数控加工技术课件

第1章概论

1.1数控技术的发展过程

1.1.1数控机床的出现和发展

数控是数字控制(Numericalcontrol)的简称,是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术.其含义使用以数值和符号构成的数字信息自动控制机床的运转.数控机床也称NC机床.

第一代:1952年,电子管控制的第一台三坐标联动的铣床；

第二代:1959年,出现了晶体管控制的“加工中心”；

第三代:1965年,出现了小规模集成电路.使数控系统的可靠性得到了进一步的提高；

以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统,称为普通数控系统,即NC系统.

第四代:1967年以计算机作为控制单元的数控制系统.FMS(FlexibleManufacturingSystem),柔性制造系统。

第五代:1970年,美国英特尔开发使用了微处理器.CNC。

1.1.2我国数控机床发展概况

1.1.3数控机床的发展趋势

1.数控系统发展趋势

●采用开放式结构：进线、联网、专用要求。

●向智能化发展

具有自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿，人机界面极为友好，有故障专家诊断系统。

2.数控机床发展趋势

●高速、高效、高精度、高可靠性

●模块化、专门化、个性化；智能化、柔性化和集成化。

●

开放性

1.2数控机床的基本组成及工作原理

1.2.1数控机床的组成

数控系统功用:接受数控装置送来的脉冲信号,经过数控系统的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信息和指令，控制机床各部分进行规定的动作。

1.2.2数控机床的工作原理

数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序式编写加工程序,然后将所编写程序指令输入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。1.3数控机床的分类

1.3.1按控制系统功能分类

1.点位控制数控机床

2.点位直线控制机床

3.轮廓控制机床1.3.2按加工方式分类

1.一般数控机床

2.加工中心

1.3.3按伺服控制分类

1.开环控制系统

2.闭换控制系统

3.半闭环控制系统

1.3.4按数控系统的功能水平分类

1.4数控机床的特点

1.4.1数控机床的加工特点

1.适应性强,适合加工单件小批量复杂零件

2.加工精度高,产品质量稳定

3.自动化程度高,劳动强度低

4.生产效率高

减少辅助时间和机动时间

5.良好的经济效率

6.有利于生产管理的现代化

1.4.2数控机床的使用特点

1.对维修人员的技术水平要求较高

2.对夹具和刀具的要求较高

数控机床对刀具的要求:

●

精度较高、寿命高、尺寸稳定、变化小；

●快速换刀；

●刀柄应为标准系列；

●能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出；

●具有很好的可冷却性能。

3.数控机床的应用范围

●多品种、小批量生产的零件；

●形状结构比较复杂的零件；

●需要频繁改型的零件；

●价值昂贵，不允许报废的关键零件；

●需要最短周期的急需零件；

●批量较大、精度要求高的零件。

习题：

1.什么是数控?数控机床的加工原理是什么?

2.数控机床是由哪几部分组成?各有什么作用?

3.什么是开环、闭环、半闭环数控机床？它们之间有什么区别？

第2章

零件程序的编制

2.1概述

数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的。为了与数控系统的的内部程序（系统软件）及自动编程用的零件源程序相区别，我们把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序。它是数控机床的应用软件。2.1.1数控机床程序编制的内容和步骤

a.

明确加工目的,确定工艺参数

b.

算基点与节点

c.

按规定的程序格式,逐条写程序

d.

程序输入:键盘、接口

e.

程序校验首件试切:

●

空刀运动

●用笔代刀

●大批量生产（试切一件）

●三维动态显示

好的编程人员,要熟悉

a.

机床结构、性能

b.

数控系统

c.

加工工艺

※充分发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力2.1.2数控机床编程的方法●手工编程手工编程时间：加工时间=30：1●自动编程2.2

数控机床编程的基础知识

为了满足设计、制造、维修和普及的需要，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式方面，国际上已形成了两个通用的标准ISO—InternationalStandardOrganizationEIA—ElectronicIndustriesAssociation2.2.1程序结构与格式

N3G00X10Z10M03S650;（1）程序段号:查找、跳转注意，程序段标号与程序的执行顺序无关，不管有无括号，程序都是按排列的先后次序执行。

（2）结束符:；、LF、*

（3）程序段中的主体部分：主体部分包含了各种控制信息和数据

2.2.2、功能字

（1）准备功能字G代码:G00～G99共100种。

G代码（使机床做某种操作的指令）：

●模态代码一旦执行就保持有效,直到同组另一代码出现

●非模态代码只有在其它所在的程序段内有效

(2)坐标字（尺寸字）

XYZUVWIJK

有“+”

“-”之分,“+”可以省略

(3)进给功能字F:F是指各坐标方向速度的矢量和

G95F5000.5mm/r

G94F200200mm/min

(4)主轴转速功能字S:

主轴转速功能字S:规定主轴转速：S300300r/min刀具功能字T:T03=T3(6)辅助功能字(M功能)M00～M99:分模态与非模态

●

辅助功能代码与坐标代码同时执行G00M08

●

坐标移动指令之前执行M代码。“前置”G00M03

●

反之“后置”G00M02

M00:程序停止M01:可选择stop

M02:全段程序停止.M30:程序停止.指针指向程序头(7)刀具偏置字(D和H)G42D012.3、坐标轴2.3.1

坐标轴：直角笛卡尔坐标轴注意右手定正负无论那一种数控机床都规定Z轴作为平行于主轴中心线的坐标轴注意刀具相对静止工件运动的原则2.3.2坐标系机床的坐标原点在机床上某一点，是固定不变的，机床出厂已确定。机床的换刀点，托板的交换刀，…这些点在机床上都是固定点（1）机床坐标系（2）工件坐标系：程序编制人员在编制时使用的，在这个坐标系内编程可以简化坐标计算，减少错误，缩短程序长度。G90G92x-y-

在实际的加工中,操作者在机床上装好工件之后要测量该工件坐标系的原点和基本机床坐标系原点的距离,并把测得的距离在数控系统中预先设定,这个设定值叫工件零点偏置。有些数控系统把选用机床坐标系的指令设定为G54—G59，它是模态代码。需要指出的是,现代机床一般既可用预置寄存的方法定坐标系:CRT/MDI(Cathode–reytube/mandatainput)手工输入方法设置加工坐标系。例P14T2—9

G53非续效代码,只有在G90状态下才有效.G54续效代码

G28X0Y0：X0、Y0是返回的中间点2.4常用编程指令

在数控机床加工中，常用G、M、T、和S指令来控制各种加操作G00～G99M00～M99

插补:根据某段轮廓线（曲线或直线）的端点坐标值把该轮廓线细分许多小段，根据加工精度不同，每小段的长度可以是几微米到几毫米。

2.4.1快速定位方式：G00G00X_Y_Z_；不能由程序改

变，但可用倍率开关改变。不同的系统有不同的速度，一般都在10～30m/min之间

2.4.2直线插补方式:G01G90orG01X_Y_Z_F_;

2.4.3圆弧插补方式：

G02G03

（xy）G17or(xz)G18or(yz)G19G02X_Y_I_J_F；

G03

还有R方式:θ≦180°R为正θ＞180°R为负

有些系统不能用R编程，如果圆弧的起点和终点相同，由于数控系统无法用确定圆弧的中心位置，只能用I、J、K确定圆心的方式来编程2.4.3切削螺旋指令G33（模态）

eg.(T2-18P24)

2.4.4刀具长度偏置指令

G43.G44.G49.

（模态）

G43H_Z_；G44H_Z_；（正向偏置，负向偏置）

2.4.5刀具半径补偿指令

数控系统绝大都具有刀具半径补偿功能，为程序编制提供了方便。当编制零件加工的程序时不需要计算刀具中心运动轨迹，而只需按零件轮廓编程。在控制面板上用（CRT/MDI）方式，人工输入刀具半径值，数控系统便能自动的计算出刀具中心的偏移向量。

刀具位于工件左侧（假设工件不动）G41D01

刀具位于工件右侧（假设工件不动）G42D01

刀具半径补偿的建立，只能在G00或G01方式下完成，不能G02、G03在或其他曲线插补方式下进行，刀具半径补偿一旦建立，在没被取消之前一直有效，编程曲线永远是铣刀回转圆的包络线。

刀具半径补偿的建立和取消过程

刀具半径补偿分为A、B类和C类

A、B类：只是能实现在本程序段内的刀具补偿，而对于程序段间的过渡不予处理。只有B补偿功能的数控系统，在编程时，除了零件轮廓各程序段之外，还应考虑尖角过渡。

C类（C机能）：可以自动地尖角过渡，只要给出零件轮廓的程序数据，数控系统能自动地进行拐角处的刀具轨迹交点的计算。因此，刀具半径补偿C功能可用于内、外拐角轮廓的加工，而且在程序中不考虑尖角过渡。分为伸长型、插入型、缩短型插补

注意：现代数控系统可以先读入几段甚至全部加工程序，进行分析，在加工之前就能处理完各程序段之间的连接情况和走刀路线。

刀具补偿过程的轨迹分三个组成部分：

●形成刀具补偿的建立补偿程序段

●零件轮廓切削程序段

●补偿撤消程序段2.5子程序和固定循环

2.5.1子程序的格式

O****子程序

………..子程序主体

………..

M99；子程序结束指令

M98P****L:

子程序调用,L为次数注意，在子程序中，如果控制系统在读到M99以前读到M02或M30，则程序停止。

2.5.2固定循环

1.镗削循环的工艺路线

2.

镗削循环程序

格式:●G85X~Y

~Z~R~F

~L:无暂停,工退L:次数。

●

G89X~Y

~Z~R~P~F

~L:延时,工退●G86:镗削循环,主轴停止,快退.

G86:X~Y

~Z~P~R~F

~L

●G88:镗削循环,主轴停止,手动停止

G88:X~Y

~Z~R~

P

~F

~L

●G76:精镗循环,主轴停止,让刀,快退

G76X~Y

~Z~I~J(Q)~R~

P

~F

~L

●G87:反镗循环

G87:X~Y

~Z~I~

J~

R

~F

~

●G81:钻孔循环、不延时、快退

G81:X~Y

~Z~R~F

~L

●G82：钻孔循环、延时、快退

G82:X~Y

~Z~P~R~F

~L

●G83：深孔往复排屑钻孔循环、不延时、快退

G83:X~Y

~Z~R~Q~F

~L

●G73：深孔往复排屑钻孔循环、延时、快退

G73:X~Y

~Z~R~Q~P~F

~L

内螺纹攻螺丝程序

●

G84：右旋螺丝攻螺纹程序

G84：X~Y

~Z~P~R~F

~L

●G74：左旋螺丝攻螺纹程序G74：X~Y

~Z~P~~F

~L

2.6数控车床程序编制的基础

数控车床按其功能分为简易数控车床、经济型数控车床多功能数控车床和车削中心等，它们在功能上差很大。

2.6.1数控车床的主要功能

●简易数控车床

这是一种低档数控车床，一般用单板机或单片机进行控制。单板机不能存储程序，所以切断一次电源就得重新输入程序，且抗干扰能力差，不便于扩展功能，目前已很少采用。单片机可以存储程序，它的程序可以使用可变程序格式，这种车床没有刀尖圆半径自动补偿功能，编程时计算比较繁琐。

●经济型数控车床

这是中档数控车床，一般具有单色显示的CRT，程序储存和编辑功能。它的缺点是没有恒线速度切削功能，刀尖圆弧半径自动补偿不是它的基本功能，而属于选择功能范围。（n=1000υ/πd）

.

●多功能数控车床

这是指较高档次的数控车床，这类机床一般具备刀尖圆弧半径自动补偿、恒线速度切削、倒角、固定循环、螺纹切削、图形显示、用户宏程序等功能。

●车削中心

车削中心的主体是数控车床，配有刀库和机械手，与数控车床单机相比：自动选择和使用的刀具数量大大增加，卧式车削中心还具备如下两种功能：一是动力刀具功能，即刀架上某一刀位或所有刀具可使用回转刀具，如铣刀和钻头；另一种是C轴位置控制功能（分度，低速回转）,该功能主轴能达到很高的角度定位分辨率（一般0.001°）,还能使主轴和卡盘按进给脉冲作任意低速的回转,这样车床就具有X、Z和C三坐标，可实现三坐标两联动控制。近年出现的双轴车削中心，在一个主轴进行加工结束后，无需停机，零件被转移至另一主轴加工另一端，加工完毕后，零件除了去毛刺以外，不需要其它的补充加工。2.6.2工艺装备特点

对刀具的要求：

●刀具结构：数控车床应尽可能使用机夹刀。由于机夹刀在数控车床上安装时，一般不采用垫片调整刀尖高度，所以刀尖高的精度在制造时就应得到保证。对于长径比较大的内径刀杆，应具有良好的抗震结构。

●刀具强度、耐用度：数控车床能兼作粗精车削，为使粗车能大切深、大走刀，要求粗车刀具强度高、耐用度好；精车则保证加工精度，所以要求刀具锋利、精度高、耐用度好。

●刀片断屑槽：数控车床一般在封闭环境中进行，要求刀具具有良好的断屑性能，断屑范围要宽，一般采用三维断屑槽，其形式很多，选择时应根据零件的材料及精度要求来确定。

2.7数控车床的程序编制

车与铣大同小异，基本指令的意义是相同的，但由于二者在切削原理上存在着差异，因此，数控车床在编程方面有自己的特点。

本节着重介绍配置FANUC-0TJ数控系统进行车削加工所特有的程序编制方法。

2.7.1F功能

1、在G95码状态下,F后面的数值表示的是主轴每转的切削进给量或切螺纹的螺距，在数控车床上这种进给量指令使用的较多。

例如：G95F0.5表示进给量0.5mm/r

G95F1.0表示进给量1.0mm/r

2、在G94码状态下，表示每分钟进给量。

例如：G94F200表示进给量200mm/min

2.7.2S功能

1、主轴最高转速限制(G50)

编程格式：G50S～例如：G50S1800表示最高转速为1800r/min

2、恒线速度控制(G96)

指令格式：G96S～例如：G96S150表示控制主轴转速，使切削点的线速度始终保持在150m/min

由线速度υ可求得主轴转速如下：

n=1000υ/（πd）

所示的切削零件，为保持A、B、C各点的线速度一致,则

在每点的主轴转速分别为：

nA=1000×150/（π×40）=1193r/min

nB=1000×150/（π×60）=795r/min

nC=1000×150/（π×70）=682r/min

上述主轴转速的变化是由数控系统自动控制的。

3、恒线速度取消(G97)

编程格式：G97S～

例如：G97S1000表示主轴转速为1000r/min。

当由G96转为G97时，应对S码赋值，未指令时将保留G96指令的最终值。当由G97转为G96时，若没有S指令，则按前一G96所赋S值

进行恒线速度控制。

2.7.3G功能

1、加工坐标系设定

加工坐标系有两种设定方法。一种是以G50方式，另一种是以G54～G59的方式，G50是车削中常用的方式。

如图3-6所示，用G50X128.7Z375.1设定了加工坐标系.

2.刀尖圆弧自动补偿功能

通常在编程时都将车刀刀尖作为一点考虑的，即所谓假设刀尖。但实际上刀尖是有圆角的(如图)按刀尖点编出的程序在进行端面、外径、内径等与轴线平行的表面加工时，是没有误差的，但在进行倒角、锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过切现象（如图），具有刀尖圆弧半径自动补偿功能的数控系统能根据刀尖圆弧半径计算出补偿量，自动控制刀尖的运动以避免上述现象的产生。

为了进行刀尖圆弧半径补偿，需要使用以下指令：

G40：取消刀具补偿,G41：左偏刀具补偿，G42：右偏刀具补偿.

3.单一固定循环利用单一固定循环可以将一系列连续的动作，如“切入-切削-退刀-返回”，用一个循环指令完成，从而使程序简化。例如：图按一般写法，程序应写为：N10G00X50N20G01Z-30F～N30X65.0N40G00Z2但用固定循环语句只要下面一句就可以了:G90X50Z-30F～(1)圆柱或圆锥切削循环(G90)圆柱切削循环指令编程格式为:G90X(U)～Z(W)～F～循环过程如图所示。X、Z为圆柱面切削终点坐标值，U、W为圆柱面柱切削终点相对循环起点的坐标分量。

圆锥切削循环指令编程格式为:

G90X(U)～Z(W)～I～F～

循环过程如图所示，I为

圆锥面切削始点与切削终点

的半径差。图中X轴向切削

始点坐标小于切削终点坐标，

I的数值为负；如果I为正，则相反。

（2）端面切削循环

G94

格式G94X(U)Z(W)F～

3.复合型固定循环（G70～G76）在使用G90、G92、G94时，已经使程序简化了一些，但还有一类被称为复合型固定循环的代码，能使程序进一步得到简化。使用这些复合型固定循环时，只需指令精加工的形状，就可以完成从粗加工到精加工的全部过程。（1）

外圆粗切削循环（G71）

G71U(△d)R(e)

G71P(ns)Q(nf)U(△u)W(△w)F(f)S(s)T(t)

式中△d——背吃刀量，吃刀深度

e——退刀量，提刀量

ns——精加工形状程

序段中的开始程序段号；

nf——精加工形状程

序段中的结束程序段号；

△u——X轴方向精加工

余量；

△w——Z轴方向精加工

余量；

f，s，t——F，S，T代码。

在此应注意以下几点：

●

使用G71进行粗加工循环时，只有含在G71程序段中的F、S、T功能才有效而含在nsnf程序段中的F、S、T功能即使被指定对粗循环也无效；

●

AB之间必须符合X轴、Z轴方向的共同单调增大或减少的模式；

●可以进行刀具补偿。

例在图中，试按图示尺寸编写粗车循环加工程序。

O0001

N10G50X200Z140T0101

N20G90G40G97G95S240M03

N30G00G42D01X120Z12M08

N40G96S120

N50G71U2R0.1

N60G71P70Q130U2W2F0.3

N70G00X40

N80G01Z-30F0.15S150

N90X60Z-60

N100Z-80

N110X100Z-90

N120Z-110

N130X-120Z-130

N140G00X125G40

N150X200Z140

N160M02

（2）

端面粗加工循环(G72)G72与G71均为粗加工循环指令，而G72是沿着平行于X轴进行切削循环加工的，

编程格式为

G72U(△d)R(e)

G72P(ns)Q(nf)U(△u)W(△w)F(f)S(s)T(t)

（3）

封闭切削循环(G73)所谓封闭切削循环就是按一定的切削形状逐渐地接近最终形状。这种方式对于铸造或锻造毛坯的切削是一种效率很高的方法。G73循环方式如图所示。

编程方式

G73U(i)W(k)R(d)

G73P(ns)Q(nf)U(△u)W(△w)F(f)S(s)T(t)

式中i——X轴上总退刀量（半径值）；

k——Z轴上的总退刀量；

d——重复加工次数；

执行G73功能时，每一刀的加工路线的轨迹形状是相同的只是位置不同，每走完一刀就把加工轨迹向工件方向移动一个位置。

(4)精加工循环（G70）由G71、G72完成粗加工后，可以用G70进行精加工。编程格式G70P(ns)Q(nf)其中ns和nf与前述含义相同。在这里G71、G72、G73程序段中的F、S、T指令都无效，只有ns-nf在程序段中F、S、T才有效，以下图的程序为例，在N130程序段之后再加上：

N140G70P70Q130

就完成从粗加工到精加工全过程。

例程序为

N10G50X200Z200T0101

N20G90G97G40S200M03

N30G00G42X140Z40M08

N40G96S120

N50G73U9.5W9.5R3

N60G73P70Q130U1.0

W0.5F0.3

N70G00X20Z0(ns)

N80G01Z-20F0.15S150

N90X40Z-30

N100Z-50

N110G02X80Z-70R20

N120G01X100Z-80

N130X105(nf)

N140G00X200Z200G40

N150M02

精加工循环(G70)由G71、G72完成粗加工后，可以用G70精加工。编程格式G70P(ns)Q(nf)

，其中ns和nf与前述含义相同。在这里G71、G72、G73程序段中的F、S、T的指令都无效，只有在ns-nf程序中的F、S、T才有效，以上图的程序为例，在N130程序段之后再加上：

N140G70P70Q130就可以完成从粗加工到精加工的全过程。(5)外径切槽循环(G75)其编程格式

G75R(e)G75X(u)P(△i)F(f)式中e——退刀量

u——槽深△i——每次循环切削量

f——进给量例切槽（切断）程序为

N10G50X200Z200T0505

N20G90G97S700M03

N30G00G40X35Z-50M08上冷却液

N40G96S80

N50G75R1

N60G75X-1P5F0.15此槽超过槽深中心线

N70G00X200Z200T0500

N80M02

5．螺纹切削

(1)螺纹切削(G32)用G32指令进行螺纹切削时需要指出终点坐标值及螺纹导程F(单位mm)。编程格式为：

G32X(U)～Z(W)～F～

其中，X(U)省略时为圆柱螺纹切削，Z(W)省略时为端面螺纹切削，X(U)、Z(W)都不省略为锥螺纹切削。螺纹切削应注意在两端设置足够的升速进刀段和降速退刀段。G32指令可以执行单行程螺纹切削，车刀进给运动严格根据输入的螺纹导程进行。

例图3-32圆柱螺纹加工的程序(F=4mm,δ1=3mm,δ2=1.5mm)

……

N100G00U-62

N110G32W-74.5F4δ1+δ2+螺纹总长度=74.5mm

N130G00U62

N140W74.5

N150U-64

N160G32W-74.5

N170G00U64

N180W74.5

(2)螺纹切削循环(G92)利用G92，可以将螺纹切削过程中，从始点出发“切入-切螺纹-让刀-返回始点”的4个动作作为一个循环用一个程序段指令。与前面的单一固定循环G90用法相同，只是F后边的进给量改为螺距值即可。编程格式G92X(U)～Z(W)～I～N50G50X270Z260N60G90G97S300N70T0101M03N80G00X35Z104先走到螺纹加工循环起点处，编程者定N90G92X29.2Z56F1.5N100X28.6N110X28.2N120X28.04N130G00X270Z260T0100M05N140M02从这里可以看出，螺纹的总切深t=(30-28.04)÷2=1.96÷2=0.9

(3)复合螺纹切削循环(G76)用G76时一段指令就可以完成复合螺纹切削循环加工程序。

编程格式G76P(m)(r)(a)Q(△dmin)R(d)

G76X(U)Z(W)R(i)P(k)Q(△d)F(f)

式中m——精加工最终重复次数；

r——倒角量；

α——刀尖的角度，可以选择80°，60°，55°，30°，29°，0°六种，其角度数值用2位数指定；

△dmin——最小切入量；

d——精加工余量；

X(U)Z(W)——终点坐标；

i——螺纹部分半径差(i=0时为圆柱螺纹)；

k——螺牙的高度(用半径值指令X轴方向的距离)；

(根据GB192～197-81国标规定，普通螺纹的牙型理论高度H=0.866P，实际高度h=0.6495P，P为螺纹螺距)

△d——第一次的切入量(用半径值指定)；

f——螺纹的导程(与螺纹切削时相同)；

螺纹切削方式如图

本章小结:

本章是本课程的重点章节,必须熟练掌握数控编程的基本知识,能够编制一般复杂程度工件的数控程序。

●数控程序的编制过程就是把工件加工所需的数据和信息，编写成加工程序；

●一个完整的加工程序有程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。程序段由程序字组成，程序字由地址符、正负号和数字组成；

●熟记常用的准备功能G代码和M代码格式和含义；

●熟记刀具半径补偿和刀具长度补偿；

●了解线段和线段、线段和圆弧转接的方法；

●数控编程过程中工件坐标系的含义和制定；

●数控编程要考虑比较广泛的工艺问题。

作业：

1.简述数控编程的内容和步骤。

2.说明数控车床和铣床刀具半径补偿的意。

3.说明数控车床加工过程中恒切速的意义，何时考虑使用恒切速？

4.什么是模态代码和非模态代码，举例之。

第3章

轮廓加工的数学基础

在CNC数控机床上，各种轮廓加工都是通过插补计算实现的，插补的任务就是对轮廓线的起点到终点之间，再密集的计算出有限个坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，来逼近理论轮廓。

插补方法分为两大类：

1、脉冲增量插补：每输出一个脉冲,坐标移动一个距离

脉冲增量插补用于步进电机控制系统

2、数据采样插补（数字增量插补）

数据采样法适用于直流伺服电机和交流伺服电机。

3.1逐点比较法的直线和圆弧插补法

逐点比较法的基本原理，在刀具按要求的轨迹运动加工零件时，不断比较刀具与被加工零件之间的相对位置，根据比较结果决定下一步进给方向，使刀具向误差减小的方向进给。

因为有大量的数学推导，本章主要以板书为主。第5章数控机床的位置检测装置

5.1概述

位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。

5.1.1要求：

●

受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强;

●在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度20—30m/min，转速高达100000r/min。

●使用维护方便，适应机床工作环境；

●成本低。

5.1.2位置检测装置的分类

数字式测量

模拟量测量

数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。

特点：

●被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；

●测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；

●测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。

模拟式测量：

模拟式测量是将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。

特点：

●直接测量被测的量，无需变换；

●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。

.增量式测量

绝对式测量

增量式

：只测量位移量。eg.测量单位为0.01mm每移动0.01mm发出一个脉冲信号。

优点：

装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。

缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。

绝对式：

对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。每一个被测点都有一个相应的测量值。

eg.用编码器装置的结构较为复杂

5.2增量式光电编码器和绝对式编码器

5.2.1增量式光电编码器

1、工作原理

2、位置和转速测量

5.2.2编码盘测量装置

十六个二进制数

5.3光栅位置检测装置

光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。

5.3.1光栅检测的工作原理

标尺光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固定部件上，两者相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。

根据制造方法和光学原理不同，光栅可分:

透射光栅

反射光栅

透射光栅：采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。

特点：光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光照。因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简单，如线性密度200线/mm。缺点：玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精度。

反射光栅：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：为了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，常用4、10、25、40、50线/mm。

光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹之间的距离称为栅距P（

）可根据所需精度确定，单位长度上的刻线数目称为线纹密度

4、10、25、50、100、200、250线/mm。

若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。

原因：挡光积分效应

原理：由于两光栅间有一个微小的倾斜角，使其线纹相互交叉，在交叉近旁墨线重叠，减少了挡光面积，挡光效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。相反，离交叉点远的地方，两光栅不透明墨线重叠部分减少，挡光面积增大，挡光效应增强，由光源发出的光几乎全被挡住而出现暗带，光强为0，这就形成了粗光栅的横向莫尔条纹节距W。

当指示光栅沿标尺光栅连续移动时，莫尔条纹光强变化规律近似正弦曲线，光电元件所感应的光电流变化规律也近似正弦曲线。

每移动一个（栅距），莫尔条纹就上下移动一个节距，光电流就变化一次。

2、横向莫尔条纹有以下特点：

a.

放大作用

W=≈若=0.01通过减小角，得到大的节距W

，从而大大简化了电子放大线路。这是光栅技术独有的特点。

b.平均效应

莫尔条纹是由若干线纹组成，eg:100线/mm，10毫米的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉而成。因而对各别栅线的间距误差就平均化了。莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线的平均误差。

3、直线光栅检测的辨向

采用一个光电元件所得到光栅信号只能计数，但不能辩识运动的方向。为了确定运动，至少需要两个光电元件。因此通过S1和S2的光束分别为两个光电元件所接受。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同。所以两个光电元件所获得的电信号相同，但相位相差90°。

4、提高光栅检测装置的精度的措施

可以提高刻线精度和增强刻线密度。但刻线密度达200线/mm以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高，因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨率精度。

50线/mm200线/mm

具体：采用4个光电元件和4个隙缝，每个光栅节距产生4个脉冲，分辨率提高4倍。

5、特点：

●由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。也可采用信号。

●在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。

●光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系统变质。5.4磁尺测量装置

磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。

利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。

特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。

磁尺测量装置的组成和工作原理：

磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层10～20um的导磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚1～2mm的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。

普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。

5.5旋转变压器位移检测装置

旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。

工作原理：

当激磁电压U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a）所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压U2为0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压U2为

：

U1==UmsintU2=kU1sin=ksintsin

5.6感应同步器测量装置

5.6.1感应同步器测量装置的组成及工作原理

工作原理：利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。

按工作方式不同，感应同步器分为：

相位工作方式（鉴相型系统）

幅值工作方式（鉴幅型系统）。

●相位工作方式：前提供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90°的交流电压。

●幅值工作方式：前提给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。

5.6.2感应同步器测量系统

1.鉴相测量系统

讨论题

1.数控机床对位置检测装置有何要求？

2.从指令控制的角度看，开环伺服系统控制精度的基本原因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含哪一部分的位置误差？

3.试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。

4.在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在（）。

A、圆内B、圆外C、圆上D、圆心

5.数控机床采用刀具补偿后的优点有（）等。

A、可减少刀具磨损对加工精度的影响B、方便编程和选择刀具

C、方便机床操作D、提高加工速度

6、光栅尺是（）。

A、一种能够准确地直接测量位移的工具

B、一种数控系统的功能模块

C、一种能够间接检测直线位移或角位移的伺服系统反馈元件

D、一种能够间接检测直线位移的伺服系统反馈元件

7.通常情况下，平行于机床主轴的坐标轴是（）

A、X轴B、Z轴C、Y轴D、不确定

8.用逐点比较法插补出直线A（0，0），B（6，5）的插补轨迹，并画图示意之.

讨论题

1.目前应用较多的塑料导轨的复合材料是（）。

A、尼龙B、环氧树脂

C、聚乙烯D、聚四氟乙烯

2.数控机床的总体设计要求是什么？

3.插补方法可分为几类？各有何特点？

4.一台五相电机，五拍运动时，其步距角是1.5°，此电机转子有多少齿？齿距角是多少？此电机按十拍运行，步距角应是多少度？

第6章数控机床的进给伺服系统

6.1数控机床对伺服系统要求

伺服系统完成机床移动部件的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。

基本要求：

1.精度高

2.快速相应特性好

3.调速范围大

4.系统可靠性要好

5.较强得过载能力

6.2步进电动机伺服系统

步进电动机是一种将电脉冲信号转变成机械角位移的

特殊电机。按其输出扭矩的大小,分为:快速步进电动机和功率步进电动机按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等；

按其工作原理可分为磁电式和反应式步进电动机

1.步进电动机工作原理

2.步进电动机主要特性参数

(1)步距角:α=360°/mkz

步进电动机运行k拍可使转子转动一个齿距角；

(2)最大启动力矩：步进