第4章 数控机床的工作原理
数控机床的工作原理
数控机床的工作原理数控机床是一种通过数字化程序控制工作过程的自动化机床，它的工作原理是通过计算机控制系统，实现对机床各轴运动、加工工艺参数和辅助功能的精确控制，从而完成工件的加工加工。
数控机床的工作原理主要包括数控系统、执行机构、传感器和工作台四个方面。
首先，数控系统是数控机床的核心，它由数控装置和输入设备组成。
数控装置是数控机床的"大脑"，它接收输入的加工程序和指令，经过处理后输出控制信号，控制执行机构实现各轴的运动。
输入设备通常是键盘、鼠标或者其他输入设备，用于输入加工程序、工艺参数等信息。
其次，执行机构是数控机床的关键部件，它包括主轴驱动装置、进给装置和辅助装置。
主轴驱动装置用于驱动主轴进行旋转运动，实现对工件的加工；进给装置用于控制工件在加工过程中的进给运动，包括直线进给和旋转进给；辅助装置用于实现机床的各种辅助功能，如换刀、冷却、润滑等。
第三，传感器是数控机床的感知器件，它用于感知机床各轴的位置、速度、加速度等信息，并将这些信息反馈给数控系统，以实现对机床各轴的闭环控制。
常见的传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器等。
最后，工作台是数控机床的加工平台，用于固定工件并进行加工。
工作台通常具有多轴自由度，可以实现对工件的多方向加工。
数控系统通过控制执行机构，使工作台按照预先设定的加工程序和路径进行运动，从而实现对工件的精确加工。
总的来说，数控机床的工作原理是通过数控系统控制执行机构，实现对工作台和刀具的精确控制，从而实现对工件的精确加工。
数控机床具有高精度、高效率、灵活性强等优点，已经成为现代制造业中不可或缺的重要设备。
随着科技的不断发展，数控机床的工作原理也在不断完善和创新，将为制造业的发展带来更多的机遇和挑战。
数控机床的工作原理及工作过程
数控机床的工作原理及工作过程一、工作原理数控机床是一种通过数字信号来控制机床运动和加工过程的机床。
它采用计算机控制系统，通过预先编程的方式来控制机床的运动轨迹、速度和加工参数，从而实现零件的加工。
数控机床的工作原理主要包括以下几个方面：1. 数字信号生成：首先，通过计算机编程软件编写加工程序，将加工过程中需要的各种指令和参数转化为机床能够识别和执行的数字信号。
2. 控制系统：数控机床的控制系统由硬件和软件组成。
硬件包括计算机、数控装置、伺服驱动器等，用于接收和处理数字信号，并将其转化为机床的运动控制信号。
软件则负责编写加工程序和控制机床的运动轨迹、速度等参数。
3. 运动控制：数控机床的运动控制主要包括位置控制、速度控制和加速度控制。
通过数控装置和伺服驱动器，将数字信号转化为电信号，控制机床各个轴向的运动，实现零件的加工。
4. 加工过程监控：数控机床能够实时监测加工过程中的各项参数，如刀具位置、切削力、加工速度等，并将监测结果反馈给控制系统。
控制系统根据反馈信息进行调整，保证加工过程的准确性和稳定性。
二、工作过程数控机床的工作过程通常包括以下几个步骤：1. 加工程序编写：操作人员使用计算机编程软件，根据零件的加工要求编写加工程序。
加工程序包括刀具路径、切削参数、加工顺序等信息。
2. 加工程序传输：将编写好的加工程序通过网络或存储介质传输到数控机床的控制系统中。
控制系统接收到加工程序后，进行解析和处理。
3. 机床准备：操作人员根据加工程序的要求，安装合适的刀具和夹具，并进行机床的调整和校准。
确保机床处于正常工作状态。
4. 参数设置：操作人员根据加工程序的要求，设置加工参数，包括切削速度、进给速度、切削深度等。
这些参数会影响到加工过程中的切削质量和效率。
5. 启动机床：操作人员将加工程序加载到数控机床的控制系统中，并启动机床。
控制系统会根据加工程序的要求，控制机床各个轴向的运动，实现零件的加工。
6. 加工监控：在加工过程中，操作人员需要实时监控机床的运行状态和加工质量。
数控机床的工作原理及工作过程
数控机床的工作原理及工作过程一、工作原理数控机床是一种通过数字信号控制运动轴的机床，其工作原理基于计算机控制技术和传感器技术。
它通过预先编写好的程序，将加工工艺要求转化为数字信号，再通过控制系统将这些信号传递给伺服机电，从而控制工件在各个轴向上的运动，实现精确的加工。
数控机床的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 编写加工程序：根据加工工艺要求，使用专门的编程软件编写加工程序，包括工件的几何信息、刀具路径、进给速度等。
2. 加工程序输入：将编写好的加工程序通过外部设备，如U盘或者网络等，输入到数控机床的控制系统中。
3. 控制系统处理：控制系统将输入的加工程序进行解析和处理，生成相应的控制指令。
4. 信号传递：控制指令通过控制系统内部的总线或者专用接口传递给伺服机电，控制工件在各个轴向上的运动。
5. 运动控制：伺服机电根据接收到的控制指令，通过传动装置驱动工件在各个轴向上做相应的运动。
6. 加工监控：控制系统实时监控工件的运动状态，并通过传感器采集加工过程中的相关数据，如切削力、温度等。
7. 加工完成：当加工程序执行完毕后，数控机床会自动住手运动，并发出相应的提示。
二、工作过程数控机床的工作过程可以简单概括为以下几个步骤：1. 加工准备：操作人员根据加工工艺要求，选择合适的刀具、夹具和工件，并进行装夹和定位。
2. 加工程序输入：将预先编写好的加工程序输入到数控机床的控制系统中。
3. 机床开机：按照机床的操作规程，启动数控机床的电源，并进行必要的系统自检和初始化。
4. 加工参数设置：根据加工工艺要求，设置加工参数，如进给速度、主轴转速、切削深度等。
5. 加工开始：操作人员通过控制系统的操作界面，启动加工程序，数控机床开始按照程序要求进行加工。
6. 加工监控：控制系统实时监控工件的运动状态和加工过程中的各项参数，并将数据反馈给操作人员。
7. 加工调整：根据加工监控数据，操作人员可以对加工参数进行调整，以保证加工质量和效率。
数控机床的工作原理及工作过程
数控机床的工作原理及工作过程一、数控机床的工作原理数控机床是一种利用数字控制系统来控制机床运动和加工过程的机床。
其工作原理主要包括以下几个方面：1. 数字控制系统：数控机床的核心是数字控制系统，它由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理器、存储器、输入输出接口等，软件则包括数控程序和操作界面。
数字控制系统能够接收用户输入的加工程序，并根据程序指令控制机床的运动和加工过程。
2. 伺服系统：伺服系统是数控机床中的重要组成部分，它通过控制电机的转速和位置来实现机床的运动。
伺服系统由伺服电机、编码器、放大器等组成，通过接收数字控制系统发送的指令，控制电机的转速和位置，从而实现机床的定位和运动控制。
3. 传感器：传感器用于检测机床的运动状态和加工过程中的工件位置。
常用的传感器包括光电开关、接近开关、编码器等。
传感器将检测到的信号传输给数字控制系统，系统根据信号进行判断和控制，保证机床的准确运动和加工。
4. 机床结构：数控机床的工作原理还与机床的结构密切相关。
常见的数控机床包括铣床、车床、钻床等，它们的结构和工作原理各不相同。
但无论是哪种类型的数控机床，都需要通过数字控制系统控制伺服系统，实现机床的运动和加工。
二、数控机床的工作过程数控机床的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 加工程序编写：操作人员根据工件的要求和加工工艺，编写加工程序。
加工程序是一段由数字控制系统识别的代码，它包含了机床的运动路径、切削参数等信息。
2. 加工程序输入：将编写好的加工程序输入到数字控制系统中。
可以通过键盘、U盘等方式将程序传输到数字控制系统中。
3. 机床准备：操作人员根据加工程序的要求，对机床进行准备工作。
包括安装夹具、刀具、工件等，调整机床的工作台和刀具的位置。
4. 数控机床设置：操作人员根据加工程序的要求，对数字控制系统进行设置。
包括设定加工速度、进给速度、切削深度等参数。
5. 启动机床：操作人员启动数字控制系统，机床开始按照加工程序进行工作。
数控机床的工作原理及应用
数控机床的工作原理及应用
一、数控机床的工作原理
1. 数控机床通过计算机控制,按照加工程序对工件进行自动化加工。
2. 在计算机存储器内预先编制加工程序,并将程序以数字信号的形式输入数控设备。
3. 数控设备将数字信号解码,变换为机床可以执行的位置、速度等控制信号。
4. 这些信号通过执行机构驱动机床的主轴、Fixture等进行自动加工。
5. 在加工程序控制下,机床精确执行各种turning、drilling、milling等动作。
6. 通过程序可以重复加工复杂工件,不需要人工直接操作。
二、数控系统的组成
1. 程序存储器:存储加工程序,如打孔程序、铣槽程序。
2. 程序译码器:将程序转换为机床可执行的控制信号。
3. 驱动器:控制主轴转速、进给速率等。
4. 执行机构:带动主轴、Fixture等机械运动。
5. 反馈系统:监测执行效果,除错。
三、数控机床的应用
1. 高效自动化加工,提高加工精度。
2. 可连续不断地24小时运行,提高产量。
3. 加工复杂工件,实现多轴联动加工。
4. 编写灵活的加工程序,满足多品种和变批量需求。
5. 降低加工成本,广泛应用于航空、航天、汽车等制造业。
6. 一台数控机床可替代多台普通机床,降低设备投资。
综上所述,数控机床通过执行存储的数字化程序实现自动化加工,可连续高效加工复杂工件,大幅提高加工效率和质量,是现代制造业不可缺少的先进设备。
简述数控机床工作原理
简述数控机床工作原理
数控机床是一种利用数字信号控制工作过程的机床，它通过计算机程序来控制机床运动和加工过程。
其工作原理主要包括以下几个方面：
1. 数字信号生成：通过输入控制指令，计算机生成相应的数字信号，用来控制机床的各个运动轴。
2. 运动控制：计算机将生成的数字信号发送给伺服系统，经过滤波和放大等处理后，控制伺服电机的转动。
伺服电机带动机床各个运动轴的运动，例如工作台的上下移动、主轴的旋转等。
3. 位置检测：在机床的各个运动轴上安装有位置传感器，用于实时检测运动轴的位置，并反馈给计算机。
计算机通过比较实际位置与期望位置之间的差别，可以调整控制信号，达到精确的位置控制。
4. 加工过程控制：计算机根据预先编写好的工艺程序，控制机床进行具体的加工操作。
例如，在铣床上，计算机发送合适的指令来控制铣刀的进给速度、切削深度、切削方向等参数，实现加工操作。
5. 刀具管理：数控机床通常配备自动换刀系统，计算机可以通过控制自动刀库，实现刀具的自动更换和选择。
这使得数控机床可以在不同的加工需求下，灵活选择合适的刀具。
总的来说，数控机床工作原理就是通过计算机的控制，利用数
字信号控制伺服系统，使得机床的各个运动轴按照预定的规律移动，从而实现精确的加工操作。
简述数控机床的工作原理
简述数控机床的工作原理数控机床是一种高精度、高效率、高自动化程度的机床，其工作原理是将数字信号转换为机床运动指令，通过控制系统控制各个执行机构实现工件的加工。
本文将从数控机床的基本结构、控制系统、加工过程等方面简述其工作原理。
一、数控机床的基本结构数控机床主要由机床主体、数控装置、执行机构、测量系统和辅助装置等组成。
其中，机床主体是指数控机床的机械部分，包括床身、主轴、进给机构等；数控装置是指数控机床的控制部分，包括控制器、输入设备、输出设备等；执行机构是指数控机床的动力部分，包括主轴驱动、进给驱动等；测量系统是指数控机床的检测部分，包括测量传感器、编码器等；辅助装置是指数控机床的辅助部分，包括冷却液系统、废屑输送系统等。
二、数控机床的控制系统数控机床的控制系统是指数控装置及其控制算法。
数控装置按照功能可分为系统控制器、数据输入设备、数据输出设备和辅助设备。
系统控制器是数控机床的核心部分，它负责将输入设备输入的数字信号转换成机床运动指令，并通过输出设备将指令传递给执行机构，从而实现工件的加工。
系统控制器的控制算法包括插补算法、轨迹控制算法、路径规划算法和运动控制算法等。
插补算法是将输入的数字信号转换为机床运动指令的核心算法，它通过对数字信号进行插补计算，生成机床的运动轨迹。
轨迹控制算法是指控制机床主轴的运动，它通过控制主轴马达的转速和转向实现工件的旋转加工。
路径规划算法是指规划机床加工路径的算法，它通过对工件的几何形状和加工要求进行分析，生成最优的加工路径。
运动控制算法是指控制机床进给运动的算法，它通过控制进给马达的转速和转向实现工件的直线运动。
三、数控机床的加工过程数控机床的加工过程包括工件的设计、程序的编写、加工的准备和加工的执行等步骤。
其中，工件的设计是指根据加工要求和工件的几何形状，设计出工件的CAD模型。
程序的编写是指将CAD模型转换成数字信号，用于控制数控机床进行加工。
加工的准备是指根据程序要求，调整数控机床的各项参数，使其符合加工要求。
数控机床的工作原理及工作过程
数控机床的工作原理及工作过程数控机床是一种通过计算机控制的自动化机械设备，它能够在预设的工艺参数下进行加工操作。
它的工作原理和工作过程如下：一、工作原理：数控机床的工作原理是基于计算机控制系统的指令执行。
首先，操作员通过计算机软件编写加工程序，包括加工路径、切削参数、速度等。
然后，将编写好的程序通过存储介质（如U盘）传输到数控机床的控制系统中。
控制系统接收到程序后，将其解析为机床可执行的指令。
接下来，控制系统根据指令控制伺服系统、主轴、进给系统等机床部件的运动，实现加工操作。
二、工作过程：1. 加工准备：在进行数控加工之前，需要进行加工准备工作。
首先，操作员需要将工件夹紧在机床工作台上，并使用测量工具对工件进行测量，以确定加工起点和加工终点。
然后，操作员需要选择合适的刀具，并将其安装在刀架上。
最后，操作员需要对机床进行刀具长度和半径补偿等参数的设置。
2. 加工程序加载：将事先编写好的加工程序通过存储介质传输到数控机床的控制系统中。
控制系统会自动识别并加载加工程序。
3. 工件定位：数控机床会根据加工程序中定义的加工路径，将刀具移动到工件的加工起点位置。
在移动过程中，数控机床会使用编码器等传感器来准确定位。
4. 加工操作：数控机床会根据加工程序中定义的切削参数和加工路径，控制刀具进行切削操作。
在加工过程中，数控机床会根据加工程序中定义的进给速度、切削速度等参数来控制刀具的运动。
5. 加工监控：数控机床在加工过程中会实时监控刀具的位置、刀具的磨损情况、工件的加工状态等。
如果出现异常情况，如刀具磨损超过预设值、工件加工尺寸超出容许范围等，数控机床会自动停机，并通过报警系统提示操作员。
6. 加工结束：当加工程序中定义的加工路径全部完成后，数控机床会将刀具移动到加工终点位置，并停止加工操作。
同时，数控机床会将加工过程中的相关数据保存到存储介质中，以备后续分析和记录。
总结：数控机床的工作原理是基于计算机控制系统的指令执行，通过预先编写加工程序和设置加工参数，实现自动化的加工操作。
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vx xe
k
结论：动点从原点O走 向终点A的过程，可以 看作是各坐标轴每经过 一个单位时间间隔∆t， 分别以增量kxe，kye同 时累加的过程。
DDA直线插补器结构
DDA直线插补器工作过程
平面直线插补器由两个数字积分器组成，
每个积分器由累加器和被积函数寄存器
组成。
终点坐标值存放在被积函数寄存器中。
插补的实质
数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲，伺服 系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。 数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行脉 冲数目分配的运算（即插补计算），产生机床各坐 标的进给脉冲。 插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过 计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据 计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲， 机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离， 从而将工件加工出所需要轮廓的形状。 插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行数 据点的密化。
插补器的分类
硬件插补器
由专门设计的数字逻辑电路组成。
插补速度快，升级不易，柔性较差。
软件插补器
通过软件（编程）实现插补功能。
插补速度比硬件插补器慢，但成本低、
柔性强，结构简单，可靠性好。
4.1.2 插补方法的分类
1.基准脉冲插补（行程标量插补或脉冲增量插补） 特点：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，每个脉冲代表了最 小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速 度，而脉冲的数量表示移动量。
+Y
+X +Y +X +X +Y
F1,1＝F1,0＋Xe＝2
F2,1＝F1,1－Ye＝-1 F2,2＝F2,1＋Xe＝4 F3,2＝F2,2－Ye＝1 F4,2＝F3,2－Ye＝-2 F4,3＝F4,0＋Xe＝3
n=1+1=2<N
n=2+1=3<N n=3+1=4<N n=4+1=5<N n=5+1=6<N n=6+1=7<N
（2）坐标进给和计算 y Fi,i>=0时，向＋x方向走一步。 Xi Xi 1
Fi 1,i Fi,i Ye
F>=0
Fi,i<0时，向＋y方向走一步。 Yi 1 Yi 1
F<0 O
Fi,i 1 Fi,i X e
x
（3）终点判断 • 每走一步判断最大坐标的终点坐标值（绝对值）与该 坐标累计步数坐标值之差是否为零，若为零，插补结束。 • 总步数为：N=Xa+Ya。
F7,8＝ F7,7+2×7+1＝13 F6,8＝ F7,8－2×7+1＝0
N=12-10=2
N=12-11=1 N=12-12=0
插补轨迹
圆弧插补的象限处理
4.2.2 数字积分法
数字积分法也称为数字微分分析法，是在数 字积分器的基础上建立起来的一种插补方法。 基本原理：数字积分法是利用数字积分的方 法，计算刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具 沿着所加工的曲线运动。 优点：运算速度快，脉冲分配均匀，容易实 现多坐标联动。 缺点：速度调节不便，插补精度需要采用移 动措施才能满足要求。
5
6 7 8 9
F2,2＝-2<0
F2,3＝2>0 F3,3＝-3<0 F3,4＝1>0 F4,4＝-4<0
+Y
+X +Y +X +Y
F2,3＝F2,2 ＋Xe＝2
F3,3＝F2,3－Ye＝-3 F3,4＝F3,3＋Xe＝1 F4,4＝F3,4－Ye＝-4 F4,5＝F4,4＋Xe＝0
n=4+1=5<N
终点判别
终点计数器JE
开始： JE
n
=0 +1
每进行一次加法运算， JE 当JE=2
累加过程中所产生的溢出脉冲总数就是 所求的近似值，或者说所要求的积分近 似值。
x Vx t y Vy t
V OA
2. DDA直线插补
vy ye
x v x t kxe t y v y t kye t
各坐标轴的位移量
n n t x 0 kxe dt k xe t k xe i 1 i 1 n n t y ky dt k y t k y e e 0 e i 1 i 1
第4章 数控机床的工作原理
4.1 概述
4.1.1 插补的概念 在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加 工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加 工的曲线。
插补（interpolation）定义：机床数控系统 依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也 可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种 算法计算已知点之间的中间点的方法，也称 为“数据点的密化”。
m＝2n。所以数字积分法直线插补的终点判别为m＝2n。
寄存KXe与Xe的一致性
由于KXe= Xe/2n，运算的方法为：保持数字Xe不变， 只需把数Xe往右移动n位即可得到KXe。 被积函数寄存器Jvx内装的Kxe，可改为只装Xe即可。 KYe= Ye/2n，运算的方法为：保持数字Ye不变，只 需把数Ye往右移动n位即可得到KYe。 被积函数寄存器JVY内装的KYe 可改为只装Ye即可。
Yi 1 Yi 1, X i 1 X i Fi,i 1 Fi,i 2Yi 1
注意：圆弧与直线不同，直线用于计算的自始至终是 终点坐标，而圆弧则是一个动点坐标。
（3）终点判断： n X e X0 Ye Y0
逐点比较法圆弧插补流程
例4-2 插补第一象限逆圆AB
n=5+1=6<N n=6+1=7<N n=7+1=8<N n=8+1=9=N
插补轨迹
y A（4,5）
O
x
直线插补不同象限插补方向
无论在哪个象限，逐点比较直线插补法均采用直 线坐标的绝对值计算。
2. 逐点比较法圆弧插补
如右图所示逆圆弧AE，C、D、B点分别在圆弧的外、 内部和圆弧上。 C点在圆弧的外部，则有
8
F4,3＝3>0
+X
F5,3＝F4,3－Ye＝0
n=7+1=8=N
直线OA插补轨迹
例. 插补直线OA，A（4,5）
序号 偏差判别 进给方向 0 1 2 3 4 F0,0＝0 F1,0＝-5<0 F1,1＝-1<0 F1,2＝3>0 +X +Y +Y +X 偏差计算 F0,0＝0,Xe=4,Ye=5 F1,0＝F0,0－Ye＝-5 F1,1＝F1,0＋Xe＝-1 F1,2＝F1,1 ＋Xe＝3 F2,2＝F1,2 －Ye＝-2 终点判别 n=0,N=9 n=1 n=1+1=2<N n=2+1=3<N n=3+1=4<N
B点在圆弧上，则有
2 (X b
0
2 2 （1）偏差判别方程式：F (X 2 Y 2 ) (X0 Y0 )
（2）坐标进给和计算 Fi,i>=0时，向-x方向走一步。
X i 1 X i 1, Yi 1 Yi Fi 1,i Fi,i 2X i 1
Fi,i <0时，向＋y方向走一步。
为保证坐标轴上每次分配的进给脉冲不超过一个，则有 Δ x<1和Δ y<1，即kxe<1和kye<1。而xe和ye受寄存器容 量的限制，令寄存器的位数为n，寄存器的最大值为2n1，则有xe＝2n-1，ye＝2n-1。于是有 1 k n 2 1
为保证累加次数m为整数，取 k
1 n ，所以累加次数 2
1. 逐点比较插补法直线插补
如图所示直线OA和点P（Xi，Yi），A点（ Xe，Ye）。
P点在直线上方，则有：
Yi X e X i Ye 0
P点在直线上，则有：
Yi X e X i Ye 0
P点在直线下方，则有：
Yi X e X i Ye 0
F （1）偏差判别方程式： i,i Yi X e X i Ye
主要的数字增量插补方法
直线函数法 扩展数字积分法 二阶递归扩展数字积分插补法 双数字积分插补法 角度逼近圆弧插补法 “改进吐斯丁”（Improved Tustin Method-ITM）法
4.2 基准脉冲插补 4.2.1 逐点比较插补法
基本思路：每走一步都要将加工点的瞬间 时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其 偏差，然后决定下一步的走向。如果加工 点走到图形外面，下一步就要向图形里面 走；如果加工点走到图形里面，下一步就 要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能 得到一个非常接近规定图形的轨迹，最大 偏差不超过一个脉冲当量。 四个步骤：偏差判别->坐标进给->新偏差 判别->终点比较
仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计 算机数控系统
主要的脉冲增量插补方法
数字脉冲乘法器插补法 逐点比较法 数字积分法 矢量判别法 比较积分法 最小偏差法 目标点跟踪法 单步追踪法 直接函数法 加密判别和双判别插补法
2. 数字采样插补（数据增量插补）
特点：插补运算分两步完成。 （1）粗插补 在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点， 即用若干条微小直线段逼近给定曲线，每一微小直 线段的长度都相等，且与给定速度有关。 （2）精插补 在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作 “数据点的密化”工作，相当于对直线的脉冲增量 插补。 适用于闭环、半闭环以直流和交流伺服电机为驱动 装置的位置采样控制系统