第1章-数控机床概述.ppt

1、数控技术,主讲：李猛,第1章 数控机床概述,1.0 背景阐述（先进制造技术） 1.1 数控机床的基本工作原理 1.2 数控机床分类 1.3 数控插补原理 1.4 数控机床发展概况,1.0 背景阐述,1.0.1 制造技术的发展历程,工场式生产时期,工业化规模生产时期,刚性自动化生产时期,柔性自动化生产时期,综合自动化生产时期,1.0 背景阐述,1.0.2 制造业发展中竞争的焦点和策略,表1.1 制造业发展中竞争的焦点和策略,1.0 背景阐述,1.0.3 “大制造”概念 Manufacture,传统制造 将原材料制成人们有用的货物或产品,Manufacturing is series of int

2、errelated activities and operations involving the design, materials selection, planning, production, quality assurance, management and marketing of the products of the manufacturing industries.,1.0 背景阐述,1.0.4 先进制造技术 主要内容归结三部分： （1）现代设计理论和方法 （2）先进的加工技术 （3）先进的制造自动化技术 （4）先进的生产管理模式,TQCSE,图1.1 先进制造技术构成示意图

3、,1.0 背景阐述,1.0.4 先进制造技术 先进制造技术举例： （1）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS） （2）并行工程（Concurrent Engineering, CE） （3）精良生产（Lean Production, LP） （4）智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS） （5）敏捷制造系统（Agile Manufacturing System, AMS） （6）全能制造系统（Holonic Manufacturing System, HMS） （7）虚拟制造系统（Virtual M

4、anufacturing System, VMS） （8）全球制造系统（Globalization Manufacturing System, GMS）,1.0 背景阐述,FMS,图1.2 FMS（柔性制造系统）示意图,1.0 背景阐述,CAD/CAE/CAPP/CAM,图1.3 CAD/CAE/CAPP/CAM,1.0 背景阐述,CE,图1.4 CE（并行工程）示意图,CE,图1.5 CE（并行工程）对串行产品开发的改进,1.0 背景阐述,CIMS,图1.6 CIMS（计算机集成制造系统）,1.0 背景阐述,1.0.5 总结 数控机床的出现，带动了CAD、CAM技术向实用化、工程化发展，特别

5、是计算机技术的发展，推动CAD、CAM技术向更高层次和更高水平发展，而且进一步发展了计算机辅助工艺设计数据库、集成制造系统相关信息的自动生成、自动处理、自动传输。可以说数控技术既是联系CAD、CAM的纽带，也是进一步通向集成化CAD/CAM的桥梁。 随着微电子技术的飞快发展，数控系统性能有了极大提高，功能不断丰富，数控机床自动交换刀具、自动交换工件的需求得到满足；并且进一步满足了数控机床之间增加自动输送工件的托盘站或机器人传输工件，构成柔性制造单元的需求；并实现了由多台数控机床、AGV、Robot等组成的柔性制造系统的控制。除此之外，以数控技术为基础，以数控基础为骨架，还产生了FML、FMF等

6、多种柔性制造形式。 随着信息技术、网络技术、自动化技术的发展，在数控技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构与一个覆盖整个企业的完整而有机的、以实现全局动态最优化、总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的计算机集成制造系统，这一发展趋势方兴未艾！,1.1.1 数控机床的组成 （1）数字控制（Numerical Control，NC）：是一种自动控制技术，是用数字化信号对机械的运动及其工作过程进行控制的一种方法。 （2）计算机数控（Computerized Numerical Control，CNC）：是用一个存储程序的专用计算机由控制

7、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。 （3）数控机床（ Numerical Control Machine Tools）：是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序，即数控机床是采用了数控技术的机床或装备了数控装置的机床。 （动画视频）,1.1 数控机床的基本工作原理,N003 G90 G01 X+325.927 Y+279.346 Z-429.732 S1000 T02 F500 M07;,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成,1.1 数控机床的基本工作

8、原理,图1.7 数控机床的组成示意图1,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成,1.1 数控机床的基本工作原理,图1.8 数控机床的组成示意图2,图1.9 数控机床的组成示意图3,1.1.1 数控机床的组成 （4）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。 与普通机床相比，数控机床本体具有以下特点： 采用高性能主传动及主轴部件，使得主轴部件传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小； 进给传动采用高效传动件。具有传动

9、链短、结构简单、传动精度高等特点，一般采用滚珠丝杠副和直线滚动导轨副等； 具有完善的刀具自动交换和管理系统； 在加工中心上一般具有工件自动交换、工件夹紧和放松机构； 机床本身具有很高的动、静刚度； 采用全封闭罩壳。 另外，数控机床还有一些辅助装置和附属设备，如电器、液压、气动系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成 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。包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路和输入/输出控制等。 有两种形式的数控系统： NC：硬

10、件搭成的系统NC（Numerical Control）； CNC：计算机数控系统CNC（Computerized Numerical Control System）。 计算机数控系统由装有数控系统程序的计算机控制装置（专用计算机）、输入输出设备、可编程序控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，其核心是计算机控制装置。 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。,1.1 数控机床的基本工作

11、原理,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成 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。 伺服驱动部分接受计算机处理结果的信号，经过驱动电路将信号进行调解、转换、放大以后驱动各个坐标的伺服电动机，并且随时检测运动末端件（伺服电机或工作台）的实际运动情况，进行严格的速度和位置反馈控制。 数控机床的伺服驱动装置分为主轴驱动系统（主要是速度控制）、进给驱动系统（包括速度控制和位置控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机。 伺服电机可以是功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。 伺服系统分为直流伺服系统和交流伺服系统。 交流

12、伺服系统正逐步取代直流伺服系统； 以步进电机驱动的伺服系统在某些具体场合仍可采用； 直线电机系统是适应高速、高精度的一种伺服系统。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成 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。 接受数控装置输出的主运动换向、变速、起停、刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和运算，经功率放大后直接驱动相应的驱动源，带动机床的机械部件，液压、气动装置等完成相应指令规定的动作。 辅助装置主要包括自动换刀装置ATC（Automatic T

13、ool Changer）、自动交换工作台机构APC（Automatic Pallet changer）、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成 程序载体：用于存储零件加工程序的装置，可将加工程序以特殊的格式和代码存储在载体上。相当于人的各种感觉器官。 输入方式有：磁盘、磁带、硬盘、闪存卡等。 各种输入方式的应用场合： 穿孔纸带-传统的基本输入方式； 磁盘-复杂零件程序较长，目前较常使用的； 按键（MDI）-生产现场采用，多用于简单零件的输入， 配合显示器（C

14、RT）； 手摇脉冲发生器-手动调整运动的较好方式，多用于调整机床和对刀时使用； 上位机输入-通过通讯接口。 由于复杂模具和大型零件的加工程序占用内存空间大，目前将加工程序的执行方式按数控机床控制系统的内存空间大小分为两种方式：CNC和DNC。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （4）数控机床的组成 检测与反馈装置 将机床导轨和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断并发出相应的指令，纠正所产生的误差。 伺服驱动装置及检测反馈装置影响数控机床的动态特性和轮廓加工精度。所以，该环节是数控机床

15、的关键，好似人的强健“四肢”。 由测量反馈装置的有无可将数控系统分为闭环和开环数控系统。 常用的检测装置有测速发电机、旋转变压器、脉冲编码器、感应同步器、光栅、磁性检测元件、霍耳检测元件等组成的系统。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （5）机床数控系统的基本工作流程,1.1 数控机床的基本工作原理,图1.10 机床数控系统的基本工作流程,1.1.1 数控机床的组成 （6）数控系统的基本功能 多种程序输入功能，以及编辑和修改功能； 实现多种函数的插补功能（直线、圆弧、抛物线、螺旋线、极坐标、样条等）； 多轴联动、多坐标控制，即伺服控制功能； 信息转换功能：包括EIA/

16、ISO代码转换，公制/英制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换等。 补偿功能：刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等； 多种加工方式选择。可以实现各种加工循环，重复加工，凹凸模加工和镜象加工等； 具有故障自诊断功能； 显示功能。用CRT可以显示向上的字符、轨迹、平面图形和动态三维图形； 通讯和联网功能。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.1 数控机床的组成 （7）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

17、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。 PLC控制的虽是动作先后逻辑顺序，但它处理的是数字信息“0”和“1”，不管是由PLC本身带“CPU”、还是由数控装置内的CPU来处理这些信息，数控机床的计算机都能将数字控制信息和开关量控制信息很好地协调起来，实现正常的运转和工作。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.2 数控机床加工的基本工作原理,1.1 数控机床的基本工作原理,图1.11 数控机床加工的基本工作原理,1.1.3 数控机床加工特点 （1）适应性强； （2）加工精度高； （3）生产效率高； （4）减轻劳动

18、强度、改善劳动条件； （5）有利于现代化管理。 1.1.4 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10100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。,1.1 数控机床的基本工作原理,1.1.4 数控机床的应用范围,1.1 数控机床的基本工作原理,表1.2 数控机床与普通机床的比较,1.2 数控机床分类,1.2.1 按控制刀具与零

19、件相对运动轨迹分类 （1）点位控制数控机床 特点：只控制移动部件的终点位置，即控制移动部件从一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们运动过程中的轨迹没有严格要求。因此，为了尽可能减少移动部件的运动时间和定位时间，通常先以快速移动到接近终点坐标，然后以低速准确移动到定位点，以保证良好的定位精度。 常见点位控制数控机床：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机等。,图1.12 点位控制数控机床工作原理,1.2 数控机床分类,1.2.1 按控制刀具与零件相对运动轨迹分类 （2）直线控制数控机床 特点：刀具相对于工件的运动不仅要控制两点之间的准确位置（距离），还要控制两点之间移动的速度

20、和轨迹。在刀具相对于工件移动时进行切削加工，其轨迹是平行机床各坐标轴的直线。一些数控车床、数控磨床和数控镗铣床等都属于直线控制系统，这类机床的数控装置的控制功能比点位系统复杂，不仅控制直线运动的轨迹，还要控制进给速度以适应不同材质的工件。 一般情况下，直线控制数控机床有两个到三个可控制的轴，但同时控制轴只有一个。因此，直线控制也称单轴数控。,图1.13 直线控制数控机床工作原理,1.2 数控机床分类,1.2.1 按控制刀具与零件相对运动轨迹分类 （3）轮廓控制数控机床 特点：轮廓控制又称连续轨迹控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。这些机床能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅要控制起点

21、和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。现代数控机床绝大部分具有两坐标或两坐标以上联动的功能、刀具半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿侧间隙误差补偿等一系列功能。 属于轮廓控制机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。,图1.14 轮廓控制数控机床工作原理,1.2 数控机床分类,1.2.2 按加工方式分类 （1）金属切削类数控机床 包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。 加工中心，也称为可自动换刀的数控机床，是一种带有自动换刀装置（刀库和自动交换刀具的机械手）能进行铣削、钻削、镗削加

22、工的复合型数控机床。 加工中心的特点：工件一次装夹可完成多道工序。为进一步提高生产率，有的加工中心使用双工作台，一面加工，一面装卸，工作台可自动交换。,1.2 数控机床分类,1.2.2 按加工方式分类 （1）金属切削类数控机床 加工中心有立式加工中心和卧式加工中心之分。,图1.15 加工中心的分类,1.2 数控机床分类,1.2.2 按加工方式分类 （2）金属成形类及特种加工类数控机床 指金属切削类以外的数控机床。 金属成型类数控机床：包括数控折弯机、数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。 数控特种加工机床：如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工、火焰切

23、割机、数控激光切割机床等。 其它类型的数控机床：如数控三坐标测量机等。,图1.16 数控车床,图1.17 数控铣床,图1.18 加工中心1,加工中心,图1.19 加工中心2,图1.20 数控钻床,图1.21 数控车床的主要内部结构,图1.22 6135型CRT数控车床,图1.23 125型立式数控铣床,图1.24 三维数控钻床,图1.25 龙门式加工中心,图1.26 立式加工中心,图1.27 数控折弯机,图1.28 数控剪板机,图1.29 数控电火花加工机床,图1.30 数控线切割加工机床,图1.31 数控激光切割设备,图1.32 数控三坐标测量机,1.2 数控机床分类,1.2.3 按（同时）

24、控制坐标轴数分类 （1）两坐标联动控制 （2）2.5坐标联动控制 （3）三坐标联动控制 （4）四坐标联动控制 （5）五坐标联动控制,1.2 数控机床分类,1.2.3 按（同时）控制坐标轴数分类 （1）两坐标联动控制,在数控车床上采用X、Z两坐标联动，可以加工出手把类零件； 在工作台不升降的立式数控铣床上加工平面凸轮零件时，只需要工作台沿纵、横两个坐标轴协调运动，刀具仅作旋转的主运动。,图1.33 在数控车床上加工手把类零件,图1.34 在数控铣床上加工平面凸轮,1.2.3 按（同时）控制坐标轴数分类 （2）2.5坐标联动控制 加工圆锥台零件，依靠工作台纵、横两个坐标协调运动完成圆周曲线的一圈加

25、工后，再沿锥台高度方向将刀具提升一个高度（Z）， 接着改变圆的半径（X、Y坐标的合成值），当Z很小很小，零件表面即很平滑，因为这里的Z坐标没有参加联动，称为2.5坐标控制。,1.2 数控机床分类,图1.35 圆锥台零件图,图1.36 “行切法”加工空间轮廓,1.2 数控机床分类,1.2.3 按（同时）控制坐标轴数分类 （3）三坐标联动控制 要在圆锥体上加工一条螺旋槽，除要求刀具旋转外，三个进给坐标每时每刻都必须进行协调运动，称为三坐标联动控制。,图1.37 带螺旋线的锥体图,图1.38 内循环滚珠丝杠螺母回珠器的回珠槽（空间曲线）图,1.2 数控机床分类,1.2.3 按（同时）控制坐标轴数分类

26、 （4）四坐标联动控制 在四坐标联动的数控机床上加工飞机大梁零件，除了三个移动坐标（X,Y,Z）外，还需要一个绕X轴回转的（也称摆动）坐标（A），方能保持刀具与工件型面在全长上始终贴合，加工中每时每刻都要x,y,z,A四坐标联动。,图1.39 飞机大梁零件图,1.2 数控机床分类,1.2.3 按（同时）控制坐标轴数分类 （5）五坐标联动控制 除X、Y、Z三个直线移动坐标以外，还有工件的回转C和刀具的摆动B。,图1.40 五坐标联动实例图,1.2 数控机床分类,1.2.4 按驱动系统的控制方式分类,数控 装置,位置 控制,速度控 制单元,电动机,机床 工作台,测量反 馈单元,图1.41 按伺服系

27、统的类型分类示意图,1.2 数控机床分类,1.2.4 按驱动系统的控制方式分类 （1）开环控制数控机床 开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。 工作原理：执行机构通常采用功率步进电动机或电液脉冲马达。数控装置发出的脉冲指令通过环形分配器和驱动电路，使步进电动机转过相应的步距角，再经过传动系统，带动工作台或刀架移动。移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频和脉冲数决定，位移精度主要决定于驱动元器件和电机（步进电机）的性能。 特点：开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。,图1.42 开环

28、驱动控制系统,1.2 数控机床分类,1.2.4 按驱动系统的控制方式分类 （2）半闭环控制数控机床 半闭环控制系统是在开环系统的丝杠或进给电动机的轴上装有角位移检测装置，如圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等。该系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台位移量，然后反馈给数控装置。 特点：半闭环控制系统实际控制的是丝杠的转动，而丝杠螺线副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单，安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计

29、成一个部件，使系统变得更加简单，安装调试都比较方便，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。,图1.43 半闭环驱动控制系统,1.2 数控机床分类,1.2.4 按驱动系统的控制方式分类 （3）闭环控制数控机床 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位移测量装置。 工作原理：加工中将测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终准确定位。 特点：从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响。所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。闭环系统的设计和调整

30、都有较大的难度，主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。 位置检测信号取自机床工作台（传动系统的最末端执行件），所以包含了整个传动系统的全部误差，故也称为全闭环系统。,图1.44 闭环驱动控制系统,1.2 数控机床分类,1.2.5 按数控系统功能水平分类 （1）经济型数控机床 特点：根据实际的使用要求，合理地简化系统，以降低产品价格。 目前，我国把由单片机或单板机与步进电机组成的数控系统和功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。主要用于车床、线切割机床以及旧机床的数控化改造等。在我国，这类数控机床有一定的生产批量。 低档数控机床的技术指标通常为： 分辨率为10m，快进速度8-

31、15m/min，开环步进电机驱动，用数码管或简单CRT显示，主CPU一般为8位或16位。,1.2 数控机床分类,1.2.5 按数控系统功能水平分类 （2）中档数控机床（普及型数控机床） 技术指标：分辨率1m，快进速度为15-24m/min，伺服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示：可以显示字符和图形、人机对话、自诊断等，主CPU一般为16位或32位。 （3）高档数控机床 技术指标：分辨率为0.1m或更小，快进速度为15-100m/min，伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还具有三维图形显示，主CPU一般为32位或64位。,1.2 数控机床分类,1

32、.2.5 按数控系统功能水平分类 表1.3 数控机床按数控系统功能水平分类,1.3 数控插补原理,1.3.1 插补方法 （1）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。 插补有二层意思： 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）； 二是用基本线型拟和其它轮廓曲线。 插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。 完成插补运算的装置

33、或程序称为插补器。 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。,1.3 数控插补原理,1.3.1 插补方法 （2）插补的基本要求 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）。 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。 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。 插补计算所需的原始数据较少。,1.3 数控插补原理,1.3.1 插补方法 （3）插补方法的分类 基准脉冲插补：

34、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。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（l3mmin）的数控系统。基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。,1.3 数控插补原理,1.3.1 插补方法 （3）插补方法的分类 数据采样插补：又称时间标量插补或数字增量插补。该算法特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是二进制数。采用时间分割思想，根据编程的进给速度（F）将轮廓曲线分割为每个插补周期（T）的进给

35、直线段（又称轮廓步长L=FT）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线。（粗插补）然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。（精插补，相当于对直线的脉冲增量插补）该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法等。,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （1）逐点比较法 早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法，适用于开环系统。 原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标

36、同规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、坐标进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。 逐点比较法可以实现直线插补和圆弧插补，在两坐标数控机床中应用较为普遍。 特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （1）逐点比较法 加工如图1.45所示圆弧AB，如果刀具在起始点A，假设让刀具先从A点沿Y方向走一步，刀具处在圆内1点。为使刀具逼近圆弧，同时又向终点移动，需沿X方向走一步，刀具到达2点，仍位于圆弧内，需再沿X方向走一步，到达圆弧外3点，然后再沿Y方向走一步，如此继续移动，走到终点。

37、加工如图1.46所示直线OE也一样，先从O点沿X向进给一步，刀具到达直线下方的1点，为逼近直线，第二步应沿Y方向移动，到达直线上方的2点，再沿X向进给，直到终点。,图1.45 逐点比较法（加工圆弧）,图1.46 逐点比较法（加工直线）,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （1）逐点比较法 所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。 逐点比较法的四个步骤： 偏差判别：根据刀具当前位置，确定进给方向。 坐标进给：使加工点向给定轨迹趋进，即向减少误差方向移动。 偏

38、差计算：计算新加工点与给定轨迹之间的偏差，作为下一步判别依据。 终点判别：判断是否到达终点，若到达，结束插补；否则，继续以上四个步骤。,图1.47 逐点比较法步骤,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 如图1.48所示第一象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为 XeYXYe0 直线OE为给定轨迹，N（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。,图1.48 第象限直线插补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 若N1点在直线上方，则有 X

39、eYiXiYe0 若N点在直线上，则有 XeYiXiYe0 若N2点在直线下方，则有 XeYiXiYe0 因此，可以构造偏差函数为,图1.48 第象限直线插补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 对于第一象限直线，其偏差符号与进给方向的关系为 F0时，表示动点在OE上，如点N，可向X向进给，也可向Y向进给。 F0时，表示动点在OE上方，如点N1，应向X向进给。 F0的情况一同考虑。,图1.48 第象限直线插补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 插补工作从起点开始，走一步，算一步, 判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走的步数

40、分别等于Xe和Ye时，停止插补。 下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Ni(Xi，Yi)的Fi值为 若Fi0，表明Ni(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上，应沿X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi , 新点偏差为,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 若Fi0，表明Ni（Xi，Yi）点在OE 的下方，应向Y方向进给一步，新点坐标值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi ,Yi+1Yi1，新点的偏差为 开始加工时，将刀具移到起点，刀具正好处于直线上，偏差为零，即F0，根据

41、这一点偏差可求出新一点偏差，随着加工的进行，每一新加工点的偏差都可由前一点偏差和终点坐标相加或相减得到。,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补 在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常用终点判别方法，是设置一个长度计数器，从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给步数总和XeYe，当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即0时，停止插补，到达终点。 例加工第一象限直线OE，如图1.49所示，起点为坐标原点，终点坐标为E（4，3）。试用逐点比较法对该段直线进行插补，并画出插补轨迹。,图1.4

42、9 直线插补轨迹过程实例,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （2）第象限直线插补,图1.49 直线插补轨迹过程实例,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （3）四象限的直线插补 假设有第三象限直线OE，起点坐标在原点O，终点坐标为E（Xe，Ye），在第一象限有一条和它对称于原点的直线，其终点坐标为E（Xe，Ye），按第一象限直线进行插补时，从O点开始把沿X轴正向进给改为X轴负向进给，沿Y轴正向改为Y轴负向进给，这时实际插补出的就是第三象限直线，其偏差计算公式与第一象限直线的偏差计算公式相同，仅仅是进给方向不同，输出驱动，应使X和Y轴电机反向旋转。,图1.50 第三象限直

43、线插补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （3）四象限的直线插补 四个象限直线的偏差符号和插补进给方向如图1.51所示，用L1、L2、L3、L4分别表示第、象限的直线。为适用于四个象限直线插补，插补运算时用X，Y代替X，Y，偏差符号确定可将其转化到第一象限，动点与直线的位置关系按第一象限判别方式进行判别。 由图1.51中可见，靠近Y轴区域偏差大于零，靠近X轴区域偏差小于零。F0时，进给都是沿X轴，不管是X向还是X向，X的绝对值增大；F 0时，进给都是沿Y轴，不论Y向还是Y向，Y的绝对值增大。,图1.51 四象限的直线插补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （3）四象

44、限的直线插补 四象限直线偏差符号和进给方向如图1.52所示。,图1.52 四象限直线偏差符号和进给方向,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 在圆弧加工过程中，可用动点到圆心的距离来描述刀具位置与被加工圆弧之间关系。如图1.53，设圆弧圆心在坐标原点，已知圆弧起点S（Xs，Ys），终点E（Xe，Ye），圆弧半径为R。加工点可能在三种情况出现，即圆弧上、圆弧外、圆弧内。当动点N（Xi，Yi）位于圆弧上时有 Xi2Yi2R2=0,图1.53 圆弧插补原理,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 N点在圆弧外侧时，则ON大于圆弧半径R

45、，即 N点在圆弧内侧时，则ON小于圆弧半径R，即 用F表示N点的偏差值，定义圆弧偏差函数判别式为 当动点落在圆弧上时，一般约定将其和F0一并考虑。,图1.53 圆弧插补原理,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 第1象限顺圆弧SR1 若F0时，动点在圆弧上或圆弧外，向Y向进给，计算出新点的偏差；若F0，表明动点在圆内，向X向进给，计算出新一点的偏差，如此走一步，算一步，直至终点。 由于偏差计算公式中有平方值计算，下面采用递推公式给予简化，对第一象限顺圆， Fi0，动点Ni(Xi，Yi)应向Y向进给，新的动点坐标为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1 Xi， Yi

46、+1 Yi1，则新点的偏差值为,图1.54 第1象限顺圆弧,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 第1象限顺圆弧SR1 若Fi0时，沿X向前进一步，到达（Xi1，Yi）点，新点的偏差值为 进给后新点的偏差计算公式除与前一点偏差值有关外，还与动点坐标有关，动点坐标值随着插补的进行是变化的，所以在圆弧插补的同时，还必须修正新的动点坐标。 圆弧插补终点判别：将X、Y轴走的步数总和存入一个计数器，XeXsYeYs，每走一步减1，当0发出停止信号。,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 第1象限顺圆弧SR1,图1.55 第1象限顺圆弧偏

47、差符号和进给方向,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 第1象限顺圆弧SR1 举例：现欲加工第一象限顺圆弧AB，如图1.56所示，起点A（0，4），终点B（4，0），试用逐点比较法进行插补。,图1.56 第1象限顺圆弧插补举例,1.3 数控插补原理,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （4）第1象限圆弧插补 第1象限逆圆弧NR1 如图1.57，第一象限逆圆弧CD的运动趋势是X轴绝对值减少，Y轴绝对值增大，当动点在圆弧上或圆弧外，即Fi0时，X轴沿负向进给，新动点的偏差函数为 Fi0时，Y轴沿正向进给，新动点的偏差函数为,图1.57 第1象限逆圆弧插

48、补,1.3 数控插补原理,1.3.2 基准脉冲插补 （5）四个象限中圆弧插补 如果插补计算都用坐标的绝对值，将进给方向另做处理，四个象限插补公式可以统一起来，当对第一象限顺圆插补时，将X轴正向进给改为X轴负向进给，则走出的是第二象限逆圆，若将X轴沿负向、Y轴沿正向进给，则走出的是第三象限顺圆。 如图1.58所示，用SR1、SR2、SR3、SR4分别表示第、象限的顺时针圆弧，用NR1、NR2、NR3、NR4分别表示第、象限的逆时针圆弧，四个象限圆弧的进给方向表示在图中。,图1.58 四个象限圆弧进给方向,1.4 数控机床发展概况,1.4.1 工业化国家数控机床的发展概况 （1）采用数控技术进行机

49、械加工思想的提出： 1948年，美国北密支安的小型飞机承包商帕森斯公司（Parsons Co）在制造飞机的框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015in。在当时的水平看，是相当高的。 （2）电子管时代（一代数控） 1952年，美国麻省理工学院（MIT）成功地研制出一台三坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。,1.4 数控机床发展概况,1.4.1 工业化国家数控机床的发展概况 （3）晶体管时代（二代数控） 1959年，开始采用晶体管元件和印刷线路板。

50、出现了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。从1960年开始，其它一些工业国家，如德国、日本也陆续开发生产了数控机床。 （4）小、中规模集成电路时代（三代数控） 1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高。但仍然是硬件逻辑数控系统（NC）。 1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系统）。,1.4 数控机床发展概况,1.4.1 工业化国家数控机床的发展概况 （5）大规模集成电路及小型计算机时代（四代数控） 1970年，在美国芝加哥国际机床

51、博览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床，这是第一台计算机控制的数控机床（CNC）。 （6）微处理机或微型计算机时代（五代数控） 1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。 80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的FMC（Flexible Manufacturing Cell，柔性制造单元）。FMC和FMS被认为是实现计算机认成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的必经阶段和基础。,1.4 数控机床发展概况,1.4.1 工业化国家数控机床的发展概况 （

52、7）基于PC的数控机床（开放式数控系统，六代数控） 两种模式： 以PC作为传统CNC的前端接口； 将整个CNC单元包括集成的PLC插入到个人计算机的标准槽中。（主流） 发展趋势 控制系统技术、接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件技术五大方面的发展； 高精度、高效率、高自动化加工成为主攻方向； 开放式个人计算机CNC系统实现网络化。,1.4 数控机床发展概况,1.4.2 我国数控机床的发展概况 （1）1958年起开始研制数控机床，一直到60年代中期处于研制、开发阶段。 （2）1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代末至70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数

53、控非圆齿轮插齿机。 （3）从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。,1.4 数控机床发展概况,1.4.2 我国数控机床的发展概况 （4）80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。 （5）在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系、分辨率为0.02m的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我为开发了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系。 （6）2002年，我国机床市场消费额达59亿美元，成为世界第一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控