数字控制

数字控制：是以数字化信号对机构的运动过程进行控制的一种方法。

简称为数控（NC）。

数控机床：指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。

数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。

计算机数字控制装置（Computerized numerical control 装置, CNC）主要工作:1）程序输入2）译码3）刀具补偿4）速度规划5）插补运算6）位置控制7）I/O处理8）显示9）诊断CNC 装置的的主要功能与特点1）控制功能2）准备功能3）插补功能4）固定循环功能5）进给功能CNC机床的组成：信息输入、数控装置、私服驱动及检测装置、机床本体、机电接口数控机床的特点(相对普通机床) 1）自动化程度高2)适应性强3)精度高4)效率高5)减轻劳动强度6)有利用生产管理的现代化CNC机床的特点(相对NC机床) 1）柔性好2)功能强3)通用性好4)可靠性高5)易于实现机电一体化数控机床的分类：按伺服控制方式分类1）开环控制2）闭环控制系统3）半闭环控制系统按工艺用途分类：1）普通数控机床：自动化程度高、精度高2）数控加工中心：带刀库和自动接刀装置的数控机床。

按机床的运动轨迹分类：1）点位控制系统指机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工，机床移动部件的运动路线并不影响加工的孔距精度。

2）直线控制数控机床要求控制点的准确定位，要求控制刀具以一定的速度沿直线平行的方向进行加工。

具有主轴转速的选择与控制、切削速度与刀具的选择、循环加工等辅助功能3）轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制。

具有插补运算功能。

可以进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。

数控机床坐标系：1. 机床的运动形式是多种多样的，但编程时的坐标规定为：把工件看作是固定的，运动的只是刀具。

采用右手XYZ坐标系。

其回转轴则围绕X轴的为A轴，绕Y 轴的为B轴，绕Z轴的为C轴，方向按右手螺旋法则规定（见右图）。

编程原点是指程序中的坐标原点，即在数控加工时，刀具相对于工件运动的起点，所以也称为“对刀点”。

机床原点是生产厂家在制造机床是设置的固定坐标系原点，它一般位于卡盘端面与主轴中心线的交点处。

脉冲当量是指数控装置每发出一个脉冲信号，机床位移部件所产生的位移量。

脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值大小决定数控机床的加工精度和表面质量。

目前，普通数控机床的脉冲当量一般为0.001mm,简易数控机床的脉冲当量一般为0.01mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm。

脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。

可控轴数与联动轴数区别：可控轴数是指数控系统能够控制的坐标轴数目。

该指标与数控系统的运算能力、运算速度以及内存容量等有关。

联动轴数是指按照一定的函数关系同时协调运动的轴数。

对主传动系统的基本要求1）主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速高生产率良好的表面质量2）主轴传动平稳，噪声低，精度高数控机床的加工精度与主传动系统的刚度密切相关。

提高传动件的制造和刚度3）具有良好的抗振性和热稳定性4）能实现刀具的自动和快速装卸准停装置自动夹紧机构总之，数控机床主传动系统将主轴电动机的原动力通过该传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。

同步带传动是一种综合带、链传动优点的新的带传动类型。

主轴准停装置数控机床为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程，必须设置主轴准停机构。

由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀；为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。

由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节有2种方式，即机械式与电气式对进给传动系统的基本要求1.提高传动部件的刚度直线运动的定位精度和分辨率要达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率要达到角秒级。

提高传动系统刚度的有效措施有：1）加大滚珠丝杠的直径2）对滚珠丝杠副、支承部件进行预紧3）对滚珠丝杠进行预拉伸2.减小传动部件的惯量若驱动电机已经确定，传动部件的惯量就直接决定进给系统的加速度。

是满足刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。

3.减小传动部件的间隙开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度，在闭环系统中，它系统的主要非线性环节，影响系统的稳定性。

常用的措施是对齿轮副、丝杠副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及支承部件预紧，有可能会增加阻力，所以间隙应减小到合理范围。

4.减小系统的摩擦阻力摩擦阻力会降低传动效率造成发热，同时还直接影响系统的快速性。

采用滚珠丝杠、静压丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件。

滚珠丝杠副的特点：传动效率高、灵敏度高传动平稳、定位精度高传动刚度高、不能自锁有可逆性、制造成本高数控机床对机械结构的基本要求1) 具有较高的静刚度1 ．合理设计基础件截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构2 ．采用合理结构布局，改善机床受力状态，提高机床静刚度3 ．补偿有关零、部件的静力变形4 ．提高机床各部件的接触刚度5 ．采用钢板焊接结构2) 提高机床结构的抗振性必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。

而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。

措施：减少机床内部振源；动平衡、消除配合间隙、隔振提高静态刚度；增加构件或结构的阻尼。

1、基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料2、表面采用阻尼涂层3、采用新材料制造基础件4、充分利用接合面间的阻尼3) 具有较好的热稳定性1、改进机床布局和结构设计(1) 采用热对称结构(2) 采用预拉伸的滚珠丝杠结构(3) 在机床布局时，尽量减少内部热源2、控制温升3、热变形补偿 4 改善运动导轨副的摩擦特性5具有良好的操作、安全防护性能数控机床常用布局形式平床身斜床身立式床身这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。

斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。

而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。

因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。

在其它方面则三种布局方式各具特点：（1）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。

（2）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。

（3）加工制造：平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。

另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。

（4）操作、防护、排屑性能：斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。

但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。

立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。

在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。

数控加工原理从图1-1可以看出，数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。

数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。

插补与刀补数控加工直线或圆弧轨迹时，程序中只提供线段的两端点坐标等基本数据，为了控制刀具相对于工件走在这些轨迹上，就必须在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以填补确定一些中间点，如图1-4(a)、(b)所示，各轴就以趋近这些点为目标实施配合移动，这就称之为插补。

这种计算插补点的运算称为插补运算。

早期NC硬线数控机床的数控装置中是采用专门的逻辑电路器件进行插补运算的，称之为插补器。

在现代CNC软线数控机床的数控装置中，则是通过软件来实现插补运算的。

现代数控机床大多都具有直线插补和平面圆弧插补的功能，有的机床还具有一些非圆曲线的插补功能。

插补加工原理见本章1.2节。

刀补是指数控加工中的刀具半径补偿和刀具长度补偿功能。

具有刀具半径补偿功能的机床数控装置，能使刀具中心自动地相对于零件实际轮廓向外或向内偏离一个指定的刀具半径值，并使刀具中心在这偏离后的补偿轨迹上运动，刀具刃口正好切出所需的轮廓形状，如图1-4(c)所示。

编程时直接按照零件图纸的实际轮廓大小编写，再添加上刀补指令代码，然后在机床刀具补偿寄存器对应的地址中输入刀具半径值即可。

加工时由数控机床的数控装置临时从刀补地址寄存器中提出刀具半径值，再进行刀补运算，然后控制刀具中心走在补偿后的轨迹上。

刀具长度补偿主要是用于补偿由于刀具长度发生变化的情况。

图1-4 插补和刀补(a) 直线插补；(b) 圆弧插补；(c) 刀具半径补偿如前所述，插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。

将它应用于数控加工中就是：CNC 装置根据程序中给定的线段方式和端点信息进行相应的数学计算，以插补运算出的中间密化点为趋近目标，不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按趋近指定的路线移动，从而最大限度地保证加工轨迹与理想轨迹相一致。

插补运算可有硬件插补(插补器)和软件插补两种实现方式。

而按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。

下面仅以逐点比较法为例简单介绍一下插补运算的原理。

数控加工程序的格式数控程序按程序段(行)的表达形式可分为固定顺序格式、表格顺序格式和地址数字格式三种。

固定顺序格式属于早期采用的数控程序格式，因其可读性差、编程不直观等原因，现已基本不用。

表格顺序格式程序的每个程序行都具有统一的格式，加工用数据间用固定的分隔符分隔，其编程工作类似于填表。

当某一项数值为零时，其数值虽然可省略，但分隔符却不能省略；否则，在数控装置读取数据时就会出错。

比如，国产数控快走丝线切割机床所采用的3B 、4B 程序格式，就是这种表格顺序格式类型。