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现代数控的基本原理哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室2012年4月1.1机床数字控制的基本概念1.概念◎数控:数字控制（NC—NumericalControl）以数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。◎数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一种技术，它综合应用了多种学科的知识。◎数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产系统的基本单元。◆数控技术是现代先进制造技术的基础◆其技术水平和普及度是衡量一个国家综合国力和工业现代化程度的重要标志。1.2数控的基本原理1.2.1数控加工的基本概念数控加工过程由三部分内容组成数控编程加工控制加工过程数控编程：由编程系统将被加工零件的信息（几何、工艺信息）转换为数控装置所能接受的指令信息（数控加工信息）加工控制：由数控装置进行处理，计算出控制机床各坐标运动的机床控制信息。加工过程：由机床刀具系统执行装置将机床控制信息转换为机床各坐标运动部件的实际运动,并通过机床结构将坐标运动进行合成形成刀具实际运动轨迹,加工出符合设计要求的合格零件零件CAD/CAM工艺分析数值分析信息处理轨迹插补后置处理运动控制机床驱动机床结构刀具工装……几何工艺信息数控加工信息机床控制信息零件成品编程系统数控编程数控装置加工控制机床刀具系统加工过程反馈信息数控加工过程的三部分加工过程的控制实质:是一种信息变换与处理的过程基本原理:是信息与运动的“分解与合成”分解:将零件设计信息细化为控制机床坐标运动的细微指令；合成:通过驱动装置实现微小运动，并通过机床结构及工艺过程将各坐标轴的微小运动进行合成形成刀具运动轨迹，加工出合格零件。零件CAD模型加工表面分解加工表面加工路径计算加工路径刀具路径分解刀具路径数控轨迹插补数控曲线坐标运动实现刀具轨迹合成加工表面形成零件成品运动指令坐标运动刀具轨迹加工表面合成分解数控加工的分解与合成1.2.2数控加工的实现过程1.零件加工表面分解零件被加工表面:由各种曲面（包括平面）组成的。多数情况下不可能一次走刀加工完成。确定加工方式，用切削刀具等进行加工时只能按一定的加工路径逐行（逐段）地进行。将零件加工表面分解成一条一条的加工路径解决这一问题的过程需加工路径规划加工（切削）路径规划:一般可在加工前通过数控编程系统以离线方式完成。分解加工表面:得到的希望加工路径是刀具与工件接触点将沿工件表面移动的路径。一般数控系统并不直接按加工路径对机床进行控制,按刀具路径控制分解的例子：槽加工：双向走刀槽加工：单向走刀加工方式：槽13254图3.1平面轮廓与曲面加工图中1、5–刀具2–刀位点3、4–刀具轨迹（行刀具轨迹及行间距）加工方式：轮廓加工方式：行切法和等高线法行切法：一行、一行加工，中间要走一个行距；等高线法：先加工一个等高线平面上的轮廓，再加工另一个等高线平面上的轮廓。a)行切法b)等高切削两种常见的刀位轨迹形式图加工路径：得到加工路径后还需进一步将其转换为刀具运动路径。对于圆柱状铣刀加工二维轮廓和球头铣刀加工简单三维曲面，这种转换只是一个求等距偏移路径的过程。对于其他形状复杂的刀具和形状复杂的加工表面，求解刀具路径较为复杂。刀具路径：运动控制是对刀具上某一固定点（如球头刀的球心、端铣刀端面的中心等）的运动路径（即刀具路径）进行控制，因此，在得到加工路径后还需进一步将其转换为刀具运动路径。对于圆柱状铣刀加工二维轮廓和球头铣刀加工简单三维曲面，这种转换只是一个求等距偏移路径的过程。对于其他形状复杂的刀具和形状复杂的加工表面，求解刀具路径较为复杂。球头铣刀加工路径加工表面刀具球心刀具路径加工路径工件工件接触点零件加工表面的“分解”加工路径与刀具运动路径2.刀具运动路径分解刀具运动路径：是一条复杂的组合曲线一般情况下，根据加工路径求解出刀具运动路径，是一条复杂的组合曲线，数控系统仍不能按其直接控制机床运动实现加工。基本数控曲线：直线、圆弧、椭圆、抛物线、双曲线、螺旋线、样条曲线为此需要进一步将刀具运动路径分解成数控系统所能接受和执行的最基本数控曲线。目前大多数数控系统所能接受的这种基本数控曲线，只是一些简单曲线，如直线、圆弧、椭圆、抛物线、双曲线、螺旋线、样条曲线等。刀具运动路径分解为基本数控曲线因此，将刀具运动路径分解为基本数控曲线仍然是实现数控加工的关键一环。分解刀具运动路径求取基本数控曲线的方法有：（1）直接分解法简单的基本曲线：分解为数控曲线如果刀具运动路径由简单的基本曲线组成，则可直接从零件图样（或其他载体）上获得这些简单曲线的几何描述信息，如直线的起点、终点，圆弧的起点、终点、半径等。在工程实际中，因为大多数工件轮廓都是由直线、圆弧等简单基本曲线组成的，因此都可以通过直接分解得到数控系统所能接受的基本曲线。（2）函数逼近法解析表达式描述的复杂曲线：用直线、圆弧逼近如果加工路径和刀具运动路径是一些用解析表达式描述的复杂曲线，则可用一些简单函数对其进行逼近，从而求得数控系统所能接受的基本曲线。这方面比较常用的方法有直线逼近法、圆弧逼近法等。（3）曲线拟合法复杂轮廓没有解析表达式、列表曲线（型值点序列）：曲线拟合方法（圆弧拟合、双圆弧拟合、样条曲线拟合等）工件轮廓复杂，并且是通过实验等方法设计的，没有解析表达式。这时对加工路径和刀具运动路径进行分解，就必须根据图样等信息载体上以数据点序列给出的工件轮廓，通过曲线拟合方法求得基本数控曲线。这方面的典型方法有：圆弧拟合、双圆弧拟合、样条曲线拟合等。分解加工表面和刀具运动路径求取基本数控曲线的过程是比较复杂实现方法：人工完成计算机自动编程系统完成以前靠人工完成，需花很多时间和精力，而且对于复杂表面还难以实现。现在这一过程可借助计算机自动编程系统完成。3.数控轨迹插补得到基本数控曲线后，还需要数控系统对其进一步细化，得到数控机床运动所需的最小希望运动量---由数控轨迹插补完成■数控轨迹插补（或轨迹生成）:由数控装置通过插补算法实现。数控轨迹和刀具路径具有不同的概念◐刀具路径―只表示刀具将要走过的道路，只具有几何形状的概念，没有时间上的概念。◐数控轨迹―表示刀具不仅要沿给定的路径运动，而且还规定了完成这一运动所需的时间，轨迹既有几何形状的概念，还包含速度和加速度等物理概念。完成数控轨迹生成的基本方法是插补运算。■插补的概念：根据给定的基本数控曲线、刀具路径或零件表面等几何元素描述信息，在这些元素上的已知点之间，按要求精度和速度进行坐标点密化。■插补基本方法：大多数数控系统只能对基本数控曲线进行轨迹插补，随着发展将会对复杂刀具路径甚至整张零件表面直接进行轨迹插补插补是数控的核心技术,基本方法分为三大类:◐脉冲增量插补◐数据采样插补◐混合插补。（1）脉冲增量插补特点：1）用平行于坐标轴的单位长度直线段或其合成线段逼近被插补曲线2）每完成一次插补运算，既向一轴或多轴发出单位进给脉冲，产生单位移动量。3）各轴输出脉冲的合成频率决定了机床的合成进给速度。4）进给速度控制可采用频率可调的控制信号控制插补过程。5）减小脉冲当量可提高插补精度，但会降低进给速度。故脉冲增量插补不适合高速高精度插补。6）脉冲增量插补可以用硬件和软件实现，但用软件实现受计算速度的限制不易达到高的速度。O被插补曲线插补轨迹δxδyYXXs,YS被插补曲线插补轨迹插补点YXOXs,YSXe,YeXe,Ye脉冲增量插补原理数据采样插补原理（2）数据采样插补特点：1）进行时域分割，将时间轴分成等间隔的插补周期。2）在一个插补周期中，用直线段逼近被插补曲线，并根据投影关系计算出各坐标轴的进给量和各坐标轴的当前位置（插补点坐标）3）调节直线段的长度，可控制进给速度，调节直线段长度的变化率可控制加（减）速度。4）在插补频率一定的条件下，直线段越短越能保证插补精度。但会降低进给速度。要保证精度又提高速度，只有提高插补频率。5）采样插补的输出为数字量，可以直接控制数字伺服系统的数字式执行装置。数据采样插补具有：▼较大的灵活性▼达到很高的插补精度，▼获得很高的进给速度，并具有速度控制方便，合成速度均匀性好▼通过前加减速控制速度变化，也可以根据被插补曲线的曲率变化▼可进行进给速度的自适应控制。▼数据采样插补易于用软件实现。（3）混合插补包括二级插补◎第一级采用数据采样插补◎第二级采用脉冲增量插补混合插补主要用于高性能步进电机。4.坐标运动的实现◎插补计算产生的数控轨迹，由机床各坐标的伺服系统完成实际运动◎坐标运动的实现方法分二类。分为：⑴步进实现法⑵连续实现法5.刀具运动轨迹的合成◎运动的准确性经过坐标运动环节，在一定程度上保证各坐标自身运动的准确性◎运动轨迹的准确性刀具运动轨迹是通过机床结构将各坐标运动进行合成而产生的，准确性受多方面的因素影响。◎保证刀具合成运动轨迹的精度，采取措施：①减小随动误差对合成运动轨迹精度的影响随动误差是闭环运动控制系统的固有误差，一般难以消除，特别是高速加工时，问题更为突出。②减小加减速过程对合成运动轨迹精度的影响数控系统有二种自动加减速控制方法：插补前加减速控制插补前加减速控制是对合成进给速度进行控制，不会对轨迹精度造成影响。插补后加减速控制是对各坐标轴的速度进行单独的控制，这时坐标轴的实际运动将滞后于插补指令，产生与随动误差类似的加减速滞后误差。③减小机床误差对合成运动轨迹精度的影响机床的几何误差、热变形误差、受力变形误差等都会对刀具合成轨迹的精度产生影响，例如，当机床X、Y工作台不垂直，无论轨迹插补和运动控制如何精确，却连一个简单的圆弧都无法准确加工出来特别是复杂多坐标数控机床，机床误差对合成刀具运动轨迹的影非常严重。6.加工轨迹与工件表面的形成⑴加工表面形成■刀具按照合成运动轨迹运动■刀具与工件接触点便在工件表面上走出一条实际的加工轨迹。■众多加工轨迹所形成的包络即构成了工件被加工表面。⑵要获得准确的加工表面须保证：■实际加工轨迹的几何形状与编程规划的加工路径相一致。■加工轨迹的正确性⑶影响加工轨迹正确性的因素：刀具的形状误差、刀具的几何尺寸误差、热变形误差、受力变形误差；工件的受力变形等都对加工轨迹和工件表面的精度产生影响；1.3数控系统的基本结构、运行方式和数控加工系统的组成1.3.1数控系统的基本结构1.数控系统组成：数控装置、执行装置（伺服驱动）和被控对象三大部分(从控制理论看，一个控制系统还包含被控对象)数控系统组成：◈数控装置（数字控制器）,是数控系统的核心◈执行装置,执行环节-伺服机构◈机床工艺系统◈检测环节（闭环数控系统）2.执行装置包括：◈主轴驱动系统◈进给驱动系统◈开关量驱动等；◈检测环节:包括位置速度电流监测、加工状态监测、运行安全检测等环节；3.机床工艺系统--数控系统的被控对象,包括:◈机床主机◈刀具◈工艺装备考虑了机床和工艺特性设计的数控系统才能成为最优的控制系统。开放式数控系统:组成与机床最佳配合的数控系统,体现机床和工艺特色开辟了很好的途径:◈数控系统生产厂家提供基本的具有开放结构的数控装置，◈机床生产厂家进行二次开发，根据被控对象（各类机床及其工艺系统）的特点加入有特色的控制功能和控制数据零件数控加工程序数控装置机床操作面板网络系统输入装置主轴主轴驱动单元进给驱动单元开关量控制单元主轴电动机进给电动机机床电器检测检测装置零件成品数控系统的基本结构具体组成、结构：1.数控系统的输入部分数控系统输入部分作用:输入操作信息、数控加工程序、机床参数、补偿参数等。该部分具有人机交互作用，可以显示动态运行信息。输入工作由操作面板上的键盘、输入装置（穿孔带、软磁盘、USB接口）、网络系统（由上位计算机通过网络输入）等完成。2.数控系统的数控装置数控装置是数控系统的核心（数字控制器），是用于数控加工的专用计算机系统。其结构由硬件系统和软件系统二大部分组成。3.数控系统的执行环节该部分包括:主轴驱动系统、进给驱动系统和辅助驱动系统。主轴驱动系统:任务是将数控装置给出的主轴控制指令转变为主轴的实际运动，与进给运动配合完成零件加工；进给驱动系统:将插补产生的坐标运动指令转变为机床各进给坐标轴的实际运动，实现刀具运动轨