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cold1999
时间 09-05 08:31
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数控技术：第1章数控加工实用基础
.1.1 数控加工原理和特点
1．数控加工原理
当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速、开关切削液等操作都是由人工直接控制的；采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模、挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。
采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控加工的原理可用如下框图表示：
由图1-1可以看出，数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。
数控机床的控制系统一般地都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向、加工路线进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。
2．数控加工的特点
总的来说，数控加工有如下特点：
（1）自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成（若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节）。减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。
（2）对加工对象的适应性强，改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其它任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。
（3）加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.005~0.01mm之间，不受零件复杂程度的影响，由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。
（4）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。
1.1.2 数控加工常用术语
1．坐标联动加工
数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以坐标数据来进行控制的。象数控车床、数控线切割机床等是属于两坐标控制的，数控铣床则是三坐标控制的（如图1-2所示），还有四坐标轴、五坐标轴甚至更多的坐标轴控制的加工中心等。坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力（如图1-3所示）。当然也有一些早期的数控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐标联动的三坐标机床。象这类机床就不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第三轴作单独周期性进给的“两维半”加工方式。
2．脉冲当量与速度修调
数控机床各轴采用步进电机、伺服电机或直线电机驱动，是用数字脉冲信号进行控制的。每发送一个脉冲，电机就转过一个特定的角度，通过传动系统或直接带动丝杠，从而驱动与螺母副连结的工作台移动一个微小的距离。单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。手动操作时数控坐标轴的移动通常是采用按键触发或采用手摇脉冲发生器（手轮方式）产生脉冲，采用倍频技术可以使触发一次的移动量分别为0.001mm、0.01mm、0.1mm、1mm等多种控制方式，相当于触发一次分别产生1、10、100、1000个脉冲。
进给速度是指单位时间内坐标轴移动的距离，也即是切削加工时刀具相对于工件的移动速度。如某步进电机驱动的数控轴，其脉冲当量为0.002mm，若数控装置在0.5分钟内发送出20000个进给指令脉冲，那么其进给速度应为：20000×0.002/0.5=80 mm/min。加工时的进给速度由程序代码中的F指令控制，但实际进给速度还是可以根据需要作适当调整的，这就是进给速度修调。修调是按倍率来进行计算的，如程序中指令为F80，修调倍率调在80%档上，则实际进给速度为80×80%=64 mm/min，同样地，有些数控机床的主轴转速也可以根据需要进行调整，那就是主轴转速修调。
3．插补与刀补
数控加工直线或圆弧轨迹时，程序中只提供线段的两端点坐标等基本数据，为了控制刀具相对于工件走在这些轨迹上，就必须在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以填补确定一些中间点，如图1-4（a）、（b）所示，各轴就以趋近这些点为目标实施配合移动，这就称之为“插补”，这种计算插补点的运算称为插补运算。早期NC硬线数控机床的数控装置中是采用专门的逻辑电路器件进行插补运算，称之为“插补器”，现代CNC软线数控机床的数控装置中则是通过软件来实现插补运算的。现代数控机床大多都具有直线插补和平面圆弧插补的功能，有的机床还具有一些非圆曲线的插补功能。插补加工原理见本章第二节。
刀补是指数控加工中的刀具半径补偿和刀具长度补偿功能。具有刀具半径补偿功能的机床数控装置能使刀具中心自动地相对于零件实际轮廓向外或向内偏离一个指定的刀具半径值，并使刀具中心在这偏离后的补偿轨迹上运动，刀具刃口正好切出所需的轮廓形状，如图1-4（c）所示。编程时直接按照零件图纸的实际轮廓大小编写，再添加上刀补指令代码，然后在机床刀具补偿寄存器对应的地址中输入刀具半径值即可。加工时由数控机床的数控装置临时从刀补地址寄存器中提出刀具半径值，再进行刀补运算，然后控制刀具中心走在补偿后的轨迹上。刀具长度补偿主要是用于补偿由于刀具长度发生变化的情况。关于刀具补偿的用法将在以后有关章节中详述。
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cold1999
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Re:数控技术：第1章数控加工实用基础
1.1.3 数控加工技术的发展
1．数控加工技术的发展历程
1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。
1953年麻省理工学院开发出只须确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。
1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库、能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类—加工中心。
1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车及自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。
1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。
1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。
DNC直接数控技术始于60年代末期，它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机与之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。
20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS，其中数控是其基本控制单元。
20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。
我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。1980年开始北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HCNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。
据1997年不完全统计全国共拥有数控机床12万台，目前，我国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到1万多台，品种满足率达80%，并在有些企业实施了FMS和CIMS工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。
2．数控加工技术的发展方向
现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。
1.2 数控系统控制原理
1.2.1 CNC硬件组成与控制原理
CNC即计算机数控系统（Computerized Numerical Control）的缩写，它是在硬线数控（NC）系统的基础上发展起来的，由一台计算机完成早期NC机床数控装置的所有功能，并用存贮器实现了零件加工程序的存贮。
图1-5 CNC系统构成
如图1-5为小型计算机CNC系统构成。数控系统的核心是计算机数字控制装置，即CNC装置，其由硬件（数控系统本体器件）和软件（系统控制程序如编译、中断、诊断、管理、刀补、插补等）组成。系统中的一种功能，可用硬件电路实现，也可用软件实现。新一代的CNC系统，大都是采用软件来实现数控系统的绝大部分功能。要增加或更新系统功能时，则只需要更换控制软件即可，因此CNC系统较之NC系统具有更好的通用性和灵活性。
如图1-6为典型的微处理器数控系统框图。其各组成部分功用如下所述：
（1）微处理器CPU及其总线 它是CNC装置的核心，由运算器及控制器两大部分组成。运算器负责数据运算；而控制器则是将存储器中的程序指令进行译码并向CNC装置的各部分发出执行操作的控制信号，且根据所接收的反馈信息决定下一步的命令操作。总线则是由物理导线构成的，分成数据线、地址线、控制线三组。
（2）存储器 用以存放CNC装置的数据、参数和程序。有存放系统控制软件的只读存储器EPROM和存放中间运算结果的随机读写存储器RAM及存放零件加工程序信息的磁泡存储器或带后备电池的CMOS RAM。
（3）MDI/CRT接口 MDI即手动数据输入单元，CRT为显示器。由数控操作面板上的键盘输入、修改数控程序及设定加工数据，同时通过CRT显示出来。CRT常用于显示字符或图形信息。
（4）输入装置（纸带读入和穿孔输出接口） 光电阅读机可将由其它纸带凿孔机所制作的纸带上的程序信息读入到CNC装置中，可直接用于控制加工或将程序转存到存储器中。有的机床还备有穿孔输出的纸带凿孔机，可将本机上编好的程序制成纸带，用于其它数控系统中。纸带输入输出曾经是数控机床和其它计算机控制系统交换信息的主要媒介。也有的机床采用磁带机或磁盘驱动器等媒介，较之纸带输入输出更方便。
（5）数据输入输出（I/O）接口 是CNC装置和机床驱动部件之间来往传递信息的接口。主要是用于接收机械操作面板上的各种开关、按钮以及机床上各行程限位开关等信号，或将CNC装置发出的控制信号送到强电柜以及将各工作状态指示灯信号送到操作面板等。
（6）位置控制及主轴控制 它将插补运算后的坐标位置与位置检测器测得的实际位置值进行比较、放大后得到速度控制指令，去控制速度控制单元，驱动进给电机，修正进给误差，保证精度，主要在闭环或半闭环数控机床上使用。
（7）可编程控制器（PLC）接口 用来代替传统机床强电部分的继电器控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。
上述（1）、（2）、（3）、（4）几部分和PC电脑的功用一样，所以现代PC-NC数控系统是直接用通用PC机来取代这几个组成部分的。
当操作者按下机床操作面板上的“循环启动”按钮后，就向CNC装置发出中断请求。一旦CNC装置所处状态符合启动条件，则CNC装置就响应中断，控制程序转入相应的控制机床运动的中断服务程序。进行插补运算，逐段计算出各轴的进给速度，插补轨迹等。并将结果输出到进给伺服控制接口及其它输出接口，控制工作台（或刀具）的位移或其它辅助动作。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削运动。
1.2.2 CNC系统的软件结构
CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。
1．输入数据处理程序
它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。
（1）输入程序：它主要有两个任务，一个任务是从光电阅读机或键盘输入零件加工程序，并将其存放在零件程序存储器中；另一任务是从零件程序存储器中把零件程序逐段往外调出，送入缓冲区，以便译码时使用。
（2）译码程序：在输入的零件加工程序中含有零件的轮廓信息、加工速度及其他辅助功能信息，这些信息在计算机作插补运算与控制操作前必须翻译成计算机内部能识别的语言，译码程序就承担着此项任务。
（3）数据处理程序：它一般包括刀具半径补偿计算、速度计算以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿计算是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动。另外，诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在此程序中处理。
2．插补计算程序
CNC系统根据零件加工程序中提供的数据，如线段轨迹的种类、起点、终点坐标等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具做相应的运动，完成程序规定的加工任务。
CNC系统是一边进行插补运算、一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此尽可能地缩短运算时间，是插补运算程序的关键。
3．速度控制程序
速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。
4．管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。有的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插补运算与速度控制的空闲时间进行数据输入处理，即调用各种功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，并且保证在数据段加工过程中将下一数据段准备完毕，一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。
5．诊断程序
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（如CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。
CNC系统软件在整体结构上可有前后台型和中断型两种不同的处理方式。
前后台型结构是将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时任务，实现插补、位置控制即数控机床开关逻辑控制等实时功能；后台程序又称背景程序，实现零件程序的输入、预处理和管理的各项任务。通常情况下是背景程序控制中，需要实时加工等操作时就调用前台程序，前台程序完成或强行中断后即返回背景程序控制状态。
中断型结构将CNC的各功能模块分别安排在不同级别的中断程序中，无前后台之分。但中断程序有不同的中断级别，级别高的可以打断级别低的中断程序，系统通过各级中断服务程序间的通信来进行处理。
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cold1999
时间 09-05 08:33
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Re:数控技术：第1章数控加工实用基础
1.2.3 插补原理
如前所述，插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。将其应用于数控加工中就是：CNC装置根据程序中给定的线段方式及端点信息进行相应的数学计算，亦即是以插补运算出的中间密化点为趋近目标，不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按趋近指定的路线移动。从而最大限度地保证加工轨迹与理想轨迹相一致。
插补运算可有硬件插补（插补器）和软件插补两种实现方式。而按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。下面仅以逐点比较法为例简单介绍一下插补运算的原理。
图 1-7 逐点比较插补法及其工作节拍
逐点比较法是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点已在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过的距离）。
如图1-7所示的直线OA，取起点O为坐标原点，终点A（Xe，Ye）已知，m点（Xm，Ym）为动态加工点，若m点正好在OA直线上，则有：
= 即 XeYm － XmYe = 0
可取 Fm = XeYm - XmYe 作为直线插补的偏差判别式。
若 Fm = 0，表明m点正好在直线上；
若 Fm > 0，表明m点在直线的上方；
若 Fm < 0，表明m点在直线下方；
对于第一象限的直线，从起点（原点）出发，当 Fm ≥ 0，应沿+X方向走一步；当 Fm ＜ 0，则应沿+Y方向走一步；当两个方向所走的步数和终点坐标（Xe，Ye）值相等时，发出终点到达信号，停止插补。
由于Fm 的计算式中同时有乘法和减法，计算处理较为复杂，因此实际应用中常采用叠代法或递推法进一步推算。若某处有Fm ≥ 0，应沿+X方向走一步到达新点m+1（Xm+1，Ym）。
则新偏差为： Fm+1 = XeYm - Xm+1Ye = XeYm - （Xm+1）Ye= Fm - Ye
若某处有Fm ＜ 0，应沿+Y方向走一步到达新点m+1（Xm，Ym+1）。
则新偏差为： Fm+1 = XeYm+1 - XmYe = Xe（Ym +1）- XmYe= Fm + Xe
这样偏差计算式中只需要进行加、减运算，只要将前一点的偏差值与已知的终点坐标值相加或相减即可求得新的偏差值。
可用四个节拍来说明逐点比较法插补运算的过程。如图1-7所示。
对于其它三个象限的直线插补运算，可用相同的原理获得。圆弧的插补运算，如图1-7中所示，方法类似，只是其偏差判别式有所不同。圆弧的偏差判别式为 Fm = Xm2 + Ym2 - R2 。
逐点比较法能实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高，在我国和日本数控机床中多用；在欧美则多用数字积分法；而对于闭环控制的机床中，则多采用时间分割法。现代大部分数控机床都具有直线和圆弧插补功能，也就是说，现代数控机床大都能加工由直线和圆弧所组成的任意轨迹图形。当需要加工非圆二次曲线轨迹时，大都是在编程计算的时侯就将其采用拟合逼近的方法转化为直线或圆弧后再进行加工的。
1.2.4 典型数控系统
1．日本FANUC系列数控系统
2．德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统
3．华中数控系统HNC
HNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统，它是我国863计划的科研成果在实践中应用的成功项目，已开发和应用的产品有HNC-1和HNC-2000两个系列共计16种型号。
（1）华中1型数控系统 有HNC-1M铣床、加工中心数控系统，HNC-1T车床数控系统，HNC-1Y齿轮加工数控系统，HNC-1P数字化仿形加工数控系统，HNC-1L激光加工数控系统，HNC-1G五轴联动工具磨床数控系统，HNC-1FP锻压、冲压加工数控系统，HNC-1ME多功能小型数控铣系统，HNC-1TE多功能小型数控车系统，HNC-1S高速珩缝机数控系统。
（2）华中2000型数控系统 HNC-2000型是在HNC-1型数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC机，TFT真彩液晶显示，具有多轴多通道控制功能和内装式PC，可与多种伺服驱动单元配套使用，具有开放性好、结构紧凑、集成度高、性价比高、操作维护方便等优点。同样它也有系列派生的数控系统HNC-2000M、HNC-2000T、HNC-2000Y、HNC-2000L、HNC-2000G等。
另外国产的数控系统还有航天І型和蓝天І型，它们采用前后台结构，为多机数控系统。
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cold1999
时间 09-05 08:35
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Re:数控技术：第1章数控加工实用基础
1.3 数控机床及其坐标系统
1.3.1 数控机床及其分类
从机械本体的表面上看，很多数控机床都和普通的机床一样，看不出有多大的差别。但事实上它们已经有了本质上的不同，驱动坐标工作台的电机已经由传统的三相交流电机换成了步进电机或交、直流伺服电机，由于电机的速度容易控制，所以传统的齿轮变速机构已经很少采用了。还有很多机床取消了坐标工作台的机械式手摇调节机构，取而代之的是按键式的脉冲触发控制器或手摇脉冲发生器。坐标读数也已经是精确的数字显示方式，而且加工轨迹及进度也能非常直观地通过显示器显示出来，采用数控机床控制加工已经相当安全方便了。
由前述图1-1的原理框图中可以看出，数控机床包括数控程序输入装置、数控装置、伺服放大及执行机构、坐标工作台及床身本体等。
数控机床通常可从以下不同角度进行分类。
1．按加工工艺方法分类
按传统的加工工艺方法来分有：数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机、加工中心等。其中现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。当某数控机床具有自动换刀功能时，即可称之为“加工中心”。
2．按加工控制路线分类
（a）点位控制 （b）直线控制 （c）轮廓控制
图1-8 按加工控制路线分类
有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。
（1）点位控制机床：如图1-8（a）所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。
（2）直线控制机床：如图1-8（b）所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45°的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上，这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床、简单加工中心等。
（3）轮廓控制机床：又称连续控制机床。如图1-8（c）所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床、数控电加工机床等。
3．按机床所用进给伺服系统不同分类
有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统型。见1.3.2。
4．按所用数控装置的不同分类
有NC硬线数控和CNC软线数控机床。
（1）NC硬线数控：是早期五、六十年代采用的技术，其计算控制多采用逻辑电路板等专用硬件的形式。要改变功能时，需要改变硬件电路，因此通用性差。制造维护难，成本高。
（2）CNC软线数控是伴随着计算机技术而发展起来的。其计算控制的大部分功能都是通过小型或微型计算机的系统控制软件来实现的。不同功能的机床其系统软件就不同。当需要扩充功能时，只需改变系统软件即可。
5．按控制坐标轴数目分类
按机床数控装置能同时联动控制的坐标轴的数目来分，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床、多坐标联动数控机床。
1.3.2 数控机床的进给伺服系统
数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电机、电液动脉冲马达、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给和快速运动。
1．开环伺服系统：其伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。如图1-9所示，由数控系统送出的进给指令脉冲，通过环形分配器、按步进电机的通电方式进行分配，并经功率放大后送给步进电机的各相绕组，使之按规定的方式通、断电，从而驱动步进电机旋转。再经同步齿形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率及通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是结构简单、维护方便、成本较低。但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可稍有提高。
图1-10 半闭环伺服系统
2．半闭环伺服系统：有检测和反馈系统。如图1-10所示，测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过检测丝杠或电机的回转角。间接测出机床运动部件的位移，经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制指令值相比较。如果二者存在偏差，便将此差值信号进行放大，继续控制电机带动移动部件向着减小偏差的方向移动，直至偏差为零。由于只对中间环节进行反馈控制，丝杠和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。对丝杠螺母副的机械误差，需要在数控装置中用间隙补偿和螺距误差补偿来减小。
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cold1999
时间 09-05 08:35
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Re:数控技术：第1章数控加工实用基础
3．闭环伺服系统：如图1-11所示，工作原理和半闭环伺服系统相同，但测量元件（直线感应同步器、长光栅等）装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。该系统将所有部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难。
1.3.3 数控机床的主轴驱动
1．对主轴驱动的要求
（1）数控机床主传动要有较宽的调速范围及尽可能实现无级变速。为适应各种工序和不同材料加工的要求，需要较宽的变速范围。且要求在整个速度范围内均能够提供切削所需的功率或扭矩。
（2）较高的回转精度和良好的动态响应性能。减少传动链，提高主轴部件刚度和抗振性、热稳定性，变速时自动加减速时间应短，调速运转平稳。应能对主轴负载进行检测控制，有过载报警功能。
（3）有旋转进给轴（C轴）的控制功能。要求主轴能与其它进给轴同时实现联动控制，如车螺纹、攻丝等加工时，主轴转速与直线坐标轴进给速度之间应保持一定的联动关系。
（4）具有恒线速切削功能。如端面车削加工时，有时要求采用恒定的表面线速度，这就要求主轴转速能随着车削直径的改变而自动变化。
（5）主轴准停控制功能。在加工中心上自动换刀时或执行某些特定的加工动作时，要求主轴须停在一个固定不变的方位上，这就需要主轴有高精度的准停控制功能。
2．主轴调速与驱动
主轴驱动的调速电机主要有直流电动机和交流电动机两大类。
直流电动机可采用改变电枢电压（降压调速）或改变励磁电流（弱磁调速）的方法实现无级调速，降压调速可获得恒转矩，弱磁调速可获得恒功率输出。
交流电动机目前广泛采用矢量控制的变频调速方法，变频器应同时有调频兼调压的功能以适应负载特性的要求。
仅采用无级调速，虽然可使主轴齿轮箱大为简化，但其低速段输出扭矩常常无法满足机床强力切削的要求。数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机无级调速和机械齿轮变速两种方法，按照控制指令自动调速，以同时满足对主传动调速和输出大扭矩的要求。
数控机床的主轴驱动主要有以下四种配置方式。
（1）带有变速齿轮的主传动 如图1-12（a）所示，通过少数几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴低速时有足够的扭矩输出。滑移齿轮的移动大都采用开关量信号控制的液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
（2）通过带传动的主传动 如图1-12（b）所示，电动机与主轴通过形带或同步齿形带传动，不用齿轮传动，可避免振动和噪声。适用于高速、低转矩特性要求的主轴。
（3）用两个电动机分别驱动主轴 如图1-12（c）所示，高速时通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转。
（4）内装电动机主轴传动结构 如图1-12（d）所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但输出扭矩小，电动机发热对主轴的影响较大。
3．主轴准停装置
加工中心的主轴部件上的主轴准停装置，就是使主轴每次都能准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽。
主轴准停装置一般分为机械式和电气式两种。如图1-13所示是一电气式准停装置的原理图。在带动主轴旋转的带轮的端面上装有一个厚垫片，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁，在主轴箱体对应与主轴准停的位置上，装有一磁传感器。当主轴需要停转换刀时，数控装置发出主轴准停的指令，电机降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁对准磁传感器时，磁传感器发出回应信号，经放大后，有定向电路控制主轴电机停在规定的周向位置上。
1.3.4 数控机床的坐标轴与运动方向
图1-14 笛卡尔直角坐标系统
数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。如图1-14所示，X、Y、Z直线进给坐标系按右手定则规定，而围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C则按右手螺旋定则判定。机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：
（1）先确定Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。如立式铣床，主轴箱的上、下或主轴本身的上、下即可定为Z轴，且是向上为正，若主轴不能上下动作，则工作台的上、下便为Z轴，此时工作台向下运动的方向定为正向。
（2）再确定X轴。X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在工件旋转的机床（如车床、外圆磨床）上，X轴的运动方向是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平（如卧式铣床、镗床），则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出方向为X轴正向，若Z轴为垂直（如立式铣、镗床，钻床），则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出方向为X轴正向。
（a） 卧式车床 （b） 立式铣床
图1-15 数控机床坐标系示例
（3）最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。如图1-15是机床坐标系示例。
- #5
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cold1999
时间 09-05 08:35
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Re:数控技术：第1章数控加工实用基础
上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“’”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：
+ X = - X’ + Y = - Y’ + Z = - Z’ + A = - A’ + B = - B’ + C = - C’
事实上不管是刀具运动还是工件运动，在进行编程计算时，一律都是假定工件不动，按刀具相对运动的坐标来编程。机床操作面板上的轴移动按钮所对应的正负运动方向，也应该是和编程用的刀具运动坐标方向相一致。比如对立式数控铣床而言，按+X轴移动钮或执行程序中+X移动指令，应该是达到假想工件不动，而刀具相对工件往右（+X）移动的效果。但由于在X、Y平面方向，刀具实际上是不移动的，所以相对于站立不动的人来说，真正产生的动作却是工作台带动工件在往左移动（即 +X’ 运动方向）。若按+Z轴移动钮，对工作台不能升降的机床来说，应该就是刀具主轴向上回升； 而对工作台能升降而刀具主轴不能上下调节的机床来说，则应该是工作台带动工件向下移动，即刀具相对于工件向上提升。
另外，如果在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其它轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R。如图1-16所示。
（a） 卧式镗铣床 （b） 六轴加工中心
图1-16 多轴数控机床坐标系示例
1.3.5 机床原点、参考点和工件原点
机床原点就是机床坐标系的原点。它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。机床坐标系是通过回参考点操作来确立的，参考点是确立机床坐标系的参照点。
数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中心，数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处，但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。
参考点（或机床原点）是用于对机床工作台（或滑板）与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点，一般地都是设定在各轴正向行程极限点的位置上。该位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好的，它相对于机床原点的坐标是一个已知数，一个固定值。每次开机启动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴回参考点，进行一次位置校准，以消除上次运动所带来的位置误差。
在对零件图形进行编程计算时，必须要建立用于编程的坐标系，其坐标原点即为程序原点。而要把程序应用到机床上，程序原点应该放在工件毛坯的什么位置，其在机床坐标系中的坐标是多少，这些都必须让机床的数控系统知道，这一操作就是对刀。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。工件原点一般按如下原则选取：
（1）工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。
（2）能使工件方便地装夹、测量和检验。
（3）尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。
（4）对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。
车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面。铣床的工件原点，一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，进刀深度方向上的零点，大多取在工件表面。如图1-17所示。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点；对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点独立地编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别设定各自的工件坐标系。
图1-17 坐标原点与参考点
对于编程和操作加工采取分开管理机制的生产单位，编程人员只需要将其编程坐标系和程序原点填写在相应的工艺卡片上即可。而操作加工人员则应根据工件装夹情况适当调整程序上建立工件坐标系的程序指令，或采用原点预置的方法调整修改原点预置值。以保证程序原点与工件原点的一致性。
1.3.6 绝对坐标编程和相对坐标编程
图1-18 绝对坐标和相对坐标
数控编程通常都是按照组成图形的线段或圆弧的端点的坐标来进行的。当运动轨迹的终点坐标是相对于线段的起点来计量的话，称之为相对坐标或增量坐标表达方式，若按这种方式进行编程，则称之为相对坐标编程。当所有坐标点的坐标值均从某一固定的坐标原点计量的话，就称之为绝对坐标表达方式，按这种方式进行编程即为绝对坐标编程。
例如要从图1-18中的A点走到B点。
用绝对坐标编程为： X12.0 Y15.0 ；
若用相对坐标编程则为：X-18.0 Y-20.0 。
采用绝对坐标编程时，程序指令中的坐标值随着程序原点的不同而不同，而采用相对坐标编程时，程序指令中的坐标值则与程序原点的位置没有关系。同样的加工轨迹，既可用绝对编程也可用相对编程，但有时候，采用恰当的编程方式，可以大大简化程序的编写。因此，实际编程时应根据使用状况选用合适的编程方式。这可在以后章节的编程训练中体会出来。
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