1、第第1 1章数控加工实用基础章数控加工实用基础1.1 数控加工概述数控加工概述1.2 数控系统控制原理数控系统控制原理1.3 数控机床及其坐标系统数控机床及其坐标系统1.4 数控编程基础数控编程基础1.5 数控加工的工艺处理数控加工的工艺处理1.6 数控加工的工艺指令和工艺文件数控加工的工艺指令和工艺文件1.1 数控加工概述数控加工概述1.1.1 数控加工原理和特点数控加工原理和特点 1数控加工原理数控加工原理当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液
2、等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意
3、复杂的零件。数控加工的原理如图1-1所示。图1-1 数控加工原理框图2数控加工的特点数控加工的特点总的来说，数控加工有如下特点：(1)自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。(2)对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。(3)加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.0050
4、.01 mm之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。(4)易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。1.1.2 数控加工常用术语数控加工常用术语1坐标联动加工坐标联动加工数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以坐标数据来进行控制的。像数控车床、数控线切割机床等是属于两坐标控制的，数控铣床则是三坐标控制的(如图1-2所示)，还有四坐
5、标、五坐标甚至更多的坐标控制的加工中心等。坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线和空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力(如图1-3所示)。当然也有一些早期的数控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐标联动的三坐标机床。像这类机床就不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第三轴作单独周期性进给的“两维半”加工方式。图1-2 数控机床的控制坐标数(a)两坐标数控车床；(b)三坐标数控铣床 图1-3 坐标联动加工2脉冲当量、进给速度与速度修调脉冲当量、进
6、给速度与速度修调数控机床各轴采用步进电机、伺服电机或直线电机驱动，是用数字脉冲信号进行控制的。每发送一个脉冲，电机就转过一个特定的角度，通过传动系统或直接带动丝杠，从而驱动与螺母副连结的工作台移动一个微小的距离。单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。手动操作时数控坐标轴的移动通常是采用按键触发或采用手摇脉冲发生器(手轮方式)产生脉冲的，采用倍频技术可以使触发一次的移动量分别为0.001 mm、0.01 mm、0.1mm、1mm等多种控制方式，相当于触发一次分别产生1、10、100、1000个脉冲。3插补与刀补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，
7、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。图1-4 插补和刀补(a)直线插补；(b)圆弧插补；(c)刀具半径
8、补偿 1.1.3 数控加工技术的发展数控加工技术的发展1数控加工技术的发展历程数控加工技术的发展历程1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年，于1952年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。1956年德、日、苏等国分别研制出本国第一台数控机床。1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类加工中心。我国虽然早在1958年
9、由清华大学和北京第一机床厂合作研制了第一台数控铣床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时采用的是分立元件，性能不稳定，可靠性差。1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”
10、，从而为数控技术产业化奠定了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。2数控加工技术的发展方向数控加工技术的发展方向1)高速切削受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。日本新泻铁工所生产的UHSIO型超高速数控立式铣床主轴最高
11、转速高达100000r/min。中等规格加工中心的快速进给速度从过去的812m/min提高到60m/min。2)高精度控制高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到0.1m，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代(加工精度达0.01m)。3)高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。数控系统在21世纪将具有最大
12、限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。4)高一体化CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。5)网络化实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)对基层设备的要求。配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造”。6)智
13、能化21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。7)绿色化通过结构优化或采用新结构、新材料等，使得机床制造过程中能量消耗更低，材料更少，重量更轻；机床使用时驱动能量更小，效率更高；不用或少用冷却液，实现干切削、半干切削等节能环保的绿色加工制造方式。1.2 数控系统控制原理数控系统控制原理1.2.1 CNC硬件组成与控制原理硬件组成与控制原理CNC即计算机数控系统(Computeri
14、zed Numerical Control)的缩写，它是在硬线数控(NC)系统的基础上发展起来的，由一台计算机来完成早期NC机床数控装置的所有功能，并用存储器实现零件加工程序的存储。图1-5是小型计算机CNC系统构成。数控系统的核心是计算机数字控制装置，即CNC装置。它由硬件(数控系统本体器件)和软件(系统控制程序如编译、中断、诊断、管理、刀补和插补等)组成。系统中的一种功能，可用硬件电路实现，也可用软件实现。新一代的CNC系统，大都采用软件来实现数控系统的绝大部分功能。要增加或更新系统功能时，则只需要更换控制软件即可，因此，CNC系统较之NC系统具有更好的通用性和灵活性。图1-5 CNC系统
15、构成图1-6是典型的微处理器数控系统框图。其各组成部分功用如下所述：图1-6 微处理器数控系统框图(1)微处理器CPU及其总线。它是CNC装置的核心，由运算器及控制器两大部分组成。运算器负责数据运算；而控制器则是将存储器中的程序指令进行译码并向CNC装置的各部分发出执行操作的控制信号，且根据所接收的反馈信息决定下一步的命令操作。总线则是由物理导线构成的，分成数据线、地址线和控制线等三组。(2)存储器。它用以存放CNC装置的数据、参数和程序。它包括存放系统控制软件的只读存储器EPROM和存放中间运算结果的随机读写存储器RAM和存放零件加工程序信息的磁泡存储器或带后备电池的CMOS RAM。(3)
16、MDI/CRT接口。MDI即手动数据输入单元，CRT为显示器。由数控操作面板上的键盘输入、修改数控程序和设定加工数据，同时通过CRT显示出来。CRT常用于显示字符或图形信息。(4)输入装置(纸带读入和穿孔输出接口)。光电阅读机可将由其他纸带凿孔机所制作的纸带上的程序信息读入到CNC装置中，可直接用于控制加工或将程序转存到存储器中。有的机床还备有穿孔输出的纸带凿孔机，可将本机上编好的程序制成纸带，用于其他数控系统中。纸带输入/输出曾经是数控机床和其他计算机控制系统交换信息的主要媒介。也有的机床采用磁带机或磁盘驱动器等媒介，较之纸带输入/输出更方便。(5)数据输入/输出(I/O)接口。它是CNC装
17、置和机床驱动部件之间来往传递信息的接口，主要用于接收机械操作面板上的各种开关、按钮以及机床上各行程限位开关等信号；或将CNC装置发出的控制信号送到强电柜，以及将各工作状态指示灯信号送到操作面板等。(6)位置控制及主轴控制。它将插补运算后的坐标位置与位置检测器测得的实际位置值进行比较、放大后得到速度控制指令，去控制速度控制单元，驱动进给电机，修正进给误差，保证精度，主要在闭环或半闭环数控机床上使用。(7)可编程控制器(PLC)接口。它用来代替传统机床强电部分的继电器控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。上述(1)、(2)、(3)、(4)几部分和PC电脑的功用一样，所以现代PC-NC数控系统是直
18、接用通用PC机来取代这几个组成部分的。当操作者按下机床操作面板上的“循环启动”按钮后，就向CNC装置发出中断请求。一旦CNC装置所处状态符合启动条件，则CNC装置就响应中断，控制程序转入相应的控制机床运动的中断服务程序，进行插补运算，逐段计算出各轴的进给速度、插补轨迹等，并将结果输出到进给伺服控制接口及其他输出接口，控制工作台(或刀具)的位移或其他辅助动作。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削运动。1.2.2 CNC系统的软件结构系统的软件结构CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，
19、它们的系统软件在结构和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。1输入数据处理程序输入数据处理程序它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。(1)输入程序。(2)译码程序。(3)数据处理程序。2插补计算程序插补计算程序CNC系统根据零件加工程序中提供的数据，如线段轨迹的种类、起点和终点坐标等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。3速度控制程
20、序速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。4管理程序管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理和插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对由面板命令、时钟信号和故障信号等引起的中断进行处理。有的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插补运算与速度控制的空闲时间进行数据输入处理，即调用各种功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，并且保证在数据段加工过程中将下一数据段准备完毕，一旦本数据段加工完毕，就立即开始下一数据段的插补加工。5诊断程序诊断程序诊
21、断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件(如CPU、存储器、接口、开关和伺服系统等)的功能是否正常，并指出发生故障的部位。在整体结构上，CNC系统软件可有前后台型和中断型两种不同的处理方式。1.2.3 插补原理插补原理如前所述，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
22、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。如图1-7所示的直线OA，取起点O为坐标原点，终点为A(Xe，Ye)。已知M(Xm，Ym)点为动态加工点，若m点正好在OA直线上，则有：eemmYXYX0YXYXemme即 可取Fm=XeYm-XmYe 作为直线插补的偏差判别式。若Fm=0，则表明m点正好在直线上；若Fm 0，则表明m点在直线的上方；若Fm 0，则表明m点在直线下方。对于第一象限的直线，从起点(原点)出发，当Fm0时，应沿+X方向走一步；当Fm0时，则应沿+Y方向走一步；当两个方向所走的步数和终点坐标(Xe,Ye)值相等时，发出终点到达信号，停止插补。由于Fm的计算式中同时
23、有乘法和减法，计算处理较为复杂，因此实际应用中常采用迭代法或递推法进一步推算。若某处有Fm0，应沿+X方向走一步到达新点m+1(Xm+1,Ym)，则新偏差为Fm+1=XeYm-Xm+1Ye=XeYm-(Xm+1)Ye=Fm-Ye若某处有Fm 0，应沿+Y方向走一步到达新点m+1(Xm,Ym+1)，则新偏差为Fm+1=XeYm+1-XmYe=Xe(Ym+1)-XmYe=Fm+Xe这样偏差计算式中只需要进行加、减运算，只要将前一点的偏差值与已知的终点坐标值相加或相减，即可求得新的偏差值。可用四个节拍来说明逐点比较法插补运算的过程，如图1-7所示。图1-7 逐点比较插补法及其工作节拍 对于其他三个象
24、限的直线插补运算，可用相同的原理获得。在如图1-7中所示的圆弧的插补运算与直线插补运算法类似，只是其偏差判别式有所不同。圆弧的偏差判别式为Fm。逐点比较法能实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高，在我国和日本数控机床中多用逐点比较法；在欧美则多用数字积分法；而对于闭环控制的机床中，则多采用时间分割法。现代大部分数控机床都具有直线和圆弧插补功能。也就是说，现代数控机床大都能加工由直线和圆弧所组成的任意轨迹图形。当需要加工非圆二次曲线轨迹时，大都是在编程计算时先采用拟合逼近方法将曲线转化为直线或圆弧后再进行加工的。22m2mRYX1.2.4 典型数控系统典型数控系统1日本日本FANUC系
25、列数控系统系列数控系统FANUC公司生产的CNC产品主要有FANUC 3/6/9、FANUC 0、FANUC 10/11/12、FANUC 15/16/18/21、FANUC 160/180/210等系列。目前我国用户主要使用的有FANUC 0、FANUC 16/18/21、FANUC160/180/210等系列。(1)FANUC 0系列。它是可组成面板装配式的CNC系统，易于组成机电一体化系统，在我国应用最广。该系列有高可靠性的Power Mate 0系列、普及型0D系列、全功能型0C系列、高性价比0i系列。系列内又分T、TT、M、ME、G、P、F等类型，其中T型用于单刀架单主轴的数控车床，
26、TT型用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床，M/ME型用于数控铣床或加工中心，G型用于数控磨床，P型为数控冲床，F型是对话型CNC系统。(2)FANUC 15系列。它是FANUC公司较新的32位CNC系统，被称为AICNC系统(人工智能CNC)。该系列是按功能模块结构构成的，可以根据不同的需要组合成最小至最大系统，控制轴数从2根到15根，同时还有PMC的轴控制功能，可配备有7、9、11和13个槽的控制单元母板，用于插入各种印刷电路板，采用了通信专用微处理器和RS-422接口，并有远距离缓冲功能。该系列CNC系统主要适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。(3)FANUC 16i/1
27、8i/21i系列。它是以纳米为单位实施插补检测控制的超小、超薄型CNC系统，其控制单元与LCD集成于一体，采用光纤超高速串行数据通讯，具有丰富的网络功能，可通过因特网对数控系统进行远程诊断，通过C语言编程和宏编程，可实现CNC功能的个性化定制。FANUC公司最新推出的Series160i/180i/210i是与Windows2000对应的高功能开放式CNC，其个性化和智能化得到进一步的加强。FANUC新推出高性能的30i Model A数控系统，最多可配合控制40轴、24轴联动控制，同时执行10个不同的CNC程序，是世界上单个CNC控制器可控制轴数之最。2德国德国SIEMENS公司的公司的SI
28、NUMERIK系列数控系统系列数控系统SINUMERIK系列数控系统主要有SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810/820、SINUMERIK 850/880和SINUMERIK840等产品。3西班牙西班牙FAGOR系列数控系统系列数控系统(1)FAGOR CNC8025/8035系列。该系列是中档数控系统，可控制25轴，用于车床、铣床、加工中心、冲床、激光切割等设备。(2)FAGOR CNC8040系列。该系列是2001年投放市场的中高档数控系统，其中央单元与显示单元合为一体，可控4轴4联动+主轴+2个手轮。(3)FAGOR CNC8055系列。该系列是高档数控系
29、统，可实现7轴7联动+主轴+手轮控制，具有高速通讯功能，是一种可定制开发的开放式数控系统。(4)FAGOR CNC8070系列。该系列是最高档数控系统，代表FAGOR的顶级水平，是PC-NC技术的结晶，可运行Windows和MS-DOS，控制16轴+3手轮+2主轴。4华中数控系统华中数控系统HNCHNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统。它是我国863计划的科研成果在实践中应用的成功项目，已开发和应用的产品有HNC1、HNC2000和世纪星HNC21/22多个系列。其他典型数控系统还有日本的三菱(MITSUBISHI)、马扎克(MAZAK)、大隈(OKUMA)，德国的海德汉(HEIDENH
30、AIN)、德马吉(DMG)，美国的法道(FADAL)，法国的扭姆(NUM)等；国产的数控系统还有广州数控(GSK)、凯恩帝(KND)、航天数控(CASNUC2100)和蓝天数控(LT)等。1.3 数控机床及其坐标系统数控机床及其坐标系统1.3.1 数控机床及其分类数控机床及其分类从机械本体的表面上看，很多数控机床都和普通的机床一样，看不出有多大的差别。但事实上它们已经有本质上的不同。驱动坐标工作台的电机已经由传统的三相交流电机换成了步进电机或交、直流伺服电机；由于电机的速度容易控制，所以传统的齿轮变速机构已经很少采用了。还有很多机床取消了坐标工作台的机械式手摇调节机构，取而代之的是按键式的脉冲
31、触发控制器或手摇脉冲发生器。坐标读数也已经是精确的数字显示方式，而且加工轨迹及进度也能非常直观地通过显示器显示出来。采用数控机床控制加工已经相当安全方便了。1按加工工艺方法分类按加工工艺方法分类按传统的加工工艺方法来分有：数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机和加工中心等。其中，现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。当某数控机床具有自动换刀功能时，即可称之为“加工中心”。2按加工控制路线分类按加工控制路线分类有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。(1)点位控制机床。它如图1-8(a)所示，只控制刀具从
32、一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。(2)直线控制机床。它如图1-8(b)所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成
33、点位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。(3)轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如图1-8(c)所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。图1-8 按加工控制路线分类(a)点位控制；(b)直线控制；(c)轮廓控制 3按机床所用进给伺服系统不同分类按机床所用进给伺服系统不同分类有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统型，见1.3.2节。4按所用数控装置的不同分类按所用
34、数控装置的不同分类有NC硬线数控和CNC软线数控机床。(1)NC硬线数控机床。它是早期20世纪5060年代采用的技术，其计算控制多采用逻辑电路板等专用硬件的形式。要改变功能时，需要改变硬件电路，因此通用性差，制造维护难，成本高。(2)CNC软线数控机床。它是伴随着计算机技术而发展起来的。其计算控制的大部分功能都是通过小型或微型计算机的系统控制软件来实现的。不同功能的机床其系统软件就不同。当需要扩充功能时，只需改变系统软件即可。5按控制坐标轴数目分类按控制坐标轴数目分类按机床数控装置能同时联动控制的坐标轴的数目来分，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐标联动数控机床。1.3.2 数控机
35、床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机，电液动脉冲马达和功率步进电机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工件进给和快速运动。1开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机和电液脉冲马达等。如图1-9所示。由数控系统送出的进给指令脉冲，通过环形分配器、按步进电机的通电方式进行分配，并经功率放大后送给步进电机的各相绕组，使之按规定的方式通、断电，从而驱动
36、步进电机旋转。再经同步齿形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是结构简单，维护方便，成本较低。但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可稍有提高。图1-9 开环伺服系统2半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，如图1-10所示。测量元件(脉冲编码器、旋转变压器和圆感应同步器等)装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过测量元件检测丝杠
37、或电机的回转角。间接测出机床运动部件的位移，经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制指令值相比较。如果二者存在偏差，便将此差值信号进行放大，继续控制电机带动移动部件向着减小偏差的方向移动，直至偏差为零。由于只对中间环节进行反馈控制，丝杠和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。对丝杠螺母副的机械误差，需要在数控装置中用间隙补偿和螺距误差补偿来减小。图1-10 半闭环伺服系统3闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统如图1-11所示。它的工作原理和半闭环伺服系统相同，但测量元件(直线感应同步器、长光栅等)装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。该系统将所有部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引
38、起的误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难。图1-11 闭环伺服系统1.3.3 数控机床的主轴驱动数控机床的主轴驱动1对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求(1)数控机床主传动要有较宽的调速范围并尽可能实现无级变速。为适应各种工序和不同材料加工的要求，需要较宽的变速范围，且要求在整个速度范围内均能够提供切削所需的功率或扭矩。(2)较高的回转精度和良好的动态响应性能。应减少传动链，提高主轴部件刚度和抗振性、热稳定性，变速时自动加减速时间应短，调速运转平稳。应能对主轴负载进行检测控制，有过载报警功能。(3)有旋转进给轴(C轴)的控制功能。要求主轴能与其他
39、进给轴同时实现联动控制，如在车螺纹、攻丝等加工时，主轴转速与直线坐标轴进给速度之间应保持一定的联动关系。(4)具有恒线速切削功能。如在端面车削加工时，有时要求采用恒定的表面线速度，这就要求主轴转速能随着车削直径的改变而自动变化。(5)主轴准停控制功能。在加工中心上自动换刀时或执行某些特定的加工动作时，要求主轴需停在一个固定不变的方位上，这就需要主轴有高精度的准停控制功能。2主轴调速与驱动主轴调速与驱动主轴驱动的调速电机主要有直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机可采用改变电枢电压(降压调速)或改变励磁电流(弱磁调速)的方法实现无级调速，降压调速可获得恒转矩，弱磁调速可获得恒功率输出。交流电动
40、机目前广泛采用矢量控制的变频调速方法，变频器应同时有调频兼调压的功能以适应负载特性的要求。仅采用无级调速，虽然可使主轴齿轮箱大为简化，但其低速段输出扭矩常常无法满足机床强力切削的要求。数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机无级调速和机械齿轮变速两种方法，按照控制指令自动调速，以同时满足对主传动调速和输出大扭矩的要求。数控机床的主轴驱动主要有以下四种配置方式。(1)带有变速齿轮的主传动，如图1-12(a)所示。通过少数几对齿轮降速，增大输出扭矩，可以满足主轴低速时有足够的扭矩输出。滑移齿轮的移动大都采用开关量信号控制的液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。(2)通过带传动的主传动，如图1-
41、12(b)所示。电动机与主轴通过形带或同步齿形带传动，不用齿轮传动，可避免振动和噪声。适用于高速、低转矩特性要求的主轴。(3)用两个电动机分别驱动主轴，如图1-12(c)所示。高速时，通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转。(4)内装电动机主轴传动结构，如图1-12(d)所示。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度；但输出扭矩小，电动机发热对主轴的影响较大。图1-12 数控机床的主轴驱动方式3主轴准停装置主轴准停装置加工中心的主轴部件上的主轴准停装置，就是使主轴每次都能准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对
42、准刀柄上的键槽。主轴准停装置一般分为机械式和电气式两种。如图1-13所示是一电气式准停装置的原理图。在带动主轴旋转的带轮的端面上装有一个厚垫片，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁，在主轴箱体对应与主轴准停的位置上，装有一磁传感器。当主轴需要停转换刀时，数控装置发出主轴准停的指令，电机降速，在主轴以最低转速慢转几圈且永久磁铁对准磁传感器时，磁传感器发出回应信号，经放大后，有定向电路控制主轴电机停在规定的周向位置上。图1-13 主轴准停装置1.3.4 数控机床的坐标轴与运动方向数控机床的坐标轴与运动方向数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。如图1-14所示，X、Y、Z直线进给坐标系按右手定则
43、规定，而围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C则按右手螺旋定则判定。机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：图1-14 笛卡尔直角坐标系统(1)先确定Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。如立式铣床，主轴箱的上、下或主轴本身的上、下即可定为Z轴，且是向上为正；若主轴不能上下动作，则工作台的上、下便为Z轴，此时工作台向下运动的方向定为正向。(2)再确定X轴。X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在工件旋转的机床(
44、如车床、外圆磨床)上，X轴的运动方向是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平(如卧式铣床、镗床)，则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出方向为X轴正向，若Z轴为垂直(如立式铣、镗床，钻床)，则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出方向为X轴正向。(3)最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。如图1-15是机床坐标系示例。图1-15 数控机床坐标系示例(a)卧式车床；(b)立式铣床 上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相
45、对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X=-X+Y=-Y+Z=-Z+A=-A+B=-B+C=-C事实上，不管是刀具运动还是工件运动，在进行编程计算时，一律都是假定工件不动，按刀具相对运动的坐标来编程。机床操作面板上的轴移动按钮所对应的正负运动方向，也应该是和编程用的刀具运动坐标方向相一致。比如，对立式数控铣床而言，按+X轴移动钮或执行程序中+X移动指令，应该是达到假想工件不动，而刀具相对工件往右(+X)移动的效果。但由于在X、Y平面方向，刀具实际上是不移动的，所以相对于
46、站立不动的人来说，真正产生的动作却是工作台带动工件在往左移动(即+X运动方向)。若按+Z轴移动钮，对工作台不能升降的机床来说，应该就是刀具主轴向上回升；而对工作台能升降而刀具主轴不能上下调节的机床来说，则应该是工作台带动工件向下移动，即刀具相对于工件向上提升。此外，如果在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R，如图1-16所示。图1-16 多轴数控机床坐标系示例(a)卧式镗铣床；(b)六轴加工中心 1.3.5 机床原点、参考点和工件原点机床原点、参考点和工件原点机床原点就是机床坐标系的原点。它是机床上的一个固定的点，由制造厂
47、家确定。机床坐标系是通过回参考点操作来确立的，参考点是确立机床坐标系的参照点。数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中心，数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处，但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。参考点(或机床原点)是用于对机床工作台(或滑板)与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点，一般都是设定在各轴正向(或负向)行程极限点的位置上。该位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好的，它相对于机床原点的坐标是一个已知数，一个固定值。每次开机启动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴返回参考点，进行一次位置校准，以消除上次运动所
48、带来的位置误差。在对零件图形进行编程计算时，必须要建立用于编程的坐标系，其坐标原点即为程序原点。而要把程序应用到机床上，程序原点应该放在工件毛坯的什么位置，其在机床坐标系中的坐标是多少，这些都必须让机床的数控系统知道，这一操作就是对刀。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。工件原点一般按如下原则选取：(1)工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。(2)能使工件方便地装夹、测量和检验。(3)尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。(4)对于有对称几何形
49、状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面。铣床的工件原点，一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，进刀深度方向上的零点，大多取在工件表面，如图1-17所示。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点；对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点独立地编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别设定各自的工件坐标系。图1-17 坐标原点与参考点对于编程和操作加工采取分开管理机制的生产单位，编程人员只需要将其编程坐标系和程序原点填写在相应的工艺卡
50、片上即可。而操作加工人员则应根据工件装夹情况适当调整程序上建立工件坐标系的程序指令，或采用原点预置的方法调整修改原点预置值，以保证程序原点与工件原点的一致性。1.3.6 绝对坐标编程和相对坐标编程绝对坐标编程和相对坐标编程数控编程通常都是按照组成图形的线段或圆弧的端点的坐标来进行的。当运动轨迹的终点坐标是相对于线段的起点来计量的话，称之为相对坐标或增量坐标表达方式。若按这种方式进行编程，则称之为相对坐标编程。当所有坐标点的坐标值均从某一固定的坐标原点计量的话，就称之为绝对坐标表达方式，按这种方式进行编程即为绝对坐标编程。例如，要从图1-18中的A点走到B点。用绝对坐标编程为：X12.0 Y15
