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1、.。数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，由于它具有良好的柔性、高的加工精度和稳定性、能加工复杂零件、减轻了工人的劳动强度和易于实现现代化管理等一系列优点，目前在机械制造业中得到了广泛的应用。 一、数控机床原理 数控机床一般由信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成。信息载体即穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等，用于记录程序编制的内容，并通过光电纸带阅读机、磁带机和磁盘驱动器等读入装置输送给数控装置。数控装置是数控机床的核心，也就是常说的NC（普通数控装置） 或CNC（计算机数控装置），NC是数控机床发展初期的一种形式，现在的数控机床大多使用CNC系统。数控装置的作用是接受读入装置输入
2、的加工信息，经过译码处理和运算，发出相应的指令脉冲给伺服系统，完成零件加工。伺服系统是数控机床的执行部分，由电动机和传动装置组成。伺服系统接受数控装置传来的指令脉冲信号，控制机床执行件（工作台或刀架）运动的位移和速度。机床本体主要是机械部件，包括主运动部件、进给运动部件和支承部件等。对于数控机床部件来讲，机械部件结构较通用机床简单，但其各项技术指标要求比通用机床要高。在数控机床上进行加工时，首先根据零件图编制程序，编程的代码和指令格式大多符合ISO标准和相应的国家标准。然后将程序通过信息载体输入到NC或CNC中，由数控系统根据程序内容发出指令，一方面由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床执行
3、件的运动，另一方面控制机床的其它辅助运动，如主轴转速、转向选择，冷却泵的开停等。两方面协同动作，共同完成加工内容。数控机床加工零件的过程如图1所示。 二、数控机床的分类方法多种多样，常见的分类方法有四种 （一）按伺服系统类型分类 分为开环、闭环和半闭环系统。由伺服系统控制机床执行件运动时，虽然其接受了数控装置的指令要求值，但实际位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的误差。这一误差是由伺服电动机的转角误差、减速齿轮的传动误差、滚珠丝杠的导程误差以及导轨副抵抗爬行的能力这四项因素综合反映的。开环、闭环和半闭环系统的主要区别在于使用的电动机不同、是否进行执行件的测量及误差补偿以及误差补偿范
4、围的大小不同。开环系统如图2所示，由于不进行执行件的测量及误差补偿，所以结构简单，维修方便，精度相对较低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型数控机床上。闭环系统如图3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求较高的大型和精密数控机床上。半闭环系统如图4所示，介于两者之间，只对部分误差进行补偿，因此从理论上讲其加工精度不如全闭环系统。图1所示的系统称之为开环系统（图中虚线框部分所示），如果加入位移检测装置和反馈系统（图中虚线部分所示），此时，该系统称为闭环系统。 （二）按控制运动的方式分类 分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种。点位控制数控机床在加工平面内只控制刀具相对于工件的定位点的坐标位置，
5、而对定位移动的轨迹不作要求。这类控制系统主要用于数控钻床、数控镗床、数控冲床和测量机等。直线控制数控机床能控制刀具或工件的适当的进给运动，沿平行于坐标轴的方向进行直线移动和加工，或者控制两个坐标轴以相同的速度运动，沿45°斜线进行切削加工。这类控制系统主要用于数控车床、数控镗铣床以及某些加工中心。轮廓控制数控机床能同时控制两个或两个以上坐标轴，使刀具与工件作相对运动，加工复杂零件。单纯的点位控制和直线控制机床很少，大部分为轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床能够实现联动加工，也能进行点位和直线控制。这类控制系统主要用于数控车床、数控铣床、数控磨床以及加工中心机床。 （三）按工艺用途分类
6、 分为一般数控机床和数控加工中心。一般数控机床指与一般通用机床相对应的数控车、铣、钻、镗、磨和齿轮加工机床。加工中心最显著的特点是具有刀库和换刀机械手，能够实现多工序加工。刀库的容量应为二十把刀以上，但是一般常说的四方刀架、八方刀架等不属于刀库的范畴。 （四）按数控装置的功能分类 分为数控机床、简易数控机床和经济型数控机床。数控机床的数控装置功能齐全，能够进行自动编程、自动测量和自动故障诊断等。简易数控机床的功能单一，仅具备实现自动化的基本功能，并采用直观输入方式，结构简单，价格便宜。通用机床可采用单片机或单板机经数控化改造成经济型数控机床，性能可靠，操作简便。 插补的任务是根据进给速度的要求
7、，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度，因此，插补算法是整个数控系统控制的核心。插补算法经过几十年的发展，不断成熟，种类很多。一般说来，从产生的数学模型来分，主要有直线插补、二次曲线插补等；从插补计算输出的数值形式来分，主要有脉冲增量插补(也称为基准脉冲插补)和数据采样插补26。脉冲增量插补和数据采样插补都有个自的特点，本文根据应用场合的不同分别开发出了脉冲增量插补和数据采样插补。三.插补原理和道具补偿原理机床数字控制的核心问题之一，就是如何控制刀具与工件的相对运动。也就是说为了满足
8、被加工工件几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确的依照工件的轮廓来生城刀具中心轨迹。然而对于简单的曲线，数控装置易于实现但对于较复杂的形状，若直接生成势必会使算法变得很复杂计算机的工作量也相应的大大增加。因此，在实际应用中常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近，有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近复杂曲线（或称为拟合）所谓插补就是指数据密化的过程。在对数控系统诸如有限坐标点的情况下，计算机根据线段的特征，运用一定的算法，自动地在这些特征之间插入一系列的中间点，即所谓数据密化，从而对坐标轴进行脉冲分配，完成整个曲线的轨迹运行一满足加工精度的要求。插补算法有很多种，现将其归纳为两
9、大类：（一）脉冲增量插补脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲的方式输出。这种插补算法主要应用在开环数控系统中，在插补计算过程中不断向各坐标轴发出互相协调的进给脉冲，驱动电机运动。一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定，普通精度的机床一般取脉冲当量为：0.01mm，较精密的机床取1或0.5。采用脉冲增量插补算法的数控系统，其坐标轴进给速度主要受插补程序运行时间的限制，一般为13m/min。脉冲增量插补主要有逐点比较法、数据积分插补法等。逐点比较法最初称为区域判别法，或代数运算法，或醉步式近似法。这种方法的原理是
10、：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要的工件，用步进电机或电液脉冲马达拖动机床，其进给方式是步进式的，插补器控制机床。逐点比较法既可以实现直线插补也可以实现圆弧等插补，它的特点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，速度变化小，调节方便，因此在两个坐标开环的CNC系统中应用比较普遍。但这种方法不能实现多轴联动，其应用范围受到了很大限制。数据采样插补算法 根据数控加工程序所要求的进给速度，按照插补周期的大小，先将零件轮廓曲线分割为一系列首尾相接的微小直线段，然后输出这些微小直线段所对应的位置增量数据，控制伺服系统实现坐标轴进给。
11、采用数据采样插补算法时，每调用一次插补程序，数控系统就计算出本插补周期内各个坐标轴的位置增量以及各个坐标轴的目标位置。随后伺服位置控制软件将把插补计算求得的坐标轴位置与采样获得的坐标轴实际位置进行比较求得位置跟踪误差，然后根据当前位置误差计算出坐标轴的进给速度并输出给驱动装置，从而驱动移动部件向减小误差的方向运动。 逐点比较法：逐点比较法的基本原理是，在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进给（始终只有一个方向）。一般地，逐点比较法插补过程有四个处理节拍，如图：（）偏差判别。判别刀具当前位
12、置相对于给定轮廓的偏差状况；（）坐标进给。根据偏差状况，控制相应坐标轴进给一步，使加工点向被加工轮廓靠拢；（）重新计算偏差。刀具进给一步后，坐标点位置发生了变化，应按偏差计算公式计算新位置的偏差值；（）终点判别。若已经插补到终点，则返回监控，否则重复以上过程。 图4-1处理节拍 图4-2第一象限直线插补规律直线插补图4-2为第一象限直线，其终点坐标为（e，e），现分析其插补规律。刀尖点位置不外乎种情况：轮廓线上方（点），轮廓线上（点），轮廓线下方（点）。显然，在点处，为使刀尖点向轮廓直线靠拢，应向走一步；点处，应向走一步；至于点，看来两个方向均可以，但考虑汇编编程时的方便
13、，现规定往向走一步。（，）点处有：>ee ee > 0（，）点处有：ee ee 0（，）点处有：<ee ee < 0ee为原始的偏差计算公式（，为当前插补点动态坐标），称为偏差，每走一步到达新位置点，就要计算相应这个值。显然，0时，须向走一步；0时，须向走一步。为方便汇编编程和提高计算速度，现对偏差的计算公式加以简化：插补点位于、点时，走完下一步（）：动态坐标变为（，），新偏差变为e（）eeeee。这个公式比ee计算要方便。图4-3逐点比较法第一象限直线插补软件框图插补点位于点时，走完下一步（）：动态坐标变为（，），新偏差变为e（）eeeee。因此，走完后：偏差计算公式为e；走完后：偏差计算公式为e。图4-3为逐点比较法第一象限直线插补软件框图。;