整理数控技术.docx

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整理数控技术

第一章

数字控制是一种借助数字信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。

对机床运动轨迹和状态的控制。

数控技术采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。

数控装备是采用数控技术对机械的工作过程进行自动控制的一类装备。

其中数控机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。

实现了高度的机、电、液、光、气一体化。

数控系统实现数字控制的装置。

计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。

CNC装置作用：

根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。

CNC装置是CNC系统的核心。

数控装置主要功能：

正确识别和解释数控加工程序，

对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，

完成各种输入、输出任务。

PLC、装备I/O电路和装置:

主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器（PLC）输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件装夹，冷却、液压、润滑的开或关等辅助操作的信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。

数控加工中数据转换过程

译码（解释）

译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。

该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。

它主要包括：

X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。

刀补处理（计算刀具中心轨迹）

用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。

刀补处理就是完成这种转换的程序。

（1．几个基本概念

数字控制、数控机床、

2.数控系统与数控装备的组成、各部分之间的关系、及其基本功能。

3．数控加工中数据转换过程中的主要步骤、以及每个步骤的主要功能。

）

按控制功能分类

⏹点位控制数控系统

仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；

对轨迹不作控制要求；

运动过程中不进行任何加工。

适用范围：

数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。

保证定位精度，移动速度是“先快后慢”

⏹直线控制数控系统

能实现点位控制数控系统的功能

能实现沿平行某个坐标轴（如X、Y、Z）或两轴等速的方向进行加工；

适用范围：

数控镗铣床、数控组合机床等

⏹轮廓控制数控系统

轮廓控制（连续控制）系统：

具有控制几个进给轴同时协调运动（坐标联动），使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。

适用范围：

数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。

现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。

⏹开环数控系统

没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。

无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。

一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。

一般用于经济型数控机床。

⏹半闭环数控系统

半闭环数控系统是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。

闭环的环路内不包括丝杠、螺母副、导轨、机床工作台这些大惯性环节，这些相关环节的误差不能被补偿。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。

因此，其精度较闭环差，较开环好。

但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

⏹全闭环数控系统

全闭环数控系统直接对运动部件的实际位置进行检测————直线位移。

带有位置检测反馈装置，以直流或交流电动机作为执行元件

凡是被反馈通道包围的前向通道中所有误差都能被反馈补偿

丝杠、螺母副、导轨及工作台这些大惯性环节或齿隙非线性环节都包含在闭环内——设计、调试困难

⏹加工高精化：

提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。

⏹提高CNC系统控制精度：

采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化；

采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）；

位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。

采用误差补偿技术：

采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;

设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。

研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。

三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1m。

⏹体系开放化

定义（IEEE）：

具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。

开放式数控系统特点：

系统构件（软件和硬件）具有标准化（Standardization）与多样化（Diversification）和互换性（Interchangeability）的特征

允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。

构造应该是可移植的和透明的；

开放体系结构CNC的优点：

向未来技术开放

标准化的人机界面

向用户特殊要求开放

可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。

（1．数控机床的几种分类方式。

2.数控技术的发展趋势。

）

第二章

直接存放——译码速度受限

转成内码存放——译码速度加快

内码的使用，使ISO码、EIA码在译码前具有统一的格式，加快译码速度

译码：

将输入的数控加工程序翻译成CNC装置能够识别的代码形式

代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。

如果是数字码，则立即设置相应的标志并转存；如果是字母码，则进一步判断该码的具体功能，然后设置代码标志并转入相应的处理。

在判断字母码功能时一般按查寻方式进行，即串行比较各个字符，因此处理速度较慢。

由于译码的实时性要求不高，可以安排在数控系统软件的后台程序中完成，利用其空闲时间进行译码，一般来讲仍是能满足要求的。

数控加工程序的诊断

（一）语法错误现象

1）程序段的第一个代码不是N代码。

2）N代码后的数值超过了CNC系统规定的取值范围。

3）N代码后出现负数。

4）在数控加工程序中出现不认识的功能代码。

5）坐标值代码后的数据超越了机床的行程范围。

6）S代码所设置的主轴转速超过了CNC系统规定的取值范围。

7）F代码所设置的进给速度超过了CNC系统规定的取值范围。

8）T代码后的刀具号不合法。

9）出现CNC系统中未定义的G代码，一般的数控系统只能实现ISO标准或EIA标准中G代码的子集。

10）出现CNC系统中未定义的M代码，一般的数控系统只能实现ISO标准或EIA标准中M代码的子集。

（二）逻辑错误现象

1）在同一个数控加工程序段中先后出现两个或两个以上的同组G代码。

数控系统约定，同组G代码具有互斥性，同一程序段中不允许出现多个同组G代码。

例如，在同一程序段中不允许G41与G42同时出现。

2）在同一个数控加工程序段中先后出现两个或两个以上的同组M代码。

同一程序段中不允许M03与M04同时出现。

3）在同一数控加工程序段中先后编入相互矛盾的尺寸代码。

4）违反系统约定，在同一数控加工程序段中超量编入M代码。

例如，数控系统只允许在一个程序段内最多编入三个M代码，但实际却编入了四个或更多，这是不允许的。

刀具补偿计算的意义

1）由于刀具磨损、更换等原因引起的刀具相关尺寸变化不必重新编写程序，只需修改相应的刀补参数即可。

2）当被加工零件在同一机床上经历粗加工、半精加工、精加工多道工序时，不必编写三种加工程序，可将各工序预留的加工余量加入刀补参数即可。

⏹控制对象：

刀架参考点或刀具中心

⏹切削部位：

刀尖或刀刃边缘

⏹——刀具补偿

⏹长度补偿；半径补偿

补偿中使用的刀具参数主要有：

刀具半径、刀具长度、刀具中心偏移量

数控机床在连续轮廓加工过程中，数控系统所控制的运动轨迹不是零件的轮廓，而是加工刀具的中心轨迹。

由于用户总是按零件的轮廓编写加工程序，因此，要加工出合格的零件，就必须使加工刀具中心在零件轮廓的法矢量方向上偏移一个刀具半径值，这种偏移就称为刀具半径补偿。

常用的脉冲增量插补算法有：

逐点比较法和数字积分法

⏹设进给速度F（mm/min），脉冲源频率f（Hz）,数控系统脉冲当量为δ（mm/步）

⏹则可推导出进给速度与脉冲频率的关系为：

⏹F＝60δf

⏹反过来求脉冲源频率为f=F/（60δ）

⏹按其选取脉冲源频率，可以实现所需的进给速度。

⏹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、超程或引起工件超差。

⏹在进给轴启动、停止时需要进行加减速控制。

⏹在程序段之间，为了使程序段的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，不应有停顿或突变，也需进行加减速控制。

⏹加减速在插补前进行，称为前加减速控制；

⏹加减速在插补后进行，称为后加减速控制。

第三章

（1、进给伺服系统的定义及组成

2、数控机床对数控进给伺服系统的要求。

3、位置检测装置的分类。

4、光栅

5、脉冲编码器）

❑传动比选择：

为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、、t之间有如下关系：

例：

=0.01t=6mmα=0.75°

（1、步进电机及其驱动装置。

2、直流伺服电机及驱动。

3、交流伺服电机及驱动。

4、开环进给伺服系统。

5、闭环、半闭环进给伺服系统。

1、简述速度控制单元主要作用。

2、简述进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）。

3、简述提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施。

）

进给伺服系统（FeedServoSystem）——以移动部件的位置/角度和速度作为控制量的自动控制系统。

它接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照的要求进行运动。

CNC装置是数控机床的“大脑”，“指挥机构”，进给伺服系统是数控机床的“四肢”，“执行机构”。

伺服系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。

进给伺服系统主要由以下几个部分组成：

位置控制单元；速度控制单元；驱动元件（步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机）；检测与反馈单元（感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等）；机械执行部件。

作用

接受CNC装置发出的位移/速度指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、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作进给或快速运动。

NC机床对数控进给伺服系统的要求

1．高精度（输出量能复现输入量的精确程度）

2．稳定性好（抗干扰能力）

3．响应速度快（系统跟踪精度）

4．电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）

5．低速大转矩

6．可靠性高（对环境的适应性）

伺服系统的分类

按控制原理和有无检测反馈装置：

开环和闭环伺服系统；

按其用途和功能：

进给驱动系统和主轴驱动系统；

按其驱动执行元件的动作原理：

电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）

一概述

组成：

位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。

作用：

实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。

它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。

闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置

按输出信号的形式分类：

数字式和模拟式

按测量基点的类型分类：

增量式和绝对式

按位置检测元件的运动形式分类：

回转型和直线型

在数控机床中，位置检测的对象有工作台的直线位移及回转工作台的角位移等，与此相对应有直线式和旋转式检测装置。

直接测量：

位置检测装置所测量的对象就是被测量值本身，如直线式测直线位移、旋转式测角位移。

直线测量：

光栅、感应同步器、磁栅等；

旋转位置检测：

光电编码器、旋转变压器。

间接测量：

用旋转式检测装置反映工作台的直线位移，即通过角位移与直线位移的线性关系求出工作台的直线位移。

如丝杠螺距为6mm，角位移测量值为300,则工作台直线位移为6mm/3600*300=0.5mm半闭环

脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。

根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。

其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。

另外，它还可分为绝对式和增量式两种。

进给伺服驱动系统：

由进给伺服系统中的电机及其控制和驱动装置组成。

1.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：

❑功率相对较小；

❑控制精度要求高；

❑控制性能要求高，尤其是动态性能。

三相单三拍的特点：

（1）每来一个电脉冲，转子转过30°。

（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。

（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。

步距角α=360度除以（mzk）

每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。

m—定子相数；z—转子齿数；k—通电系数，

m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。

α一般很小，如：

3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等

（1、步进电机及其驱动装置。

2、直流伺服电机及驱动。

3、交流伺服电机及驱动。

4、开环进给伺服系统。

5、闭环、半闭环进给伺服系统。

1、简述速度控制单元主要作用。

2、简述进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）。

3、简述提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施。

）