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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（NCNumericalControl）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,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。,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：,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。,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。,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。,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：步进实现法连续实现法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：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。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。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。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,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，实现刀具运动轨迹；辅助驱动系统:包括刀具交换系统、工件交换系统、排屑系统、冷却润滑系统等。,4.数控系统的被控对象机床主机（数控系统的直接控制对象）。根据不同的主机结构，数控系统的控制功能和控制算法有较大的差别刀具、夹具：除机床主机外，加工过程中必须有刀具、夹具被加工零件：本身也会受温度、切削力、重力等因素的影响，使最终加工精度和质量受到影响。机床、刀具、夹具和工件等看作一个整体，即机床工艺系统，为了达到高的加工精度和质量，作为数控系统的被控对象，数控装置要结合机床工艺系统进行功能、算法进行合理设计。1.3.2数控系统的运行方式数控系统的主要运行方式如下：1.自动方式自动方式是数控系统的主要运行方式，,自动运行原理及过程为：首先根据被加工零件的加工程序名称将该零件的加工程序和有关数据调入内存，然后启动加工控制，即获预处理、插补程序、伺服运行等开始在加工过程中操作者可以通过操作面板按钮随时暂停/继续机床运行，并可通过主轴和进给倍率开关对主轴转速和进给速度进行调整。在自动方式下，还具有连续/单段、空运行、任选停、程序段跨越、刀具参数调整、显示模式变换等子功能。2.手动方式该方式主要用于操作者对机床的直接调整，如主轴运动控制、进给轴运动控制、刀架刀库控制、辅助控制等。手动方式的信息处理比较简单，数控系统软件可直接根据操作面板上的信息产生运动指令，实现对特定动作的控制。手动方式用于自动加工前的准备工作,如机床调整、对刀、测量、换刀等。该方式也可以用手动操作机床加工一些简单零件。手动方式包括连续点动、增量点动等操作方式，还提供电子手轮操作方式。3.返回方式返回方式用于增量测量的数控系统，其功能是设定和返回参考点。参考点包括机床原点、工件原点、换刀点等。其中机床原点是由硬件装置和电路决定的，不能任意改变。4.MDI方式MDI（ManualDataInput）的原意为手动数据输入，但现在已演变为多种控制和调整功能。如输入简短的加工程序并可以立即执行，刀具参数的改变，系统参数的调整等功能均可实现5.管理方式管理方式为数控系统提供一个对系统资源进行管理的环境。,进入管理方式可以完成文件管理、数据管理、参数设置、零件编程、程序编辑、加工仿真、PLC编程、故障诊断等工作。管理方式在后台运行，所涉及的操作是非实时的。6.扩展运行方式（1）断点运行方式该方式包括三种：随机断点运行：用于处理加工过程中突然断电等情况，此时，数控系统通过传感器监测到该信息，立刻启动断点保护程序，系统在后备电池支持下，将当前运行状态和有关数据保存到存储器中。当供电恢复后，操作者重新启动数控系统，从存储器中取出保存的系统状态和数据，从程序中断处继续运行。计划断点运行：用于处理加工过程中需中断停机的情况下如下班时间到但零件没加工完，此时操作者可以通过面板按键使加工暂停，然后系统自动保存暂停断点信息。下次开机时，从断点处继续运行。指定起点运行：用于需从程序中某一指定点开始加工的情况,此时，只需输入零件程序名和开始加工的程序行号，既可从该指定点处开始加工。（2）重定位运行方式在加工过程中，遇到某些特殊情况，如刀具破损需要换刀时，可按下操作面板上的暂停按钮，并将系统切换到重定位方式。进入该方式后，首先通过手动操作使刀具脱离与工件接触，并将刀具移动至换刀点（系统将记住移动路线）。更换刀具后，从面板输入新刀具实际尺寸，然后启动运行按钮。此后，系统将重新进行刀具偏执计算，并启动各坐标运动，自动控制刀具沿着手动退出时的路线逆向返回到加工暂停点，并继续加工。该方式对于换刀后由于尺寸变化所带来的重新对准问题非常有利。（3）上位机控制运行方式上级管理计算机通过网络等通讯手段对数控系统进行控制，这样一台上级管理计算机可以集中、统一控制多台数控机床，进而组成FMS、CIMS等更高级的制造系统,1.3.3数控加工系统数控加工系统分为：单机系统和多机系统，向两个方向发展，一是集中式，二是分布式单机加工系统属于集中方式它由传统的单一数控机床发展为加工中心、复合数控、超复合数控使工件在一次装夹后，即可完成全部加工以及几个工件同时加工；多机系统是由多台数控机床组成的分布式加工系统如群控系统(DNC)、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等。1.单机系统采用单台数控机床组成的数控加工系统称为单机系统组成：整个系统由数控编程系统、数控装置、执行装置、检测环节机床工艺系统、加工保障系统等组成。数控编程系统：是数控加工系统的输入信息处理子系统，它根据设计和工艺信息编制出数控装置能够接受的零件加工程序；数控装置：是加工系统的核心；,单机数控的例子,执行装置：接收数控装置发出的指令驱动机床运动；检测环节：完成实时采集机床运动状况，并向数控装置反馈信息的任务；机床工艺系统：是实施零件加工的具体环节，为数控加工系统的重要子系统；加工保障系统：是整个系统的运行支撑子系统，任务是：为零件加工准备刀具、夹具、辅助工具等装备，安装、调整、维护刀具、夹具、辅助工装。加工保障系统的工作一般需要有人介入，还难以实现自动化，并要求有一定的经验和技能。优点：单机系统使用灵活，可以独立运行。缺点：加工程序信息存储量小，不能与管理部门进行信息沟通等问题，因此难以对整个制造系统进行实时优化管理与控制。2.多机系统多机系统典型结构：一种是集中控制结构，即一台计算机控制多台机床；另一种结构是分布式结构，即每台机床由单独的数控装置控制,通过通讯网络将各数控装置连接起来构成可统一管理的加工系统。,特点零件编程可由编程工作站集中完成，通过网络传送。加工保障系统也可以统一配置，协调运行。在多机系统的基础上可形成FMS、CIMS等各种现代先进制造系统。1.4数控装置的主要环节数控装置是数控机床的指挥中心。由于控制对象的不同，数控装置的组成结构会有一定的差别，但其组成的基本部分是相同或相似的。1.4.1加工信息处理模块功能：加工信息处理模块又称为预处理模块，包括语法校验、程序译码、几何计算和速度处理等。1.语法校验主要是对输入的数控加工程序进行语法分析，判断是否存在语法错误。如有错误，提示操作者改正。2.程序译码程序译码的功能是将以标准代码编写的零件加工程序翻译成数控系统内部以二进制为基础的易于处理的形式。在译码过程中，需对,子程序、宏程序、固定循环等进行展开，以便后续处理。3.几何计算几何计算包括坐标变换、刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算。当前大多数数控系统只能实现二维刀具补偿，少数数控系统能实现三维刀具尺寸补偿。4.速度处理自动编程系统一般将零件上的复杂曲面分解为大量的微小直线段。精度要求越高，直线段的长度越短，但其直线段的数量急剧增加在高速加工这类零件刀具往返运动时，需要减速和加速，此时必须经过数百个甚至上千个微小线段才能完成。这时要仅靠普通的自动加减速控制方法，则不能有效地解决速度协调问题。这就需要在预处理阶段逐个直线段对进给速度进行动态调整。所采用的方法称为“前瞻（LookAhead）控制”。1.4.2反馈信息处理模块该模块的任务是对来自执行装置、机床、加工过程等环节的各种反馈信息进行处理，并将处理结果送往相应的模块。,数控装置的主要反馈信息是来自电动机轴编码器和机床运动部件检测装置的位置反馈信息，这些信息需要倍频、鉴向处理后再送往轴运动控制模块作为速度闭环、位置闭环和误差补偿控制的反馈信息。为了提高合成轨迹精度，有的数控系统还将位置反馈信息送往轨迹插补模块，通过轨迹误差补偿算法，对插补产生的轨迹控制指令进行修正，以保证刀具实际轨迹更接近希望的轨迹。有的数控系统具有受力变形补偿和温度补偿，这样还有来自力传感器和温度传感器的检测信息，这些信息一般为模拟量，需经过模拟/数字转换后再送往相应的误差补偿控制模块。反馈信息还送往动态显示模块，以数字、图形形式在屏幕上显示出来1.4.3轨迹插补模块轨迹插补模块功能:插补计算、速度控制、自动加减速控制等1.插补计算插补计算的任务是通过插补算法将与时间无关的刀具运动路径细化为与运动速度有关的刀具运动轨迹，并以此产生各坐标轴的运动指令。,2.速度控制速度控制的任务是根据有关信息对零件程序中给出的希望进给速度进行调整，以满足实际加工要求。例如，操作者可以通过操作面板上的倍率开关改变进给倍率后，速度控制模块将按照进给倍率值对进给速度进行调整。3.自动加减速控制自动加减速控制的任务是当进给速度发生变化时，控制实际进给速度按照一定的规律逐渐提高或降低，以减少由于速度突然变化引起的冲击。数控系统采用前加减速和后加减速二种形式，前加减速在插补模块前，是对合成速度进行加减速，有利于保证刀具运动轨迹的精度；后加减速在插补模块后，对各坐标轴进行加减速，其计算灵活，但刀具运动轨迹精度差。1.4.4主轴控制模块主轴控制模块的功能包括主轴转速与方向控制、主轴准停控制、主轴伺服控制。1.主轴转速与方向控制,现在数控机床的主轴一般都是用交流电动机驱动，采用变频器即可实现主轴转速与方向控制。为提高低速输出转矩和动态性能，可对主轴转速系统采用矢量变换控制。2.主轴准停控制在加工中心数控机床上，主轴准停控制是自动换刀、定向退刀操作的保证。准停控制可用机械或电气方法实现，现在一般采用电气方法，通过位置传感器和控制电路实现。3.主轴伺服控制主轴具有伺服控制功能即要求主轴具有进给轴一样的伺服控制功能，该功能使主轴能在任意转角位置停止、与其他轴进行联动控制。如数控车床的C轴功能、数控铣床和加工中心的刚性攻螺纹功能都是由主轴饲服控制功能实现的。为了实现主轴伺服控制，需通过旋转编码器等角位移检测元件获取主轴转角反馈信号，以闭环方式对主轴转角进行实时动态控制。此时，主轴控制指令来自插补模块，而不是MST模块。,1.4.5进给轴控制模块功能:包括进给运动控制和进给误差控制。1.进给运动控制运动控制的作用是保证进给坐标轴的实际运动与插补产生的指令值一致。它包括位置控制、速度控制和电流控制。运动控制任务一般由执行装置完成。随着计算机和数控技术的的发展，运动控制任务可由数控装置和执行装置共同完成。其形式有：数控装置包含位置控制，执行装置完成速度控制与电流控制数控装置包含位置控制和速度控制，执行装置完成电流控制数控装置将位置控制、速度控制和电流控制均纳入自己的范围，执行装置仅完成功率驱动任务。2.进给误差控制误差控制的作用是通过信息手段进行误差补偿，提高加工精度。误差控制包括反向间隙补偿、螺距误差补偿、热变形误差补偿、受力变形误差补偿、合成轨迹误差补偿等等。,1.4.6辅助控制模块辅助控制模块的功能包括对辅助功能（M）、主轴功能（S）、刀具功能（T）的