与工件发生碰撞.常见的做法是,将 X 轴移动到安全位置,再放心地执行 G00 指令. G00 一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀.快移速度可由面板上的快速修调按钮修正. G00 为模态功能,可由 G01,G02,G03 或 G32 功能注销. 2,直线插补 G01 格式: G01 X(U)_ Z(W) _ F_ ; 说明: X,Z:为绝对编程时终点在工件坐标系中的坐标;U,W:为增量编程时终点相对于起 点的位移量;F_:合成进给速度.G01 指令刀具以联动的方式,按 F 规定的合成进给 速度,从当前位置按线性路线(联动直线轴的合成轨迹为直线)移动到程序段指令的终点. 第 2 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 G01 是模态代码,可由 G00,G02,G03 或 G32 功能注销. 3,圆弧进给 G02/G03 格式: G02X(U)_Z(W)_I_K_F 说明:G02/G03 指令刀具,按顺时针/逆时针进行圆弧加工.圆弧插补 G02/G03 的判断,是在 加工平面内,根据其插补时的旋转方向为顺时针/逆时针来区分的.加工平面为观察者迎 着 Y 轴的指向,所面对的平面. 注意: ①G02: 顺时针圆弧插补; G03: 逆时针圆弧插补; ②X, Z: 为绝对编程时,圆弧终点在工件坐标系中的坐标; ③U,W: 为增量编程时,圆弧终点相对于圆弧起点的位移量; ④I, K:圆心相对于圆弧起点的增加量(等于圆心的坐标减去圆弧起点的坐标,在绝对,增量编程 时都是以增量方式指定,在直径,半径编程时 I 都是半径值 R:圆弧半径,F:被编程的两个轴的 合成进给速度; 4,螺纹切削 G32 格式:G32 X(U)__Z(W)__ F__ 说明:X, Z: 为绝对编程时,有效螺纹终点在工件坐标系中的坐标; U,W: 为增量编程时,有效螺纹终点相对于螺纹切削起点的位移量; F: 螺纹导程,即主轴每转一圈,刀具相对于工件的进给值; 注意: ①从螺纹粗加工到精加工,主轴的转速必须保持一常数; ②在没有停止主轴的情况下,停止螺纹的切削将非常危险;因此螺纹切削时进给保持功能无效,如 果按下进给保持按键,刀具在加工完螺纹后停止运动; ③在螺纹加工中不使用恒定线速度控制功能; ④在螺纹加工轨迹中应设置足够的升速进刀段δ 和降速退刀段δ′,以消除伺服滞后造成的螺距 误差. 5,内(外)径切削循环 G90 圆柱面内(外)径切削循环 格式: G90 X__Z__F__; 说明:X,Z:绝对值编程时,为切削终点在工件坐标系下的坐标;增量值编程时,为切削终点 相对于循环起点的有向距离. 6,端平面切削循环 G94 格式: G94 X__Z__F 说明:X,Z:绝对值编程时,为切削终点在工件坐标系下的坐标;增量值编程时,为切削终点 相对于循环起点的有向距离 7,螺纹切削循环 G92 格式: G92 X(U)__Z(W)__ F__; 说明:X,Z:绝对值编程时,为螺纹终点在工件坐标系下的坐标;增量值编程时,为螺纹终点 相对于循环起点的有向距离. F:螺纹导程; 8,复合循环有四类复合循环,分别是: G71:内(外)径粗车复合循环; G72:端面粗车复合循环; G73:封闭轮廓复合循环; G70:精车循环; 运用这组复合循环指令,只需指定精加工路线和粗加工的吃刀量,系统会自动计算粗加工路线 和走刀次数. 第 3 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 (1)内(外)径粗车复合循环 G71 格式:G71 U(△d) R(r) G71 P(ns) Q(nf) X(△x) Z(△z) F(f) S(s) T(t); △d:切削深度(每次切削量); r:每次退刀量; ns:精加工路径第一程序段的顺序号; nf:精加工路径最后程序段的顺序号; △x:X 方向精加工余量; △z:Z 方向精加工余量; f,s,t:粗加工中 G71 程序段中编程的 F,S,T 有效,而精加工处于 ns 到 nf 程序段之 间的 F,S,T 有效. 注意: ①G71 指令必须带有 P,Q 地址 ns,nf,且与精加工路径起,止顺序号对应,否则不能进行 该循环加工. ②ns 的程序段必须为 G00/G01 指令. ③在顺序号为 ns 到顺序号为 nf 的程序段中,不应包含子程序. (2)端面粗车复合循环 G72 格式:G72 W(△d) R(r) ; G72 P(ns) Q(nf) X(△x) Z(△z) F(f) S(s) T(t); 说明:该循环与 G71 的区别仅在于切削方向平行于 X 轴. (3)固定形状复合循环 G73 格式:G73 U(△i) W(△k) R(d) ; G73 P(ns) Q(nf) X(△x) Z(△z) F(f) S(s) T(t); 说明:适用于铸造,锻造毛坯,与最终零件有相似外形. (4)精车循环 G70 格式:G70 P(ns) Q(nf) ; 数控机床中的插补原理在理解插补的基本概念之前,应先首先理解脉冲当量的含义.在数控机床中,刀具或是工件最 小的位移量是机床坐标轴运动的一个分辨单位,由检测装置辨识,称为分辨率(闭环系统) ,或称 为脉冲当量(开环系统) .又称之为最小设定单位.可见刀具的运动轨迹在微观上是由许多的小线 段构成的折线,不可能使刀具严格按照所要求的零件轮廓进行运动,因此只能用折线逼近所要求的 廓形曲线.而"插补"的实质就是使数控系统根据零件轮廓线型的有限信息(包括直线的起点,终 点,圆弧的起点,终点等) ,计算出刀具的一系列的加工点,完成所谓的数据的"密化"工作.也 就是说插补有两层意思:一是产生基本线型,二是用基本线型拟合其他轮廓曲线.如图所示常见的 插补方式有: 圆弧插补方式第 4 页 共 8 页 直线插补方式 河北师范大学职业技术学院毕业论文 三,椭圆宏程序的编制由于数控车床加工对象为各种类型的回转面,其中对于圆柱面,锥面,圆弧面,球面等的加工, 可以利用直线插补和圆弧插补指令完成,而对于椭圆等一些非圆曲线构成的回转体,加工起来具有 一定的难度.这是因为大多数的数控系统只提供直线插补和圆弧插补两种插补功能,更高档的数控 系统提供双曲线,正弦曲线和样条曲线插补功能,但是一般都没有椭圆插补功能.因此,在数控机 床上对椭圆的加工大多采用小段直线或者小段圆弧逼近的方法来编制椭圆加工程序. 在这里结合工作实践对车削椭圆轮廓的宏程序的编制方法进行探讨. 椭圆宏程序的编制原理数控系统的控制软件,一般由初始化模块,输入数据处理模块,插补运算处理模块,速度控制 模块,系统管理模块和诊断模块组成.其中插补运算处理模块的作用是依据程序中给定的轮廓的起 点,终点等数值对起点终点之间的坐标点进行数据密化,然后由控制软件,依据数据密化得到的坐 标点值驱动刀具依次逼近理想轨迹线的方式来移动,从而完成整个零件的加工. 依据数据密化的原理,我们可以根据曲线方程,利用数控系统具备的宏程序功能,密集的算出 曲线上的坐标点值,然后驱动刀具沿着这些坐标点一步步移动就能加工出具有椭圆,抛物线等非圆 曲线轮廓的工件. 椭圆宏程序的编制步骤宏编程一般步骤: 1.首先要有标准方程(或参数方程)一般图中会给出. 2.对标准方程进行转化,将数学坐标转化成工件坐标标准方程中的坐标是数学坐标,要应用到 数控车床上,必须要转化到工件坐标系中. 3.求值公式推导 利用转化后的公式推导出坐标计算公式. 根据实际选择计算公式. 4.求值公式选择 5.编程 公式选择好后就可以开始编程了. 下面分别就工件坐标原点与椭圆中心重合,偏离等 2 种情况进行编程说明. (1)工件坐标原点与椭圆中心重合 2 2 2 2 椭圆标准方程为 X / a + Y / b =1 ① 2 2 2 2 转化到工件坐标系中为 Z / a + X / b =1 ② 根据以上公式我们可以推导出以下计算公式第 5 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 X = ±b 1 Z 2 / a 2 Z = ±a 1 Z 2 / a 2 ④ ③ 在这里我们取公式③.凸椭圆取+号,凹椭圆取-号.即 X 值根据 Z 值的变化而变化,公式④不 能加工过象限椭圆,所以舍弃. 下面就是 FANUC 系统 0i 椭圆精加工程序: O0001;……………………………… 程序名 #1=100; ……………………………用#1 指定 Z 向起点值 #2=100; ……………………………用#2 指定长半轴 #3=50; ………………………………用#3 指定短半轴 G99 T0101 S500 M03; ………… 机床准备相关指令 G00 X150. Z150. M08; ………… 程序起点定位,切削液开 X0Z101.;…………………………快速定位到靠近椭圆加工起点的位置 N1WHILE[#1GE-80]DO1; …………于-80 时执行 DO1 到 END1 之间的程序 2 2 #4=#3*SQRT[1-#1*#1/[#2*#2]]; …计算 X 值,就是把公式 X = ± b 1 Z / a 里面的各值用变量代替 G01 X[#4*2] Z#1 ; …………直线插补 #1=#; ………………………步距 ,即 Z 值递减量为 ,此值过大 影响形状精度,过小加 重系统运算负担, 应在满足形状精度的前提下尽可能取大值. END1; ………………………………语句结束,这里的 END1 与上面的 DO1 对应 G01 Z-110.; ………………………加工圆柱面 X102.; ………………………………退刀 G00 X150. Z150.;…………………回程序起点 M09; …………………………………切削液关 M05; …………………………………主轴停止 M30; …………………………………程序结束 (2) 工件坐标原点与椭圆中心偏离 数控车床编程原点与椭圆中心不重合,这时需要将椭圆 Z(X)轴负向移动长半轴的距离,使起 2 2 2 2 点为 0,原公式 Z / a + X / b =1 转变为: 2 ( Z Z1 ) 2 / a 2 + X X 1) / b 2=1 ( ⑤ Z1----编程原点与椭圆中心的 Z 向偏距;此例中为-100 X1----编程原点与椭圆中心的 X 向偏距;此例中为 0 第 6 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 可推导出计算公式: 2 X = ± b 1 Z Z1) / a 2 + X 1 ( ⑥ (精加工程序) O0001; ……………………………程序名 #1=0; ……………………………用#1 指定 Z 向起点值 #2=100; …………………………用#2 指定长半轴 #3=50; …………………………用#3 指定短半轴 #5=-100; ……………………… Z 向偏距 G99 T0101 S500 M03; …………机床准备相关指令 G00 X150. Z150. M08; ……… 程序起点定位,切削液开 X0 Z1.;…………………………快速定位到靠近椭圆加工起点的位置 N1WHILE[[#1-#5]GE-80]DO1; ……于-80 时执行 DO1 到 END1 之间的程序 2 2 #4=#3*SQRT[1-[#1-#5]*[#1-#5]/[#2*#2]]; …计算 X 值, 就是把公式 X = ± b 1 Z / a 里面的各 值用变量代替 G01 X[#4*2] Z[#1-#5] ; ……直线插补 #1=#; …………………………步距 ,即 Z 值递减量为 END1; …………………………………循环语句结束 G01 Z-110 ; …………………………加工圆柱面 X102.; …………………………………平圆柱的阶梯端面 G00 X150. Z150. M09; ………………快速退刀并切削液关 M05; ……………………………………主轴停止 M30; ……………………………………程序结束 完整粗,精加工程序以上两个实例均只编写了精加工程序,另外可以利用宏调用子程序进行粗加工,下面以第一个 图(工件坐标原点与椭圆中心重合的零件)为例说明. O0001; ……………………………………程序名 #6=95;…………………………………定义总的加工余量 G99 T0101 S500 M03; …………………机床的相关准备工作 G00 X150. Z150. M08; …………………程序起点位置切削液开 G00 X#6 Z101.;………………………程序循环起点 N10 #6=#6-5;……………………………每循环完一次 X 向进 5 M98 P0002; ……………………………子程序的调用 IF [#6GE0]GOTO10; ……………………执行 N10 到 IF 之间的语句 G00 .; ………………………快退到换刀点 M05; ……………………………………主轴停止 M30; ……………………………………主程序结束 O0002 子程序 #1=100; ………………………………用#1 指定椭圆加工 Z 向起点值 #2=100; ………………………………用#2 指定长半轴 #3=50; ………………………………用#3 指定短半轴 WHILE[#1GE-80]DO1; ………………于-80 时执行 DO1 到 END1 之间的程序 #4=#3*SQRT[1-#1*#1/[#2*#2]]; … 计算 X 值,把数学公式用变量替代第 7 页 共 8 页 河北师范大学职业技术学院毕业论文 G01 X[#4*2+#6] Z#1 ; ………进行直线 #1=#; ………………………步距 ,即 Z 值递减量为 END1; ……………………………循环语句结束 G01Z-110 ; ……………………加工圆柱面 X102.; …………………………平圆柱的阶梯端面 G00 Z101.; ……………………Z 向退刀 X#6;……………………………X 向退刀循环起点 M99; ……………………………子程序结束并返回主程序 除了用标准方程加工椭圆外,还可以用参数方程加工椭圆曲线.在这里就不一一阐述了. 加工椭圆的注意事项利用数控车床加工椭圆曲线,应注意以下几点: (1)车削后工件的精度与编程时所选择的步距有关.步距值越小,加工精度越高;但是减小步距 会造成数控系统工作量加大,运算繁忙,影响进给速度的提高,从而降低加工效率.因此, 必须根据加工要求合理选择步距,一般在满足加工要求前提下,尽可能选取较大的步距. (2)对于椭圆轴中心与 Z 轴不重合的零件,需要将工件坐标系进行偏置后,然后按文中所述的方 法进行加工. 结论不同的加工方案就会出现不同的加工路径,每一条加工路径都有其各自的特色,有的会是加工 效率高,但是机床和刀具的损耗大,不宜于大批量加工;而有的加工路径则效率适中,机床和刀具 的损耗相对较小,从而在大批量生产时,零件的尺寸精度波动比较小. 在使用宏程序编程,大部分零件尺寸和工艺参数可以传递到宏程序中,程序的修改比较方便. 图样改变时,仅需修改几个参数,因此,柔性好,极易实现系列化生产.另外,使用宏程序除了能 加工椭圆面外,还可以加工抛物线,双曲线等非圆曲线,有效的扩展数控机床的加工范围,提高加 工效率和品质,充分发挥机床的使用价值. 主要参考文献 (1) 卢增怀.数控车床上椭圆的编程与零件的加工.机械加工. 2007/5/66 (2) 孙摘茂.数控机床加工编程技术〔M]北京:机械工业出版社 2004. (3) 北京发那克机电有限公司.BEIJING-FANUCOM 操作编程说明书 [Z]. 北 京 .北京发那 克机电有限公司 2000. 1998 (4) 严爱珍 机床数控原理与系统 北京 机械工业出版社 (5) 郭培全 数控机床编程与应用 北京 机械工业出版社 2000 (6) 于华 数控机床编程与实例 北京 机械工业出版社 1996 第 8 页 共 8 页