第1章 数控机床概述

第1章数控机床概述数控机床概述数控机床的工作原理数控机床分类数控插补原理数控机床发展概况1.1数控机床的工作原理数控机床的组成数控机床加工的基本工作原理数控机床加工特点数控机床的应用范围数控机床的工作原理数控：数字控制（NumericalControl—NC），在机床领域指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种自动化技术。它所控制的一般是位置、角度、速度等机械量，但也有温度、流量、压力等物理量。计算机数控：（ComputerizedNumericalControl—CNC，又称MicroComputerizedNumericalControl—MNC）是用一个存储程序的专用计算机由控制程序来实现部分或全部基本控制功能，并通过接口与各种输入输出设备建立联系。更换不同的控制程序，可以实现不同的控制功能。数控机床：它是一种灵活、通用、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。一、数控机床的组成数控机床主要由机床本体、数控系统、驱动装置、辅助装置等几个部分组成。机床本体：是数控机床加工运动的机械部分，主要包括支承部件（床身、立柱）等、主动部件（主轴箱）、进给运动部件（工作台滑板、刀架）等。数控系统（CNC装置）：是数控机床的控制核心，一般是一台专用的计算机。驱动装置：是数控机床执行机构的驱动部分，包括主轴电动机、进给伺服电动机等。辅助装置：指数控机床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、气动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械手等。数控机床的组成机床数控系统的基本工作流程如图l.1所示。数控机床的组成机床数控系统是由加工指令程序、计算机控制装置、可编程逻辑控制器、主轴进给驱动装置、速度控制单元及位置检测装置等组成。其核心部分是计算机控制装置。计算机控制装置由硬件和软件两部分组成。硬件的主体是计算机，包括中央处理器、输入输出部分和位置控制部分。软件有管理软件和控制软件。管理软件包括输入输出、显示和诊断程序等。控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算和位置控制等程序。数控机床的组成数控系统的基本功能:数控系统即位置控制系统，具有三个基本功能：（1）输入功能指零件加工程序和各种参数的输入。（2）插补功能在加工零件的实际轮廓或轨迹的已知点之间确定一些中间点的方法。通常在给定直线或圆弧的起点和终点之间插补中间点。插补方法主要有两种：1）脉冲增量法。2）数字增量法。（3）伺服控制将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后化为伺服电动机（步进或直、交流电动机）的转动，从而带动机床工作台移动。数控机床的组成数控系统的工作过程•对输入的零件加工程序、控制参数、补偿数据等进行识别和译码，并执行所需要的逻辑运算，发出相应的指令脉冲，控制机床的驱动装置，操作机床实现预期的加工功能。数控机床的组成主轴控制单元•主要控制机床主轴的旋转运动。速度控制单元•进给驱动装置是由交、直流电动机、速度检测元件和速度控制元件组成。速度控制单元主要控制机床各坐标轴的切削进给运动。数控机床的组成可编程逻辑控制器•这是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。PLC处于计算机控制装置与机床之间，对计算机控制装置和机床的输入输出信号进行处理，实现辅助功能M、主轴转速S及刀具功能T的控制和译码。即按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起动、停止、转向、转速、刀具的更换、工件的夹紧松开、液压、冷却、润滑、气动等进行控制。二、数控机床的基本工作原理数控机床加工时，是根据工件图样要求及加工工艺过程，将所用刀具及机床各部件的移动量、速度及动作先后顺序、主轴转速、主轴旋转方向及冷却等要求，以规定的数控代码形式，编制成程序单，并输入到机床专用计算机中。然后，数控系统根据输入的指令，进行编译、运算和逻辑处理，输出各种信号指令，控制机床各部分进行规定的位移和有顺序的动作，加工出各种不同形状的工件。三、数控机床加工特点1．适应性强2．精度高3．效率高4．减轻劳动强度、改善劳动条件四、数控机床的应用范围1）多品种小批量零件（合理生产批量为10～100件之间）；2）结构较复杂，精度要求较高或必须用数学方法确定的复杂曲线、曲面等零件；3）需要频繁改型的零件；4）钻、镗、铰、锪、攻螺纹及铣削工序联合进行的零件，如箱体、壳体等；5）价格昂贵，不允许报废的零件；6）要求百分之百检验的零件；7）需要最小生产周期的急需零件。1.2数控机床分类按控制刀具与零件相对运动轨迹分类按加工方式分类按控制坐标轴数分类按驱动系统的控制方式分类一、按控制刀具与零件相对运动轨迹分类1．点位控制或位置控制数控机床这类机床只能控制工作台或刀具从一个位置精确地移动到另一位置，在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动，见图1.3a。如数控镗、钻、冲，数控点焊机及数控折弯机等均属此类机床。按控制刀具与零件相对运动轨迹分类2．轮廓控制数控机床这类机床能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制，具有插补功能，工作台或刀具边移动边加工，见图1.3b、c。如数控铣、车、磨及加工中心等是典型的轮廓控制数控机床，数控火焰切割机、数控线切割及数控绘图机等也都采用轮廓控制系统。二、按加工方式分类1）金属切削类：如数控车、钻、镗、铣、磨、加工中心等。2）金属成形类：如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。3）特殊加工类：如数控线切割、电火花、激光切割机等。4）其他类：如数控火焰切割机、三坐标测量机等。三、按控制坐标轴数分类1）两坐标数控机床：两轴联动，用于加工各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。2）三坐标数控机床：三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。3）多坐标数控机床：四轴或五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。图l.4为两种不同类的四轴联动数控机床。四、按驱动系统的控制方式分类1．开环控制数控机床2．闭环控制数控机床3．半闭环控制数控机床1.3数控插补原理插补方法基准脉冲插补数字积分插补法一、插补方法插补的基本概念所谓插补，就是指数据密化的过程，对输入数控系统的有限坐标点（例如起点、终点），计算机根据曲线的特征，运用一定的计算方法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，以满足加工精度的要求。数控系统（包括硬件NC系统和计算机CNC系统）必须具备插补功能，但采取的插补方式会有所不同。在CNC系统中，一般采用软件或软件和硬件相结合的方法完成插补运算，称为软件插补；在NC系统中，有一个专门实现插补计算的计算装置（插补器），称为硬件插补。软件插补和硬件插补的原理相同，其作用都是根据给定的信息进行计算，在计算过程中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲，使数控机床按指定的轨迹运动。插补方法插补功能的基本要求（1）必须保证插补计算的精度，插补结果没有累积误差，局部偏差不能超过允许的误差（一般小于规定的分辨率）。（2）对于硬件插补，要求控制电路简单可靠；对于软件插补，要求计算方法简洁，计算速度快。（3）控制系统运行速度快且输出脉冲均匀，使进给速度恒定且能满足加工要求。（4）插补计算所需的原始数据较少。插补方法插补方法的分类（1）基准脉冲插补基准脉冲插补又称为脉冲增量插补或行程标量插补，适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。其特点是每次插补结束后产生一个行程增量，以脉冲的方式输出到步进电机，驱动坐标轴运动。单个脉冲使坐标轴产生的移动量称为脉冲当量，一般用δ来表示。脉冲当量是脉冲的基本单位，按加工精度选定，普通机床取δ=0.01mm，较精密的机床取δ=0.005mm、0.0025mm或0.001mm。由于基准脉冲插补算法只用加法和移位即可完成，故运算速度很快。一般用于中等精度（0.01mm）和中等速度（l～3m／min）的数控系统。插补方法的分类（2）数据采样插补数据采样插补又称为数字增量插补或时间标量插补，适用于交、直流伺服电机驱动的闭环（或半闭环）控制系统。这类插补算法的特点是插补运算分两步进行。首先为粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干点，用若干微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度△L相等，且与给定的进给速度有关。在每一插补周期中，粗插补程序被调用一次，因而每一微小直线段的长度△L与进给速度F和插补周期T成正比，即△L=FT。粗插补的特点是把给定的曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补，它在粗插补计算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。在实际应用中，粗插补由软件完成，即通常所说的插补运算；精插补可以由软件完成，也可以由硬件完成。这类插补算法都是采用时间分割的思想，根据程序编制的进给速度，将轮廓曲线分割为采样周期的进给段（轮廓步长），即用直线或圆弧逼近轮廓曲线。二、基准脉冲插补逐点比较插补法逐点比较插补法又称代数运算法、醉步法，它是一种最早的插补算法，其原理是：CNC系统在控制加工过程中，能逐点计算和判别刀具的运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓方向靠近，使加工轮廓逼近给定轮廓曲线。逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧曲线，它与给定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量，因此只要将脉冲当量，即坐标轴进给一步的距离取得足够小，就可满足加工精度的要求。逐点比较插补法逐点比较直线插补逐点比较直线插补逐点比较直线插补逐点比较直线插补逐点比较直线插补从上述过程可以看出，逐点比较法中刀具每进给一步都要完成以下四项内容：（1）偏差符号判别确定加工点是在规定零件轮廓线外侧还是在内侧，即判断是否。（2）坐标进给根据偏差情况，控制x坐标轴或y坐标轴进给一步，使加工点向零件轮廓线靠拢，以缩小偏差。当时，向+x方向前进一步；当时，向+y方向前进一步。（3）新偏差计算进给一步后，计算新加工点与零件轮廓的偏差，作为下一步偏差判别的依据。计算公式为式（1.1）或式（1.2）。（4）终点判别判别终点的方法有两种，一是计算出x和y方向坐标所要进给的总步数，即每向x或y方向进给一步，均进行∑N减1计算，当∑N减至零时即到终点，停止插补。另一种方法是分别求出x坐标和y坐标应进给的步数，即∣xe∣和∣ye∣的值，当沿x方向进给一步时，Nx－1；当沿y方向进给一步时，Ny－1；当Nx和Ny都为零时，达到终点，停止插补。eeeeyxyyxxN)()(00逐点比较直线插补举例设在第一象限插补直线段OA，起点为坐标原点O（0，0），终点为A（8，6）。试用点比较法进行插补，并画出插补轨迹。解：用第一种终点判别法插补完这段直线，刀具沿x、y轴应走的总步数为1468eeyxN逐点比较直线插补逐点比较直线插补逐点比较直线插补逐点比较法直线插补可以用硬件实现，也可以用软件实现。用硬件实现时，采用两个坐标寄存器、偏差寄存器、加法器、终点判别器等组成逻辑电路即可实现逐点比较法的直线插补。用软件实现插补的程序流程图如图1.8和插补轨迹如图1.9所示。逐点比较直线插补逐点比较插补法逐点比较圆弧插补图1.10圆弧插补原理逐点比较圆弧插补逆时针圆弧插补逆时针圆弧插补逐点比较圆弧插补顺时针圆弧插补顺时针圆弧插补逐点比较圆弧插补逐点比较圆弧插补圆弧插补每进给一步，也要完成偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点判别四项内容，只是偏差计算公式、进给方向和终点判别步数N的计算公式与直线插补不一样。其中，偏差计算公式和进给方向可利用公式（1.3）～式（1.6），终点判别方法有如下两种。逐点比较圆弧插补举例：第一象限逆时针圆弧AB，起点为A（6，0），终点为B（0，6）。试对此段圆弧进行插补，并画出插补轨迹图。解：用第二种终点判别方法插补完这段圆弧，刀具沿x轴和y轴应走的步数分别为逐点比较圆弧插补逐点比较圆弧插补逐点比较圆弧插补举例：第一象限顺时针圆弧AB，起点为A（0，6），终点为B（6，0）。试对此段圆弧进行插补，并画出插补轨迹图。解：终点判别用第一种方法，则逐点比较圆弧插补逐点比较圆弧插补图1.16逐点比较圆弧插补三、数字积分插