数控机床-第3章数控机床进给运动及控制

3.1进给插补3.1.1插补的概述1.插补概念加工程序给出的进给运动信息一般包括:最基本的轮廓的线型—直线或圆弧(G01,G02/G03)，以及直线或圆弧线段的起点和终点，圆弧的圆心或半径，进给速度和进给方向的信息。进给运动的信息输人到数控系统后，数控系统运用软件(存储程序)的一定算法，在轮廓的起点和终点之间计算出若干个逼近理想轮廓的中间点的坐标值，如图3一1(b)、(a)所示，可形象地看作在轮廓的起点和终点之间“插补”了若干中间点。而后，CNC根据插补结果分配各坐标轴进给运动任务，发出指令，控制各方向坐标轴进给运动，最终，各轴进给合成沿指定轮廓的进给运动。插补方法，即数控系统软件处理进给程序指令，获得控制各轴进给伺服系统指令的方法。下一页返回3.1进给插补2.插补方法主要分类目前应用的插补方法主要分为两大类:基准脉冲插补法和数据采样插补法。

(1)基准脉冲插补法基准脉冲插补法又称为脉冲增量插补法或行程标量插补法。这类插补方法的特点是每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，马伙动各坐标轴的电机运动。每个脉冲代表机床移动部件的最小位移，脉冲的频率代表移动部件运动的速度，而脉冲的数量代表机床移动部件的位移量。这种插补方法有:逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器、比较积分法和最小偏差法等。(本节我们选择其中最典型的逐点比较法进行进述)上一页下一页返回3.1进给插补(2)数据采样插补法随着计算机技术和伺服驭动技术的发展，以直流、交流伺服电动机为驭动元件的计算机闭环数字控制系统已成为数控的主流，在这些系统中，一般都采用不同类型的数据采样插补算法。数据采样插补法又称为数据增量插补法或时间标量插补法。这类插补方法的特点是插补输出的不是单个脉冲，而是标准二进制字。数据采样插补法就是将被加工的一段零件轮廓曲线用一系列首尾相连的微小直线段去逼近，如图3-2所示。由于这些小线段是通过将加工时间分成许多相等的时间间隔(插补周期T)而得到的，故又称之为“时间分割法”。上一页下一页返回3.1进给插补3.1.2插补方法举例—逐点比较法1.逐点比较法插补思路逐点比较法在起点和终点间计算出逼近轮廓的中间点的思路:(1)各轴向进给的最小位移单位为一个脉冲当量，协调各轴以脉冲当量为步距分步运动。

(2)在各轴向每运动一步的止点处，CNC计算该点与规定轮廓间的偏差，作为下一步进给的决策依据。

(3)各轴分步进给运动的止点应为最逼近理想轮廓的位置。

(4)逐点比较法分步寻找的插补点的连接线是折线，当最小位移单位或步距足够小，可认为若干插补点连成的折线，相对理想轮廓在公差范围内。上一页下一页返回3.1进给插补2.逐点比较法的四个插补节拍逐点比较法的特点是逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，各坐标方向每进给一步都要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较四个节拍的处理。流程如图3-3所示。

(1)偏差判别:根据偏差值确定插补点相对给定轮廓的方位，以此决定下一步进给方向。

(2)坐标进给:据偏差判别结果，控制相应坐标轴靠近轮廓进给一步。

(3)偏差计算:在各分步运动的止点计算该点与规定轮廓间的偏差。

(4)终点比较:比较判别插补点是否到达终点，作为插补计算是否结束的依据。上一页下一页返回3.1进给插补3.逐点比较插补法的终点判别逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介绍如下两种。第一种方法。设置X,Y两个减法计数器，加工开始前，在X,Y计数器中分别存人终点坐标Ye、Ye

，在X坐标(或Y坐标)进给一步时，就在X计数器(Y计数器)中减去1,直到这两个计数器中的数都减到零时，便到达终点。第二种方法。用一终点计数器，寄存X和Y两个坐标，从起点到达终点的总步数∑;X,Y坐标每进一步，∑减去1，直到∑为零时，就到了终点。上一页返回3.2进给伺服系统3.2.1进给伺服系统的概念如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驭动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构。CNC装置对进给运动的加工程序指令插补运算处理后，发来进给运动的命令，伺服驭动系统准确地执行进给运动的命令驭动机床的进给运动。因此，伺服控制系统是连接数控装置与机床的进给运动机构的枢纽，其性能是影响数控机床的进给运动精度、稳定性、可靠性、加工效率的重要因素。数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驭动装置、机械传动机构及执行部件组成。下一页返回3.2进给伺服系统

数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及同时几个进给运动的执行部件按一定规律协调运动，合成加工程序指令的进给运动轨迹。高性能的数控进给伺服系统，在很大程度上决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。数控进给伺服系统的性能取决于组成它的伺服驭动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于进给系统中各环节性能、参数的合理匹配。数控机床的进给伺服系统按控制方式分为开环系统和闭环系统两个类别。上一页下一页返回3.2进给伺服系统3.2.2开环进给伺服系统1.开环进给系统特点开环系统是最简单的进给系统如图3-5所示。这种系统的伺服驭动装置主要是步进电机等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驭动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，经传动装置驭动执行部件。由于步进电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，而且旋转方向取决于脉冲电流的通电顺序。因此，只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要对实际位移和速度进行测量，更无需将所测得的实际位置和速度反馈到系统的输人端与输人的指令位置和速度进行比较，故称之为开环系统。

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系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦阻尼特性，所以系统的位移精度较低。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制。开环进给系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾经得到广泛应用，现代的数控机床一般大多改用了直流或交流伺服电机的半闭环和闭环进给系统。上一页下一页返回3.2进给伺服系统2.步进电机(1)步进电机的运行步进电机如同普通电机，有转子、定子和定子绕组。定子绕组分若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴向上也有若干个齿。当某相定子绕组通以直流电激磁以后，便能吸引转子，使转子上的齿与定子的极齿对齐，如图3一6中转子的1一3齿被通电相A一A吸引对齐，假如我们不断改变定子相的通断电顺序，将得到一个不断变化的磁场，转子将追随磁场的变化而转动。因此，步进电机是按电磁铁的作用原理进行工作的。上一页下一页返回3.2进给伺服系统(2)步进伺服电机特点步进电机是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。从理论上进其步距误差不会累计。步进电机伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床。上一页下一页返回3.2进给伺服系统3.步进电动机的微机控制如图3-7所示，该方式用微型计算机系统的数个端口直接控制步进电动机各相驭动电路的方法。微型计算机系统向步进电动机的各相驭动电路分配脉冲，脉冲分配的方法两种:一种是纯软件的方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号;另一种是软、硬件相结合的方法，有专门设计的一种编程接口，计算机向接口输人简单形式的代码资料，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。上一页下一页返回3.2进给伺服系统3.2.3闭环进给伺服系统1.闭环进给系统特点按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为半闭环和全闭环两种控制方式。

1)半闭环伺服系统半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，如图3一8所示。

(2)全闭环控制如图3-9所示，其位置反馈装置采用直线位移检测元件(目前一般采用光栅尺)，安装在工作台上，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，通过反馈可以消除整个机械传动链中的传动误差，从而得到很高的机床定位精度。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。上一页下一页返回3.2进给伺服系统2.闭环进给伺服系统的一般结构全闭环和半闭环进给伺服系统的方案是多种多样的，但结构上有其共同之处，如图3-10所示。它的主要组成部分如下。

(1)CNC:处理进给运动程序，输出进给位置与速度指令输给进给系统。

(2)控制器(比较器):是将输人信号与反馈信号进行比较，输出的位置偏差信号，偏差信号为零时，系统才停止工作。

(3)马伙动器:作用是将偏差信号变换成电压，经放大后输给伺服驭动装置。

(4)马伙动电机:马伙动电机得到驭动电压信号后，输出功率足够的运动速度。

(5)进给运动装置:经进给系统的机械传动部件传动，执行部件以某一定速度进行位移。

(6)检测装置:检测装置测量执行部件的实际位移，将它转换成电信号向控制器反馈。上一页下一页返回3.2进给伺服系统3.闭环伺服驱动电机

(1)直流伺服电机数控机床的半闭环、闭环直流进给伺服系统多使用永磁式直流伺服电机，具有良好的调速特性，转子惯量大，调速范围宽。永磁式直流伺服电机由机壳、磁极(定子)、电枢(转子)和换向器等组成。在工作中固定不动定子，是一个永久磁体，由此建立磁场。电枢由有槽铁芯和绕组组成，属于转动部分，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连，换向器的作用是将外加的直流电源引向电枢绕组，完成换向工作。如图3一11所示，是永磁式直流电机原理图。上一页下一页返回3.2进给伺服系统(2)交流伺服电机交流伺服电机分异步电机和同步电机两类，其电动机旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。异步电动机(感应式)，常用于主轴伺服系统;永磁式同步伺服电机多用于数控机床的进给驭动系统。永磁交流同步伺服电机为多磁极结构如图3一12所示，主要分为3个部分:定子、转子和检测元件，定子有齿槽，内有三相绕组，其外形呈多边形，利于散热;转子由多块永久磁铁和铁芯组成。上一页下一页返回3.2进给伺服系统4.闭环伺服系统的位置检测装置在以闭环伺服方式进给控制过程中，必须用位置测量元件检测坐标移动部件的实际位置或位移，并将该值反馈给位置指令部件与指令值进行比较，以便根据误差对系统进行相应的调节。数控机床的坐标测量分绝对测量与增量测量。

(1)绝对测量绝对测量是有绝对零点的测量系统。原理很简单，相当于在具有绝对零点的坐标刻度轴上直接读出点在该坐标轴坐标数值。绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由数控机床的坐标系的固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的数据值，根据读数可直接得知运动部件的位置。

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绝对测量的优点是:机床工作台有确定的绝对位置，开机后就可测量到目标点的坐标值。由于绝对测量装置本身具有机械式存储功能，即使因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置，这对发生故障后找到故障位置，恢复工作有好处。但其缺点是其结构复杂、成本高，价格高。

(2)增量式测量增量式测量的特点是:只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动0.01mm就由检尺发出一个脉冲信号。每个脉冲表示单位位移。因此，增量测量就是相对测量，通过计数器的累计脉冲数得知位移增量值。其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种测量方式。增量测量方式又按检测装置的检测位置分直接测量和间接测量。上一页下一页返回3.2进给伺服系统1)直接测量。直接测量是将检测装置直接安装在进给运动的执行部件上，如直线光栅、感应同步器等安装在工作台上用来直接测量工作台的直线位移，测量装置要求和工作台行程等长。如图3一14所示，为直接测量直线光栅。2)间接测量。间接测量装置是将检测装置安装在滚珠丝杠或驭动电机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。如图3一15所示，是间接测量光电编码器结构。上一页返回3.3进给系统机械3.3.1进给机械简介

1.数控机床进给机械的基本要求

(1)高的传动精度与定位精度。数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用。

(2)几何精度。数控机床的几何精度是指数控机床某些基础件工作面的几何精度。一般包括:基准面精度，主要是指工作台表面的平面度、导轨的直线度等;直线运动精度，主要是指运动部件的平行度、垂直度、同轴度等几个方面。

(3)减小运动件的摩擦力。尤其是减小丝杠传动和工作台运动导轨的摩擦，以消除爬行，提高系统的稳定性。

下一页返回3.3进给系统机械(4)减小运动部件的惯量。进给系统中每个零件的惯量对进给系统的启动、制动特性等有着直接的影响，特别是高速部件。因此，在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能减小零件的惯性。

(5)阻尼适当。一方面阻尼降低进给伺服系统的快速响应性，另一方面阻尼又能增加系统的稳定性。因此，传动机构的阻尼要选择适当。

(6)稳定性好、寿命长。稳定性是进给伺服系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。寿命是指保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力，所以应合理选择各传动件的材料、热处理方法及加工工艺，并采用适宜的润滑方式和防护措施，以延长寿命。

(7)使用维护方便。数控机床进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。上一页下一页返回3.3进给系统机械2.数控机床进给系统机械部分组成如图3一16所示，与数控机床进给系统有关的机械部分一般由导轨、机械传动装置、工作台等组成。3.3.2典型的进给机械部分1.滚珠丝杠螺母副如图3一17所示，在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来;构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，从而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。上一页下一页返回3.3进给系统机械

滚珠丝杠螺母副的特点是:(1)传动效率高，摩擦损失小。

(2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。

(3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

2.传动齿轮齿轮传动在伺服进给系统中的作用是改变运动方向、降速、增大扭矩，适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮时，必然产生齿侧间隙，造成进给反向时丢失指令脉冲(即进给反向时的实际进给运动滞后于指令运动)，并产生反向死区，从而影响加工精度，因此，必须采取措施，设法消除齿轮传动中的间隙。

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目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结构:

如图3一19(a),(b)所示。将一对齿轮中的大齿轮分成1,2两部分，并分别与螺钉固定，再将弹簧与螺钉连接起来，这样齿轮的1,2两部分的轮齿自然分开，达到自动消除齿侧间隙的目的。

3.导轨在机床中，导轨是用来支撑和引导运动部件沿着直线或圆周方向作准确运动。起支承和导向作用。导轨的精度和性能对数控机床的加工精度、承载能力、使用寿命影响很大，对伺服系统的性能也有很大的影响。导轨应具有较高的形、位精度，良好的耐磨性，足够的刚度，较小的摩擦系数，运动部件在导轨上低速移动时，不应发生“爬行”的现象。

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按导轨接合面的摩擦性质导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。

(1)塑料滑动导轨数控机床上轨常用塑料滑动导轨。导轨塑料，为性能好的是聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。

(2)滚动导轨在相配的两导轨面间放置滚动体，如滚珠、滚柱和滚针等，使导轨面间的摩擦性质成为滚动摩擦，这种导轨叫做滚动导轨。滚动导轨的最大优点是摩擦系数很小，比塑料滑动导轨还小很多，另外动、静摩擦系数很接近，低速运动平稳性好。缺点是抗震性差;结构比较复杂，制造困难，成本较高;滚动导轨的对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。上一页下一页返回3.3进给系统机械(3)液压导轨