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1、广州科学技术职业学院广州市公用事业高级技工学校教学点成人高等教育毕业设计（论文）题 目数控技术的发展趋势、宏程序在数控加工中的应用和插补运算的基本原理系 别 机电工程系 专 业 数控技术与应用 年级班别 大专10数控2班 姓 名 林明锐 学 号 指导教师 林奕韬 （2012年4月2日）广州工程技术职业学院广州市公用事业高级技工学校教学点制目录摘要 1关键词 11数控技术的发展趋势11.1高速、高精加工技术及装备的新趋势 11.2五轴联动加工和复合加工机床快速发展11.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势11.4重视新技术标准、规范的建立 12宏程序在数控加工中的应用 2 2.
2、1 分析问题 2 2.2 数学计算 2 2.3 参数设置 22.4 变量赋值 22.5 程序的编制 2 3数控机床插补运算的基本原理3 31脉冲增量插补法332数据采样插补法 333直线插补计算原理 334圆弧插补计算原理34结束语45参考文献5 数控技术的发展趋势、宏程序在数控加工中的应用和插补运算的基本原理摘要：数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域；在数控编程中，宏程序编程灵活、高效、快捷，是加工编程的重要补充。宏程序不仅可以实现像子程序那样
3、，对编制相同加工操作的程序非常有用，还可以完成子程序无法实现的特殊功能，例如，型腔加工宏程序、固定加工循环宏程序、球面加工宏程序、锥面加工宏程序等。数控机床插补有二方面的含义：用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；用基本线型拟和其它轮廓曲线。本文以基本线型直线、圆弧生成为例，论述插补原理。包括基准脉冲插补和数据采样插补。关键词：发展趋势、宏程序、插补运算。1数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所
4、需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14。 11 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力
5、很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60
6、000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 1.2 5轴联
7、动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加
8、工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。 1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化
9、，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open Sy
10、stem Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国
11、际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，
12、反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.4 重视新技术标准、规范的建立关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加
13、工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-
14、NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了
15、验证。2宏程序在数控加工中的应用在宏程序的应用当中，看到图我们首先应对它进行分析，然后再进行计算、考虑变量的赋值，最后编制出程序。数控加工程序编制的关键是刀具相对于工件运动轨迹的计算，即计算加工轮廓的基点和节点坐标或刀具中心的基点和节点坐标。数控机床一般只提供平面直线和圆弧插补功能，对于非圆的平面曲线Y=f(X),采用的加工方法是按编程允许误差，将平面轮廓曲线分割成许多小段。然后用数学计算的方法求逼近直线或圆弧轮廓曲线的交点和切点的坐标。下面以HNC-21T系统为例，如图3.1所示：图3.121分析问题在这个零件图里，可以看出两个显眼的部分，一个是在零件的开头部分有一个“抛物线形面”，另一个是
16、在中间部位，有一个“局部椭圆形凹槽”。在这两种的情况下，就可以利用宏程序来编程。除了这两个之外的部分，我们可以用普通编程就能解决。在编程过程中需要注意一点，要考虑到切削余量的问题。2.1.1对抛物线面分析在这个形面上，我们若是用一般的编程方法肯定很难，也很懊恼，因为它在视图表面上的点坐标都是不规则的。在此，我们从图纸上可以看到一个很熟悉的方程式，即抛物线方程：Z=-X2/10。在这个基础上，可以发现有两个变量，其一是，其二是。它们的坐标都是在变化的，根据方程可以知到，X是随着Z的变化而变化的。所以我们可以设Z为一个变量，再根据抛物线方程式得出变量X。2.1.2对局部椭圆形凹槽根据对上一个问题的
17、分析，来解决椭圆形凹槽问题应该不会太难了。首先知道此椭圆的方程为：。同样的道理，我们也可以根据椭圆得出X跟Z的关系式，然后设一个变量Z，从而能列出变量X的关系式。这样我们编程起来就可以就可以找到突破口了。接下来的问题便迎刃而解。2.2 数学计算程序计算说明：由抛物线方程Z=-X2/10得X=10 ,故直线段起点X坐标值XA=20。由椭圆方程:,得出，并且X为半径值。椭圆中心在如图编程坐标系中的坐(40,-35)。2.3 参数设置对于一个零件的加工，我们必须要设置好它的参数，这不仅影响着它的加工效率，还影响它的精确度。所以我们必须根据实际情况来对它的参数进行最佳的设置。如下表所示，数控加工工序卡
18、（表3.1）、数控加工刀具卡（表3.2）。2.4变量赋值根据前面对零件的分析，我们已经知道了两个变量，一个是抛物线Z方向的变量，还有个是椭圆Z方向上的变量，两个的X值都是随Z的变化而变的。其次，还有个X方向切削剩余量也在每一次循环当中依次的减小。将其可以赋三个变量的值：（1）#100=40（X方向切削剩余量初始值）；（2）#1=0（抛物线Z轴初始值） #2=2*SQRT-10*#1 +#100（抛物线X向的变量）；（3）#3=12.5（椭圆Z轴初始值） #4=8*SQRT1-#3*#3/256（椭圆X向的变量）。2.5程序的编制以华中世纪星HNC21T系统为例编写程序如下：程序 注释%2010
19、 主程序号M03 S600 T0101 F120 主轴正转转速600r/min，调用T01号刀及刀补G00 X42 Z2 快速定位到端面边缘附近M08 切削液开#100 = 40 赋X方向切削剩余量初始值N30 M98 P1001 调用子程序P1001#100 = #100-2 每次循环后减2mm（即每次切削2mm）IF#100 GE 0.5GOTO 30 条件循环，当#100大于等于0.5时回到序号为30的程序段M03 S1000 F100 T0102 主轴正转转速改为1000r/min，调用T02刀及01号刀补#100=0 赋X方向切削剩余量二次值M98 P1001 调用子程序P1001M
20、09 切削液关M30 程序结束并返回程序起点%1001 子程序号#1=0 赋抛物线Z轴初始值N11 #2 = 2*SQRT-10*#1 + #100 抛物线X向变量的计算公式G01 X#2 Z#1 直线插补到（#2，#1）的位置#1= #1-0.5 每次循环后减0.5mm（即每次切削0.5mm）IF#1 GE -10GOTO 11 条件循环，当#1大于等于-10时回到序列为11的程序段G01 U10 W-5 直线插补同时X反向进10mm、Z向进5mmW-7.5 再Z向进7.5mm#3=12.5 赋椭圆Z轴初始值N12 #4 = 40-16*SQRT1-#3*#3/256+ #100 椭圆X向变
21、量的计算公式G01 X#4 Z#3-35 直线插补到（#4，#3-35）的位置#3=#3-0.5 每次循环后减0.5mm（即每次切削0.5mm）IF#3 GE -12.5GOTO 12 条件循环，当#3大于等于-12.5时回到序号为12的程序段G01 W-7.5 直线插补Z向进7.5mmU10 X反向进10mmN20 W-10 Z向进10mmG00 U2 Z2 快速定位同时X向退2mm、Z向退2mmU-2 Z向快速进2mmM99 返回主程序3数控机床插补运算的基本原理我们在工程数学中知道，微积分对研究变量问题的基本分析方法是：“无限分割，以直代曲，以不变代变，得微元再无限积累，对近似值取极限，
22、求得精确值”，但在一些实际工程应用中，往往根据精确度要求，把这个无限用适当的有限来代替，对于数控机床运动轨迹控制的插补运算也正是按这一基本原理来解决的。概括起来，可描述为：“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹”。需要说明的是这个脉冲当量与其坐标显示分辩率往往是一致的，它与加工精度有关，它表示插补器每发出一个脉冲，使执行电机驱动丝杆所走的行程，单位通常为0.010.001mm脉冲。也就是说对各种斜线、圆弧、曲线均由以脉冲当量为单位的微小直线线段来拟合，如图1所示。其插补运算精度（一般插补误差不会超过一个脉冲当量）也是影响数控加工精度的一项主要因素。
23、 图1 用微小直线段来拟合曲线3.1脉冲增量插补法 数控加工过程中数控机床在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲，驱动坐标轴电机运动。常用的有：逐点比较法与数字积分法，用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。3.2数据采样插补法 采用小段直线逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，故可达到很高的速度，其中计算机通常包含在伺服控制环内。用于以交直流伺服电机为驱动装置的闭环/半闭环数控系统。数据采样插补是根据编程的进给速度，将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段，即轮廓步长l。在每个插补周期中，执行一次插补程序，计算出下一周期各坐标轴进给量x或y，从而计算出下一个插
24、补点的坐标值。对于直线插补，动点在一个插补周期内运动的直线段与给定直线重合。对于圆弧插补，动点在一个插补周期内运动的直线段以弦线或割线逼近圆弧。3.3直线插补计算原理(1) 偏差计算公式 假定加工如图2所示第一象限的直线OA。取直线起点为坐标原点，直线终点坐标（Xe，Ye）是已知的。M(Xm，Ym)为加工点（动点），若m在OA直线上，则根据相似三角形的关系可得取 （4-1）作为直线插补的判别式。 若Fm0，表明m点在OA直线上； 若Fm0，表明m点在OA直线上方的m处； 若Fm0，表明m点在OA直线下方m处。图2 第一象限直线对于第一象限直线从起点（即坐标原点）出发，当Fm0时，沿X轴方向走一
25、步，当Fm0时，沿Y方向走一步，当两方向所走的步数与终点坐标 (Xe，Ye)相等时，发出到达终点信号，停止插补。设在某加工点处，若Fm0时，应沿X方向进给一步，走一步后新的坐标值为Xm+1=Xm1， Ym+1=Ym新的偏差为 Fm+1=Ym+1XeXm+1Ye=FmYe （4-2）若Fm0，应向Y方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm+1=Xm ， Ym+1=Ym1新的偏差为Fm+1=FmXe （4-3）式（4-2）、（4-3）为简化后的偏差计算公式，在公式中只有加、减运算，只要将前一点的偏差值与等于常数的终点坐标值Xe、Ye相加或相减，即可得到新的坐标点的偏差值。加工的起点是坐标原点，起点
26、的偏差是已知的，即F0=0，这样，随着加工点前进，新加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标值相加或相减得到。 (2) 终点判别法 逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介绍两种：第一种方法：设置X、Y两个减法计数器，加工开始前，在X、Y计数器中分别存入终点坐标值Xe、Ye，在X坐标（或Y坐标）进给一步时，就在X计数器（或Y计数器）中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零时，便到达终点；第二种方法：用一个终点计数器，寄存X和Y两个坐标，从起点到达终点的总步数；X、Y坐标每进给一步，减去1，直到为零时，就到了终点。(3) 不同象限的直线插补计算 上面讨论的为第一象限的直线插补计算方法，
27、其他三个象限的直线插补计算法，可以用相同的原理获得，表1列出了在四个象限中直线插补时，其偏差计算公式和进给脉冲方向。计算时，公式中Xe，Ye均用绝对值。表1 四象限直线插补进给方向判定和偏差计算公式 3.4圆弧插补计算原理(1)偏差计算公式 下面以第一象限逆圆弧为例讨论偏差计算公式。如图3所示，设需要加工圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，已知圆弧起点为A(Xo，Yo)，终点为B(Xe，Ye)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为m(Xm，Ym)，它与圆心的距离为Rm。比较Rm和R来反映加工偏差。,因此，可得圆弧偏差判别式如下：图3 第一象限逆圆弧若Fm0，表明加工点m在圆弧上； Fm0，表明加工点m在圆
28、弧外； Fm0，表明加工点m在圆弧内。 设加工点正处于m(Xm，Ym)点，其判别式为若Fm0，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿X方向进给一步，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm1，Ym+1=Ym，新加工点的偏差为： (4- 4)若Fm0，为了逼近圆弧应沿Y方向进给一步，到m+1点其坐标值为Xm+1Xm，Ym+1Ym+1，新加工点的偏差为： (4- 5)由式（4-4）和式（4-5）可知，只要知道前一点的偏差，就可以求出新一点的偏差。因为加工是从圆弧的起点开始，起点的偏差F0=0，所以新加工的偏差总可以根据前一点的数据计算出来。(2) 终点判别法 圆弧插补的终点判别方法和直线插补相同。可将
29、从起点到终点X、Y轴走步步数的总和存入一个计数器，每走一步，从中减去1，当=0时发出终点到达信号。也可以选择一个坐标的走步数作为终点判断，注意此时应选择终点坐标值小的那一个坐标。(3) 插补计算过程 圆弧插补过程和直线插补计算过程相同，但是偏差计算公式不同，而且在偏差计算的同时还要进行动点瞬间坐标值计算，以便为下一点的偏差计算作好准备。 (3) 四个象限圆弧插补计算公式 圆弧所在象限不同，顺逆不同，则插补计算公式和进给方向也不同。归纳起来共有8种情况，这8种情况的进给脉冲方向和偏差计算公式见表2，表中Xm，Ym，Xm+1，Ym+1都是动点坐标的绝对值。 表2 四象限圆弧插补进给方向判定和偏差计算公式4 总结 这篇论文是我在校三年里所学习、积累到的一些加工原理。费了我不少的时日，终于完成了。在这一刻我的心情很触动，感谢师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！5参考文献1刘虹主编，数控加工编程及操作，北京:机械工业出版社20112耿国卿主编，数控车削编程与加工，北京：清华大学出版社2011
