数控机床原理与应用实验指导书

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基本知识。

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部分。

（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部分之间的连接关系，主要有以下部分：

（1）强电部分

（2）电源回路

（3）交流控制回路

（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、熟悉数控车床基本变成指令的使用

（1）快速点位运动功能实现（图1）

书写格式：G00 X- Z-；

X、Z：目标点坐标

绝对坐标值方式编程：

G90；

G00 X60 Z40；

增量方式编程：

G91；

G00 X20 Z30；

图1

（2）直线插补功能实现（图2）

书写格式：G01 X- Z- F- ；

绝对坐标值方式编程：

图2

G90；

G01 X30 Z80 F100；

增量方式编程：

G91；

G01 X-60 Z60 F100；

（3）顺时针圆弧插补功能

书写格式：G02 X- Z- I- K- F-；

说明：1〉X、Z在绝对坐标方式时，圆弧终点坐标是其在编程坐标系中

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3

G90；

G02 X120 Z10 I120 K60 F50；

增量方式编程：

G91；

G02 X60 Z-90 I60 K-40 F50；

图3

（4）逆时针圆弧插补功能的实现

书写格式：G03 X- 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4

G90；

G03 X240 Z40 I80 K60 F150；

增量方式编程：如图4

G91；

G02 X120 Z-100 I-40 K-80 F150；

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：G32 X- 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m30x1.5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?30,牙为深0.97mm,确定三次吃刀量分别为

0.7mm,0.4mm,0.4mm。加工程序为：

O1019；

G90G00X50Z120；

G00X29.3Z101.5;

G32Z19F1.5;

G00X40;

Z101.5;

X28.5;

G32Z19F1.5;

G00X40;

X50Z120;

M02

图5

（6）圆锥的切削

对于如图6零件，锥的大端直径为?30，小段直径为?10，锥长为20mm ，吃刀深度位2mm，用绝对编程方法编程。

N001 G90；

N002 G92 X40 Z10；

N003 M03 S800；

N004 M06 T3；

N005 G00 X32 Z0；

N006 G01 X0 F80；

N008 G00 X26；

N009 G01 Z0 F330；

N010 G01 X30 Z-20 F100；

N011 G00 Z0；

N012 G01 X22 F330；

N013 G01 X30 Z-20 F100；

N014 G00 Z0；

N015 G01 X20 F330；

N016 G01 X30 Z-20；

N017 G28；

N018 G29；

N019 M05；

N020 M02；

图6

4、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≤200mA。

图8数控系统硬件结构框图

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，必须用钥匙打开此开关，数控系统驱动电源，主电机电源才能接通。

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，若同时按快移和某个轴的点动按钮，则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、X30、X50、X70、X100，六个位置。增量倍率设定X1、X10、X100、X1000四个信号，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安全位置，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，电柜空开打开，照明灯就可直接上电。

（9）主轴

在手动方式下，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。

（11）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

部分组成：

（1）图形显示窗口。

（2）菜单命令条。

（3）运行程序索引。

（4）选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。

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F1-F10 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F10 键即可。

图12 菜单层次

HNC-21T 的菜单结构如图13 所示.

图13 HNC-21T 的功能菜单结构

四、实验报告

1、画出CJK6032数控车床数控系统的结构框图。

2、简述CJK6032数控车床数控系统的组成及原理。

3、简述CJK6032数控车床的连接及基本操作。

4、将图7所示零件的加工程序写在实验报告上。

实验二：基于PMAC卡的开放式数控系统实验

一、实验名称

基于PMAC卡的开放式数控系统实验

二、实验目的及要求

1.熟悉开放式数控系统实验台以及常用部件的连线和基本操作。

2.了解位置测量装置的基本概念，掌握几种位置测量装置（光电式增

量编码器、光栅尺、光电开关）的使用方法和信号处理方法，并合

理选用。

3.了解机床误差的测量和补偿方法。

4.掌握数控系统直线插补和圆弧插补原理以及实现方法。

5.应用标准G代码编程实现直线插补和圆弧插补，掌握其编程思想。

三、实验设备及仪器

1.PMAC数控装置一套

2.工控机一台

3.电控箱一个

4.专用连接线一套

5.示波器一台

6.万用表一个

7.千分表一个

四、实验原理

1．开放式数控系统综合实验台

本数控平台用于培养学生掌握数控系统的编程方法，以及数控系统电气设计、安装、调试、维修等实际动手能力的一套实验装置。该电气设计、安装、调试、维修等实际动手能力的一套实验装置。该数控系统综合实验台采用模块设计，便于组合和扩展，也便于检查和调试。

2．数控试验台的组成

(1) 数控装置

本实验核心控制卡采用美国Delta Tau公司生产的多轴运动控制卡。PMAC 含义是 Programmable Multi-Axis Controller，可编程的多轴控制器，此卡可以服务于各个行业，从精密到微米级的设备到上千马力的重型设备。此卡内部有自己的编程语言，通过一定的宏定义，可以与标准的G代码兼容，并且可以编写PLC程序，可实现直线插补、圆弧插补、螺纹切削、刀具补偿、宏定义等功能，具有价格低、性能高、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。

图1 PMAC 系统结构框图

(2) 工作台

X-Y 工作台集成了两套松

下MHMD042P1U 伺服电机，两坐标工作台，笔架，光栅尺。机械部分采用了滚珠丝杠传动的模块化十字工作台(如图2所示)，用于实现目标轨迹和运动。X 轴和Y 轴执行装置都采用交流伺服电机，电控箱里面的交流伺服驱动器和安装

在工作台上的交流伺服电机构成了一个速度闭环控制系统；电机后面带有增量式旋转编码器充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距

图2 两坐标机械平台 离，可与其它部件构成一个半闭环控制统。

(3) 电控箱

电控箱集成了:开关电源，两个Panasonic 交流MBDDT2210052型伺服驱动器，ACC-8P 转接板，两套专用线。开关电源上的+24V 为PMAC 卡以及12个光电开关为供电，±12V 为PMAC 卡上串口供电。ACC-8P 转接板是连接PMAC 卡和伺服驱动器的I/O 板。

在这里简单介绍一下交流伺服系统： 交流伺服系统的基本结构

放大器上位 主机

交流伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图3所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM 内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

基本原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。采用交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

图3伺服系统基本结构框图

①伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。

控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相交流伺服电机的目的。

②功率驱动单元

功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要电路是三相全桥整流电路。

逆变部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要结构是采用了三相桥式电路原理图见图4，利用了脉宽调制技术即PWM（Pulse Width Modulation）通过改变

功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率,改变每半周期内晶体管的通断时间比,也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的。

图4三相逆变电路

图3中VT1～ VT6是六个功率开关管，S1、S2、S3 、分别代表3个桥臂。对各桥臂的开关状态做以下规定：当上桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为0。三个桥臂只有“0”和“1”两种状态，因此S1、S2、S3形成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管模式，其中000和111开关模式使逆变输出电压为零，所以称这种开关模式为零状态。输出的线电压为UAB 、UBC、UCA，相电压为UA 、UB、UC，其中UDC为直流电源电压（总线电压）。

③控制单元

控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器（DSP）除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理（ FOC）和坐标变换,实现矢量控制（VC） ,同时结合正弦波脉宽调制（SPWM）控制模式对电机进行控制。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。

④伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流

伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀下降。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

(4) 工控机

工控机主要通过其上面的ISA插槽安装PMAC或者采用其上面的串口作为通讯媒介，并且作为PMAC上位软件开发的媒介。PMAC卡支持多种高级语言,例如C++,VB等，本实验采用C++开发，使用PMAC自带的动态链接库。在上位机上编辑自己的界面，监视或者改变卡的运行状态，执行自己编写的程序。

3．常用的位置测量装置

(1) 光电式旋转编码器

它是一种角位移传感器，光电式旋转编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。

旋转编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器两种。图5为光电式增量编码器测量系统原理示意图，它由光源1、聚光镜2、光电码盘3、光栏板4、光敏元件5和信号处理电路组成。当光电码盘3随工作轴6—起转动时，光源通过聚光镜，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、计数、译码后输出或显示。为了测量旋转方向，光栏板的两个狭缝距离应为，m±(1/4)τ(τ为码盘两个狭缝之间的距离，即节距，m为任意整数)，这样，两个光敏元件的输出信号就相差了п/2相位；将输出信号送入鉴相电路，即可判断码盘的旋转方向。

光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度a（分辨角或分辨率），而这与码盘圆周内所分狭缝的条数有关，则有a = 360o／狭缝数由于光电式增量编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此根据脉冲数目可得工作轴的回转角度，由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两个狭缝中信号的相位先后，可判断

光电码盘的正、反转。松下

公司的MBDDT2210052伺服

电动机为小型小惯量交流

伺服电动机，配置了每转

2500个脉冲的光电式增量

编码器。

图5 光电式增量编码器结构原理图

(2) 光栅尺测量系统

光栅尺测量系统原理如图6所示，它由光源1、透镜2、标尺光栅、指示光栅3、光敏元件4和信号处理电路5组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频功能。通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在机床上。这个部件称为光栅读头，其作用是将莫尔条纹的信号转换成所需的电脉冲信号。当标尺光栅随工作台一起移动时，源通通过聚光镜后，透过标尺光栅和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹（光信号）；光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的放大、整形、鉴相倍频后输出或显示。为了测测量转向，至少要放置两个光敏元件，两者相距1/4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹移动时，会得到两路信号相位相差，（п/2的波形；将输出信号送入鉴向电路，即可判断移动方向。

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、п/2、п、3п/2时都有脉冲输渝出，从而使精度提高了4倍。若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动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”、“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表面反射的光，没有物体时则接收不到。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、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。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，安全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。

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较法、最小偏差法、数字积分法、目标点跟踪法等，逐点比较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，其基本思想是以折线来逼近曲线（包括直线）。

(1)逐点比较法直线插补。

如图9所示，设被加工直线OA位于XOY平面的第一象限内，并假定直线OA的起点O为坐标原点，终点A的坐标为A(X，Y。)，直线上任一加工点的坐标为E(Xi ,Yi) 。

直线插补的偏差判别函

数为：

F= X e Y i - X i Y e

由F的数值就可判别出

E点与直线的相对位置：

①当F≥0时，点

E在直线上或

上方，沿+X向

输出一步（一个

步距）。

②当F<0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）。

逐点比较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。

(2)逐点比较法圆弧插补。