《數(shù)控原理論文》word版

1、。數(shù)控機(jī)床是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由于它具有良好的柔性、高的加工精度和穩(wěn)定性、能加工復(fù)雜零件、減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在機(jī)械制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 一、數(shù)控機(jī)床原理 數(shù)控機(jī)床一般由信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成。信息載體即穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶和磁盤等，用于記錄程序編制的內(nèi)容，并通過(guò)光電紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)和磁盤驅(qū)動(dòng)器等讀入裝置輸送給數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，也就是常說(shuō)的NC（普通數(shù)控裝置） 或CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置），NC是數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期的一種形式，現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床大多使用CNC系統(tǒng)。數(shù)控裝置的作用是接受讀入裝置輸入的

2、加工信息，經(jīng)過(guò)譯碼處理和運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖給伺服系統(tǒng)，完成零件加工。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分，由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置組成。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置傳來(lái)的指令脈沖信號(hào)，控制機(jī)床執(zhí)行件（工作臺(tái)或刀架）運(yùn)動(dòng)的位移和速度。機(jī)床本體主要是機(jī)械部件，包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件和支承部件等。對(duì)于數(shù)控機(jī)床部件來(lái)講，機(jī)械部件結(jié)構(gòu)較通用機(jī)床簡(jiǎn)單，但其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求比通用機(jī)床要高。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，首先根據(jù)零件圖編制程序，編程的代碼和指令格式大多符合ISO標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。然后將程序通過(guò)信息載體輸入到NC或CNC中，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序內(nèi)容發(fā)出指令，一方面由伺服系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置控制機(jī)床執(zhí)行件

3、的運(yùn)動(dòng)，另一方面控制機(jī)床的其它輔助運(yùn)動(dòng)，如主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向選擇，冷卻泵的開(kāi)停等。兩方面協(xié)同動(dòng)作，共同完成加工內(nèi)容。數(shù)控機(jī)床加工零件的過(guò)程如圖1所示。 二、數(shù)控機(jī)床的分類方法多種多樣，常見(jiàn)的分類方法有四種 （一）按伺服系統(tǒng)類型分類 分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。由伺服系統(tǒng)控制機(jī)床執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然其接受了數(shù)控裝置的指令要求值，但實(shí)際位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的誤差。這一誤差是由伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角誤差、減速齒輪的傳動(dòng)誤差、滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差以及導(dǎo)軌副抵抗爬行的能力這四項(xiàng)因素綜合反映的。開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于使用的電動(dòng)機(jī)不同、是否進(jìn)行執(zhí)行件的測(cè)量及誤差補(bǔ)償以及誤差補(bǔ)償范圍

4、的大小不同。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，由于不進(jìn)行執(zhí)行件的測(cè)量及誤差補(bǔ)償，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，精度相對(duì)較低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型數(shù)控機(jī)床上。閉環(huán)系統(tǒng)如圖3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求較高的大型和精密數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，介于兩者之間，只對(duì)部分誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此從理論上講其加工精度不如全閉環(huán)系統(tǒng)。圖1所示的系統(tǒng)稱之為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（圖中虛線框部分所示），如果加入位移檢測(cè)裝置和反饋系統(tǒng)（圖中虛線部分所示），此時(shí)，該系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。 （二）按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類 分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制三種。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在加工平面內(nèi)只控制刀具相對(duì)于工件的定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置，而

5、對(duì)定位移動(dòng)的軌跡不作要求。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和測(cè)量機(jī)等。直線控制數(shù)控機(jī)床能控制刀具或工件的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給運(yùn)動(dòng)，沿平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和加工，或者控制兩個(gè)坐標(biāo)軸以相同的速度運(yùn)動(dòng)，沿45°斜線進(jìn)行切削加工。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床以及某些加工中心。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，使刀具與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工復(fù)雜零件。單純的點(diǎn)位控制和直線控制機(jī)床很少，大部分為輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)加工，也能進(jìn)行點(diǎn)位和直線控制。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床以及加工中心機(jī)床。 （三）按工藝用途分類

6、分為一般數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心。一般數(shù)控機(jī)床指與一般通用機(jī)床相對(duì)應(yīng)的數(shù)控車、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工機(jī)床。加工中心最顯著的特點(diǎn)是具有刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序加工。刀庫(kù)的容量應(yīng)為二十把刀以上，但是一般常說(shuō)的四方刀架、八方刀架等不屬于刀庫(kù)的范疇。 （四）按數(shù)控裝置的功能分類 分為數(shù)控機(jī)床、簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置功能齊全，能夠進(jìn)行自動(dòng)編程、自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)故障診斷等。簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床的功能單一，僅具備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基本功能，并采用直觀輸入方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。通用機(jī)床可采用單片機(jī)或單板機(jī)經(jīng)數(shù)控化改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，性能可靠，操作簡(jiǎn)便。 插補(bǔ)的任務(wù)是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，

7、在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需時(shí)間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算精度又影響到數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，因此，插補(bǔ)算法是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制的核心。插補(bǔ)算法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，不斷成熟，種類很多。一般說(shuō)來(lái)，從產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型來(lái)分，主要有直線插補(bǔ)、二次曲線插補(bǔ)等；從插補(bǔ)計(jì)算輸出的數(shù)值形式來(lái)分，主要有脈沖增量插補(bǔ)(也稱為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ))和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)26。脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)都有個(gè)自的特點(diǎn)，本文根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同分別開(kāi)發(fā)出了脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。三.插補(bǔ)原理和道具補(bǔ)償原理機(jī)床數(shù)字控制的核心問(wèn)題之一，就是如何控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)為了滿足被

8、加工工件幾何尺寸精度的要求，刀具中心軌跡應(yīng)該準(zhǔn)確的依照工件的輪廓來(lái)生城刀具中心軌跡。然而對(duì)于簡(jiǎn)單的曲線，數(shù)控裝置易于實(shí)現(xiàn)但對(duì)于較復(fù)雜的形狀，若直接生成勢(shì)必會(huì)使算法變得很復(fù)雜計(jì)算機(jī)的工作量也相應(yīng)的大大增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用一小段直線或圓弧去進(jìn)行逼近，有些場(chǎng)合也可以用拋物線、橢圓、雙曲線和其他高次曲線去逼近復(fù)雜曲線（或稱為擬合）所謂插補(bǔ)就是指數(shù)據(jù)密化的過(guò)程。在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)諸如有限坐標(biāo)點(diǎn)的情況下，計(jì)算機(jī)根據(jù)線段的特征，運(yùn)用一定的算法，自動(dòng)地在這些特征之間插入一系列的中間點(diǎn)，即所謂數(shù)據(jù)密化，從而對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)曲線的軌跡運(yùn)行一滿足加工精度的要求。插補(bǔ)算法有很多種，現(xiàn)將其歸納為兩大

9、類：（一）脈沖增量插補(bǔ)脈沖增量插補(bǔ)是行程標(biāo)量插補(bǔ)，每次插補(bǔ)結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以脈沖的方式輸出。這種插補(bǔ)算法主要應(yīng)用在開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程中不斷向各坐標(biāo)軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸移動(dòng)量叫做脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是脈沖分配的基本單位，按機(jī)床設(shè)計(jì)的加工精度選定，普通精度的機(jī)床一般取脈沖當(dāng)量為：0.01mm，較精密的機(jī)床取1或0.5。采用脈沖增量插補(bǔ)算法的數(shù)控系統(tǒng)，其坐標(biāo)軸進(jìn)給速度主要受插補(bǔ)程序運(yùn)行時(shí)間的限制，一般為13m/min。脈沖增量插補(bǔ)主要有逐點(diǎn)比較法、數(shù)據(jù)積分插補(bǔ)法等。逐點(diǎn)比較法最初稱為區(qū)域判別法，或代數(shù)運(yùn)算法，或醉步式近似法。這種方法的原理是：

10、計(jì)算機(jī)在控制加工過(guò)程中，能逐點(diǎn)地計(jì)算和判別加工偏差，以控制坐標(biāo)進(jìn)給，按規(guī)定圖形加工出所需要的工件，用步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)拖動(dòng)機(jī)床，其進(jìn)給方式是步進(jìn)式的，插補(bǔ)器控制機(jī)床。逐點(diǎn)比較法既可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)也可以實(shí)現(xiàn)圓弧等插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此在兩個(gè)坐標(biāo)開(kāi)環(huán)的CNC系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍。但這種方法不能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，其應(yīng)用范圍受到了很大限制。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法 根據(jù)數(shù)控加工程序所要求的進(jìn)給速度，按照插補(bǔ)周期的大小，先將零件輪廓曲線分割為一系列首尾相接的微小直線段，然后輸出這些微小直線段所對(duì)應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)，控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸進(jìn)給。 采

11、用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法時(shí)，每調(diào)用一次插補(bǔ)程序，數(shù)控系統(tǒng)就計(jì)算出本插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)軸的位置增量以及各個(gè)坐標(biāo)軸的目標(biāo)位置。隨后伺服位置控制軟件將把插補(bǔ)計(jì)算求得的坐標(biāo)軸位置與采樣獲得的坐標(biāo)軸實(shí)際位置進(jìn)行比較求得位置跟蹤誤差，然后根據(jù)當(dāng)前位置誤差計(jì)算出坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度并輸出給驅(qū)動(dòng)裝置，從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件向減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。 逐點(diǎn)比較法：逐點(diǎn)比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件輪廓的過(guò)程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對(duì)位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給（始終只有一個(gè)方向）。一般地，逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)過(guò)程有四個(gè)處理節(jié)拍，如圖：（）偏差判別。判別刀具當(dāng)前位置

12、相對(duì)于給定輪廓的偏差狀況；（）坐標(biāo)進(jìn)給。根據(jù)偏差狀況，控制相應(yīng)坐標(biāo)軸進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向被加工輪廓靠攏；（）重新計(jì)算偏差。刀具進(jìn)給一步后，坐標(biāo)點(diǎn)位置發(fā)生了變化，應(yīng)按偏差計(jì)算公式計(jì)算新位置的偏差值；（）終點(diǎn)判別。若已經(jīng)插補(bǔ)到終點(diǎn)，則返回監(jiān)控，否則重復(fù)以上過(guò)程。 圖4-1處理節(jié)拍  圖4-2第一象限直線插補(bǔ)規(guī)律直線插補(bǔ)圖4-2為第一象限直線，其終點(diǎn)坐標(biāo)為（e，e），現(xiàn)分析其插補(bǔ)規(guī)律。刀尖點(diǎn)位置不外乎種情況：輪廓線上方（點(diǎn)），輪廓線上（點(diǎn)），輪廓線下方（點(diǎn)）。顯然，在點(diǎn)處，為使刀尖點(diǎn)向輪廓直線靠攏，應(yīng)向走一步；點(diǎn)處，應(yīng)向走一步；至于點(diǎn)，看來(lái)兩個(gè)方向均可以，但考慮匯編編程時(shí)的方便，

13、現(xiàn)規(guī)定往向走一步。（，）點(diǎn)處有：>ee              ee > 0（，）點(diǎn)處有：ee             ee 0（，）點(diǎn)處有：<ee              ee < 0ee為原始的偏差計(jì)算公式（，為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)），稱為偏差，每走一步到達(dá)新位置點(diǎn)，就要計(jì)算相應(yīng)這個(gè)值。顯然，0時(shí)，須向走