数控加工工艺分析主要包括的内容

图2.1 计算机数控系统框图
计算机数控系统的核心是CNC装置，它不同于以前的NC装置。

NC装置由各种逻辑元件、记忆元件等组成数字逻辑电路，由硬件来实现数控功能，是固定接线的
硬件结构。

CNC装置采用专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，具有良好
的“柔性”，容易通过改变软件来更改或扩展其功能。

CNC装置由硬件和软件组成，
软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，两者缺一不可。

1.什么是插补？为什么要进行插补？
插补：在实际加工中，用一小段直线或圆弧去逼近(拟合)零件轮廓曲线，即直线或圆弧插补。

插补的任务:就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。

2.现代CNC系统插补的实现方法
(1)由硬件和软件的结合实现；
(2)全部采用软件实现。

3.插补算法分类：
目前应用的插补算法分两大类：脉冲增量插补、数据采样插补
(1)脉冲增量插补：
插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。

点比较法和数字微分分析器 (Digital Differential Analyzer 简称：DDA) 方法
图1.7 开环数控系统
(2)数据采样插补 (或称：时间分割法)适合于闭环和半闭环控制系统。

补原理：它是把加工一段直线或圆弧的整段时间t细分为许多相等的时间间隔，即：单位时间间隔(插补周期T)。

每经进行一次插补计算，直到加工终点(如图1.6所示)。

2)特点：
①插补运算分两步完成：第一步：粗插补，第二步：精插补。

②粗插补：在给定的起点和终点的曲线之间插入若干个点用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每小段直线长度
即步长)相等，并与进给速度V有关，加工一小段直线的时间为一个插补周期T，则ΔL=VT。

经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补周期内各坐标的进给量，边计算，边加工。

④精插补：在粗插补时算出的每条微小直线段上，再做“数据点的密化”工作。

4.逐点比较法举例
(1)逐点比较法
就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同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；如果加工点图形外面去了，就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，就要向图形外面走(如图1.8所示)。

图1.8 逐点比较法图1.9 逐点比较法直线插补
(2)逐点比较法直线插补
插补原理：以第1象限直线为例，每进给一步需要进行四步：偏差判别、坐标进给、新偏差运算、终点比较(如图1.9 )。

数控系统的工作过程
1.输入：零件加工程序一般通过DNC从上一级计算机输入而来。

2.译码：译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。

3.数据处理：包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。

4.插补：是在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和
点之间进行数据点的密化。

5.伺服输出：伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并
结果发送到伺服驱动接口中去。

数控机床为什么需要刀具补偿，补偿哪些参数？
经过译码后得到的数据，还不能直接用于插补控制，要通过刀具补偿计算，将
编程轮廓数据转换成刀具中心轨迹的数据才能用于插补。

刀具补偿分为刀具长度补
偿和刀具半径补偿。

1．刀具长度补偿
在数控立式铣镗床上，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖不在原初始加工的程
编位置时，必须在Z向进给中，通过伸长（见图1）或缩短1个偏置值e的办法来补
偿其尺寸的变化，以保证加工深度仍然达到原设计位置。

图1 刀具长度补偿
在图2-4中，所画刀具实线为刀具实际位置，虚线为刀具编程位置，则刀具长
度补偿控制程序如下：
设定H01 = - 4.0 (偏置值)
N1 G91 G00 G43 Z-32.0 H01；实际z向将进给-32.0+(- 4.0) = -
36.0
N2 G01 Z-21.0 F1000； Z向将从- 36.0位置进给到-57.0位置。

N3 G00 G49 Z53.0； Z向将退回到53.0+4.0, 返回补始位置。

2．刀具半径补偿
刀具半径补偿是指数控装置使刀具中心偏移零件轮廓一个指定的刀具半径值。

根据ISO标准，当刀具中心轨迹在程序加工前进方向的右侧时，称右刀具半径补
偿，用G42表示；反之称为左刀具半径补偿，用G41表示；撤销刀具半径补偿用G40表示。

刀具半径补偿功能的优点是：在编程时可以按零件轮廓编程，不必计算刀具中心轨迹；刀具的磨损，刀具的更换不要重新编制加工程序；可以采用同一程序进行
粗、精加工；可以采用同一程序加工凸凹模。

数控系统速度控制的作用及速度控制方法的分类
在零件数控程序中，F指令设定了进给速度。

速度控制的任务是为插补提供必要的速度
信息。

由于各种CNC系统采用的插补法不同，所以速度控制计算方法也不相同。

1．脉冲增量插补方式的速度计算
脉冲增量插补方式用于以步进电动机为执行元件的系统中，坐标轴运动是通过控制步进电动机输出脉冲的频率来实现的。

速度计算就是根据编程的F值来确定脉冲频率值。

步进电动机走一步，相应的坐标轴移动一个对应的距离
（脉冲当量）。

进给速度F与脉冲频率f之间的关系为：
＝
式中，f为脉冲频率（HZ）； F为进给速度（mm/min）；
为脉冲当量（mm/脉冲）。

两轴联动时，各坐标轴的进给速度分别为
＝
＝
式中，
、
分别为
轴、
轴的进给速度（mm/min）；
、
分别为
轴、
轴步进电动机的脉冲频率。

合成进给速度为：
＝
2．数据采样法插补的速度计算
数据采样法插补程序在每个插补周期内被调用一次，向坐标轴输出一个微小位移增量。

这个微小的位移增量被称为一个插补周期内的插补进给量，用
表示。

根据数控加工程序中的进给速度F和插补周期T，可以计算出一个插补周期内的插补进给量为：
＝
式中，
为一个插补周期内的插补进给量（mm）；T为插补周期（ms）；F为编程进给速度
（mm/min）；
为速度系数（快速倍率、切削进给倍率）。

由此可得到指令进给值
，即系统处于稳定进给状态时的进给量，因此称
为稳态速度。

当数控机床起动、停止或加工过程中改变进给速度时，还需要进行自动加/减速处理。

数控机床进给系统的速度是不能突变的，进给速度的变化必须平稳过渡，以避免冲击、失步、超程、振荡或引起工件超差。

在进给轴起动、停止时需要进行加减速控制。

在程序段之间，为了使程序段转接处的被加工面不留痕迹，程序段之间的速度必须平滑过渡，不应有停顿或速度突变，这时也需要进行加减速控制。

加减速控制多采用软件来实现。

加减速控制可以在插补前进行，称为前加减速控制；也可以在插补之后进行，称为后加减速控制。

（1）前加减速控制
（2）后加减速控制其优点是对各坐标轴分别进行控制，不需要预测加减速点；缺点是实际各坐标轴的合成位置就可能不准确。

后加减速控制常用算法有指数加减速控制和直线加减速控制。

①指数加减速控制算法这种算法是将起动或停止时的突变速度处理成随时间按指数规律上升或下降的速度，如图2-5（a）所示。

指数加减速控制时速度与时间的关系是
加速时，
＝
式中，
为稳定速度；
为时间常数。

匀速时，
＝
减速时，
＝
②直线加减速控制算法这种算法使数控机床起动/停止时，速度沿一定斜率的斜线上升/下降，如图2-5（b）所示。