数控技术与数控机床/普通高等院校机电工程类规划教材

图书标准信息

• 作者 钟佩思 著；于涛、武洪恩、杨俊茹、吕玉廷、于涛、武洪恩、杨俊茹、吕玉廷、钟佩思 编
• 出版社 清华大学出版社
• 出版时间 2019-10
• 版次 1
• ISBN 9787302537175
• 定价 49.80元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 267页
• 字数 421千字

【内容简介】

　　《数控技术与数控机床/普通高等院校机电工程类规划教材》系统全面地介绍了数控技术与数控机床的基本原理、应用以及新进展。
　　《数控技术与数控机床/普通高等院校机电工程类规划教材》共7章，主要内容有数控机床的程序编制、数控插补原理、刀具半径补偿及速度控制、计算机数字控制装置、数控机床的伺服系统、数控机床机械结构、数控技术与制造自动化系统。
　　《数控技术与数控机床/普通高等院校机电工程类规划教材》内容丰富，系统性强，在强化基本知识和理论的同时，突出了实用性和先进性。
　　《数控技术与数控机床/普通高等院校机电工程类规划教材》可作为高等学校机械工程、机械设计制造及其自动化、机电一体化等机械类相关专业的本科教材，也可作为从事数控技术研究与应用的T程技术人员的参考书。

【作者简介】

作者为山东科技大学机械设计制造系主任，博士，副教授，从事数控技术的专业老师，具有10余年数控技术经验。作为主编、副主编已出版教材4部。

精彩内容：

第3章数控插补、刀具半径补偿及速度控制    3.1概述    控制刀具或工件的运动是机床数字控制的核心问题。面曲线运动轨迹需要两个运动坐标的协调运动，而空间曲线运动轨迹则要求三个或三个以上运动坐标的协调运动。数控系统不仅控制刀具相对于工件运动的轨迹，同时还要控制运动的速度。数控机床加工的零件轮廓一般由直线、圆弧组成，也有一些非圆曲线轮廓，例如高次曲线、列表曲线、列表曲面等，但都可以用直线或圆弧去逼近。只有在某些要求较高的系统中，才具有抛物线、螺旋线插补功能。在零件加工程序中，除了设定进给速度和刀具参数外，一般还要提供直线的起点和终点，圆弧的起点、终点，顺逆和圆心相对于起点的偏移量。数控系统将程序段进行输入处理、插补运算，并按计算结果控制伺服机构，使刀具和零件作准确的接近符合各程序段的相对运动，后加工出符合要求的零件。    所谓插补是指数据密化的过程。在对数控系统输入有限坐标点(例如起点、终点)的情况下，计算机根据线段的特征(直线、圆弧、椭圆等)，运用的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，使机床加工出所要求的轮廓曲线。插补实际上是根据有限的信息完成数据密化的工作，无论是硬件数控还是c数控，插补模块是不可缺少的，能完成插补功能的模块或装置称为插补器。对于轮廓控制系统来说，插补是重要的计算任务，插补计算必须是实时的，即必须在有限的时间内完成计算任务。插补程序的运行时间和计算精度影响整个c系统的能指标。可以说插补是整个c系统控制软件的核心。    插补可用硬件或软件来实现。早期的硬件数控系统(nc)中，采用数字逻辑电路来完成插补工作。在nc系统中，数控装置采用电压脉冲作为插补点坐标增量输出，其中每一脉冲都在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动，即每一脉冲对应着一个基本长度单位。这些脉冲可用来驱动开环控制系统中的步进电动机，也可驱动闭环系统中的直流伺服电动机。数控装置每输出一个脉冲，机床的执行部件即移动一个基本长度单位。在数控系统中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫作脉冲当量，通常用δ表示。脉冲当量δ是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定。普通精度的机床取δ=0.01mm，较精密的机床取δ=0.001mm或0.005mm。脉冲当量的大小决定了加工精度，发送给每一坐标轴的脉冲数目决定相对运动距离，而脉冲的频率代表坐标轴速度。    在计算机数控系统中，插补工作一般由软件完成。也有用软件进行粗插补，用硬件进行细插补的c系统。在c系统中，信息以二进制形式编排、处理和存储。二进制的每一位(bit)代表一个基本长度单位。二进制的bit与nc系统的脉冲当量等价。    目前普遍应用的插补算法可分为两大类，一类是脉冲增量插补，另一类是数据采样插补。    c中包括的几何模型典型的是直线和圆弧，螺旋线则是直线和圆弧的组合。目前的数控系统一般只能进行直线、圆弧插补。对于那些非圆曲线、列表曲线、列表曲面只能在cad/cam系统中进行计算，得出刀位数据(cldata)，后经后置处理转化成数控加工程序，传送到c，其过程如图3？1所示。随着计算机技术和编程技术的发展，已有一些数控系统增加了非圆曲线、列表曲线、列表曲面的模型，以适应现代制造业的需要。    图3？1cad/cam和c的连接    3.2脉冲增量插补    脉冲增量插补法又称行程标量插补法或基准脉冲插补法，是模拟硬件插补，插补的结果是产生单个的行程增量，以一个个脉冲的方式输出到伺服系统，以驱动机床部件运动。该方法插补程序比较简单，但由于输出脉冲的优选速度取决于执行一次运算所需的时间，所以进给速度受到的。这种插补方法一般用在进给速度不很高的数控系统或开环数控系统中。    脉冲增量插补有多种方法，包括逐点比较法、数字积分法、矢量判别法、比较积分法、小偏差法、目标点跟踪法、单步追踪法、直接函数法等，其中常用的是逐点比较插补法和数字积分插补法。    3.2.1逐点比较插补法    1. 基本    逐点比较插补法通过逐点地比较刀具与所需插补曲线的相对位置，确定刀具的坐标进给方向，以加工出零件的廓形。    逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧曲线的，它与规定的直线或圆弧之间的优选误差不超过一个脉冲当量，因此，只要将脉冲当量(每走一步的距离)取得足够小，可达到加工精度的要求。    如图3？2所示，逐点比较法插补计算时，每走一步，都要进行以下4个步骤(又称4个节拍)的逻辑运算和算术运算，即：    (1) 偏差判别。判别加工点对规定曲线的偏离位置，从而决定进给的x轴或y轴坐标的走向。    (2) 进给。控制某个坐标进给一个脉冲当量，向规定的曲线靠拢，以缩小偏差。    (3) 偏差计算。计算新的加工点对规定曲线的偏差，作为下一步判别的依据。    (4) 终点判断。判断是否到达加工终点。若到达终点，则停止插补，否则再回到步骤(1)。    以上4个步骤如此不断地重复上述循环过程，能完成所需的曲线轨迹。    2. 直线插补    1) 偏差计算公式    加工如图3？3所示的面斜线ab，取斜线起点a的坐标为(x0，y0)，终点b的坐标为(xe，ye)，m为加工点，则此直线方程为    x－x0y－y0=xe－x0ye－y0(3？1)    图3？2逐点比较法的4个步骤    图3？3直线插补    取f=(yy0)(xex0)(xx0)(yey0)作为直线插补的偏差判别式。    若f=0，表明m点在ab直线上；    若f0，表明m点在ab直线的上方；    若f    为控制方便，将f=0和f0两种情况作为f≥0一种方式判别。当f≥0时，刀具处在ab线的上方，或在ab线上，如图3？3中的m1点，这时刀具只有沿x方向进给才更接近ab线。因此，根据这个判别结果，计算机在x轴方向输出一个脉冲，使刀具在x方向前进一个脉冲当量的距离，到达m2点。    刀具在m1点的判别式为    f1=(y1－y0)(xe－x0)－(x1－x0)(ye－y0)    走一步后新的坐标值为    x2=x11，y2=y1    新的偏差为    f2=(y2－y0)(xe－x0)－(x2－x0)(ye－y0)    =(y1－y0)(xe－x0)－(x11－x0)(ye－y0)    =(y1－y0)(xe－x0)－(x1－x0)(ye－y0)－(ye－y0)    =f1－(ye－y0)(3？2)    若f2    x3=x2，y3=y21    新的偏差为    f3=(y3－y0)(xe－x0)－(x3－x0)(ye－y0)=f2(xe－x0)(3？3)    式(3？2)、式(3？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斜线长度在坐标方向的投影(xex0)、(yey0)相加或相减，即可得到新的坐标点的偏差值。加工起点a的偏差是已知的，即f0=0，这样，随着加工点前进，新加工点的偏差都可由前一点的偏差和斜线长度在坐标方向的投影相加或相减得到。    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。    种方法是设置x、y两个减法器，加工开始前，在x、y器中分别存入斜线长度在坐标方向的投影(xex0)、(yey0)，在x坐标(或y坐标)进给一步时，在x器(或y器)中减去1，直到这两个器中的数都减到零时，便到达终点。    第二种方法是用一个终点器，寄存x、y两个坐标从起点到终点的步数σ，x、y坐标每进给一步，σ减去1，直到σ为零时，到达终点。    3) 不同象限的直线插补计算    图3？4四个象限进给方向    上面讨论的为象限的直线插补计算方法，其他三个象限的直线插补计算法可用相同的获得。图3？4所示是象限的划分规则，根据对线段加工方向的不同来判别它所处的象限。对于四个象限可共用以下判别式。    向xe方向走一步：    fi1=fi－|ye－y0|(3？4)    向ye方向走一步：    fi1=fi|xe－x0|(3？5)    上述两式中，(xex0)、(yey0)都用值，不虑符号，但(xex0)、(yey0)是有符号的，它影响刀具相对工件移动方向。对刀具相对工件移动方向的控制可根据线段所处的象限来决定，若线段处在第三象限，在x或y方向输出脉冲时，使电动机反转即可，而判别式和脉冲分配方式与象限相同； 若线段处在第二象限，可使x向电动机反转而y向电动机正转； 第四象限使y向电动机反转，x向电动机正转。象限的判别和电动机转向见表3？1。    表3？1象限的判别和电动机转向    方向    象限    第二象限    第三象限    第四象限    xex0    0            0    yey0    0    0            续表    方向    象限    第二象限    第三象限    第四象限    x向电动机    正传    反转    反转    正传    y向电动机    正传    正传    反转    反转    3. 圆弧插补    1) 偏差计算公式    图3？5圆弧插补    下面以象限的逆圆为例进行讨论。加工如图3？5所示的圆弧ab，加工程序给出的已知条件通常是圆弧的起点坐标a(x0，y0)、终点坐标b(xe，ye)和圆心o′点相对a点的增量坐标值。图中，圆心o′点相对a点的增量坐标值为(i0，j0)，改变符号后成为a点相对o′点的增量值为(i0，j0)，由此可求出圆弧的半径r值： r2=i02j02。在以圆心o′点为原点的i、j坐标系中，圆的方程可表示为i2j2=r2。令瞬时加工点为mi，它与圆心的距离为o′mi，o′m2i=i2ij2i，比较o′mi和r来反映加工偏差。    圆弧偏差判别式如下：    fi=o′m2－r2=i2ij2i－r2(3？6)    若fi=0，表明加工点m在圆弧上； 若fi0，表明加工点m在圆弧外； 若fi    当fi≥0时，m点在圆的外侧或圆上，对于象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿x方向进给一步，到达mi1点，mi1点相对圆心o′点的坐标为    ii1=ii－1，ji1=ji    新加工点的偏差为    fi1=i2i1j2i1－r2=(ii－1)2j2i－r2    =i2i－2ii1j2i－r2=fi－2ii1(3？7)    若fi1    ii2=ii1，ji2=ji11    新加工点的偏差为    fi2=i2i2j2i2－r2=i2i1(j2i11)2－r2    =i2i1j2i1－r22ji11=fi12ji11(3？8)    由式(3？7)和式(3？8)可知，只要知道前一点的偏差，可求出新一点的偏差。因为加工是从圆弧的起点开始的，起点的偏差f0=0，所以新加工点的偏差可以根据前一点的数据计算出来。    2) 终点判别法    圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。可将从起点到终点x、y轴所走步数的和σ存入一个器，每走一步，从σ中减去1，当σ=0时发出终点到达信号。也可以选择一个坐标所走步数作为终点判断，注意此时应选择终点坐标中坐标值小的那一个坐标。由于零件的加工程序给出的值是以mm为单位，因此，必须在初始化时把以mm为单位的长度被脉冲当量除后取整，化为脉冲的数字量。    3) 不同象限的圆弧插补计算    在象限顺时针加工圆弧(顺圆弧)和第二、三、四象限加工顺圆弧和逆圆弧时，判别式都不相同。带符号运算时，无论在哪个象限工作，是顺圆弧或是逆圆弧，归纳起来有如下4种情况。    (1) 沿x方向走一步：    ii1=ii1    fi1=fi2ii1    (2) 沿x方向走一步：    ii1=ii1    fi1=fi2ii1    (3) 沿y方向走一步：    ji1=ji1    fi1=fi2ji1    (4) 沿y方向走一步：    ji1=ji1    fi1=fi2ji1    图3？64个象限的进给方向    图3？6所示是在4个象限内，顺、逆圆加工时，判别式符号和进给方向间的关系。象限是以被加工圆弧圆心为原点的坐标系划分的。若编写零件加工程序时所用的坐标系不以圆心为原点，则象限的划分不能用这个坐标系。以被加工圆弧圆心为原点的坐标系是根据加工程序给出的已知条件自动建立的，圆弧加工完毕，坐标系自动取消。例如，在xy坐标面内，给出圆弧起点相对其圆心的增量坐标值i0、j0，在插补计算过程中不断算出的ii、ji值都是以圆心为原点坐标系中的坐标值。根据ii、ji的符号来判别圆弧所在的象限，见表3？2。过象的标志是ii、ji中的一个为零。    表3？2象限判别和电动机转向    方向    象限    第二象限    第三象限    第四象限    ii的符号    ＋    －    －    ＋    ji的符号    ＋    ＋    －    －    x向电动机    顺圆    ＋    ＋    －    －    逆圆    －    －    ＋    ＋    y向电动机    顺圆    －    ＋    ＋    －    逆圆    ＋    －    －    ＋    根据图3？6给出的判别式与加工方向关系，和表3？2给出的ii、ji的符号变化规律，利用正、负方向的判别式可对4个象限的顺、逆圆弧加工编写出插补程序。    3.2.2数字积分插补法    数字积分法，又称数字微分分析法(dda)，是利用数字积分运算的方法，计算刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具沿着所加工的曲线运动。数字积分法具有运算速度快、脉冲分配均匀、易实现多坐标联动等优点。因此，数字积分法在轮廓控制数控系统中应用广泛。    1. 数字积分    图3？7数字积分    如图3？7所示，从时刻t0~tn函数y=f(t)曲线所包围的面积可用积分公式求得，即    =tnt0ydt    若将δt取得足够小，积分运算可用累加求和来近似，即    =tnt0ydt=∑n－1i=0yiδti(3？9)    在几何上是用一系列矩形面积之和近似表示函数f(t)以下的面积。若δt取为一个单位时间(如等于一个脉冲周期时间)，则有    =∑n－1i=0yi(3？10)    2. 数字积分法直线插补    设在xy面上有一直线oa，直线的起点在原点，终点a的坐标为(xe，ye)，现要对直线oa进行插补。    设动点沿直线oa方向的速度为v，、vy分别表示其在x轴和y轴方向的速度，由于位移是速度对时间的积分，根据式(3？9)，在x轴、y轴方向上的位移增量δx、δy应为    δx=δt，δy=vyδt(3？11)    令直线oa的长度为l，则有    l=x2ey2e，v=xel，vyv=yel    所以，有    =vlxe，vy=vlye(3？12)    若上式中速度是均匀的，则vl为常数，令vl=k，因此坐标轴的位移增量可表示为    δx=kxeδt，δy=kyeδt    若取δt=1，则各坐标轴的位移量为    xe=k∑ni=1xe=kxen，ye=k∑ni=1ye=kyen(3？13)    据此，可以给出xy面数字积分法直线插补框图(见图3？8)。    图3？8中，插补运算由两个数字积分器进行，每个坐标轴的积分器由累加器和被积函数寄存器组成。被积函数寄存器存放终点坐标值，每来一个δt脉冲，被积函数寄存器里的函数值送往相应的累加器中相加一次。当累加和超过累加器的容量时，便溢出脉冲，作为驱动相应坐标轴的进给脉冲δx(或δy)，而余数仍存在积分累加器中。    图3？8数字积分直线插补框图    设积分累加器为n位，则累加器的容量为2n，其优选存数为2n1，当计至2n时，必会发生溢出。若将2n规定为单位1(相当于一个输出脉冲)，那么积分累加器中的存数是小于2n，即为小于1的数，该数称为积分余数。例如，将xe累加m次后的x积分值应为    x=∑mi=1xe2n=mxe2n    积分值的整数部分表示溢出的脉冲数，而余数部分存放在累加器中，即    积分值=溢出脉冲数余数    当两个坐标轴同步插补时，用溢出脉冲控制机床的进给，可走出所需的直线轨迹。    由积分值计算式可知，当插补叠加次数m=2n时，有    x=xe，y=ye    图3？9数字积分法直线插补流程图    此时两个坐标轴同时到达终点。    由此可知，数字积分法直线插补的终点判别条件应是m=2n。换言之，直线插补只须完成m=2n次累加运算，即可到达直线终点。所以，只要设置一个位数亦为n位的终点器m(即终点器与积分累加器的位数相同)，用以记录累加次数，当器记满2n数时，插补结束，停止运算。    数字积分法象限直线插补程序流程图如图3？9所示。    用与逐点比较法相同的处理方法，把符号与数据分开，取数据的值作为被积函数，而以正负号作进给方向控制信号处理，便可对所有不同象限的直线进行插补。    3. 数字积分法圆弧插补    下面以象限逆圆为例(见图3？10)来讨论圆弧插补。    以坐标原点为圆心

【目录】

第1章 概述
1.1 数控机床简介
1.1.1 数控机床的产生及其重要性
1.1.2 数控机床的应用范围及特点
1.2 数控机床的工作原理和组成
1.2.1 数控机床的工作原理
1.2.2 数控机床的组成
1.3 数控机床的分类
1.4 数控技术的发展
1.4.1 数控系统及数控机床的发展历程
1.4.2 数控机床的发展现状与趋势
1.4.3 先进数控技术概述
1.4.4 我国数控产业现状及发展
思考与练习

第2章 数控机床的程序编制
2.1 程序编制的基本概念
2.1.1 程序编制的内容和步骤
2.1.2 数控编程的几何基础
2.1.3 程序结构与格式
2.1.4 准备功能G代码和辅助功能M代码
2.2 数控加工工艺基础
2.2.1 数控加工工艺分析的特点及内容
2.2.2 数控加工的工艺分析
2.2.3 确定工艺路线及加工路线
2.2.4 刀具及切削用量的选择
2.3 数控车床和车削中心编程
2.3.1 数控车床和车削中心编程基础
2.3.2 FANUC系统数控车床和车削中心常用指令的编程方法
2.4 数控铣床和加工中心编程
2.4.1 数控铣床和加工中心编程基础
2.4.2 FANUC系统数控铣床和加工中心常用指令的编程方法
2.5 自动编程
2.5.1 自动编程的发展历程
2.5.2 CAD/CAM自动编程系统基本原理
2.5.3 CAD/CAM自动编程系统功能
思考与练习

第3章 数控插补原理、刀具半径补偿及速度控制
3.1 概述
3.2 脉冲增量插补原理
3.2.1 逐点比较插补法
3.2.2 数字积分插补法
3.3 数据采样插补原理
3.3.1 采样周期的选择
3.3.2 时间分割插补法
3.3.3 扩展DDA插补原理
3.4 刀具半径补偿
3.4.1 刀具补偿的基本原理
3.4.2 刀具半径补偿计算
3.4.3 C功能刀具半径补偿计算
3.5 进给速度与加减速控制
3.5.1 进给速度控制
3.5.2 加减速度控制
思考与练习
……

第4章 计算机数字控制装置
第5章 数控机床伺服系统
第6章 数控机床的机械结构
第7章 数控技术与制造自动化系统
参考文献