1、數控技數第一章 緒論一.數控加工的特點；1. 可以 加工具有復雜型面的工件 2.加工精度高，質量穩定3. 生產效率高4.改善勞動條件5.有利于生產過程的現代化：6數控加工是CAD/CAM技術和先進制造技術的基礎。 數控加工的對象1.幾何形狀復雜的工件 2. 新產品的工件3. 精度及表面粗糙度要求高的工件 4.需要多道工序的工件5.原材料特別貴重的工件二. 數控技術的基本概念 數控技術，簡稱數控（Numerical Control）是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。現在又稱為計算機數控。CNC有三種含義 1.代表一種控制技術 2.代表一種控制系統的實體3.代表一種控制裝置。

2、三.數控技術的組成。數控系統一般由控制介質（信息載體）、輸入裝置（鍵盤）、數控裝置、伺服系統（如步進電機）、執行部件（工作臺）和測量反饋裝置（如編碼器和光柵）組成。輸入裝置；將數控加工程序單上的內容通過數控裝置上的鍵盤直接輸入給數控裝置，這種方式稱為MDI方式。伺服系統；包括伺服驅動電路和伺服驅動元件，它們與執行部件上的機械部件組成數控設備的進給系統。 數控裝置可以以很高的速度和精度進行計算并發出很小的脈沖信號，關鍵在于伺服系統能以多高的速度與精度去響應執行，所以整個系統的精度與速度主要取決于伺服系統。三.數控加工的基本原理數控加工零件是按照事先編制好的加工程序單來進行的。 1.確定工件的加工

3、工序及加工所用刀具和切削速度 2.確定工件的輪廓銜接點 3.確定起刀和收刀的位置以及坐標原點的位置 按規定的語句格式寫出數控指令集，將指令集輸入到數控裝置里進行處理（譯碼，運算等），通過驅動電路把信號放大，驅動伺服電機輸出角位移及角速度，又通過執行部件轉換成工作臺的直線位移以實現進給。另外，數控裝置還要通過PLC控制強電部件以進行一些輔助性工作，如 ：照明，冷卻、排屑等。四.數控系統的分類1按數控加工類型分為硬件邏輯數控系統和計算機數控系統。2按運功方式分類（1）點位控制系統。特點是加工移動部件只能實現從一個位置到另一個位置的精準移動，在移動和定位過程中不進行任何加工。（2）點位直線控制系統。

4、不僅要實現從一個位置到另一個位置的精確移動，而且能實現平行于坐標軸的直線切割加工運動及沿與坐標軸成45o的斜線進行切削加工，但不能沿任意斜率的直線進行切削加工。（3）輪廓控制系統。可以使刀具和工件按平面直線，曲線或空間曲面輪廓進行相對運動，加工出任何形狀的復雜零件。3按控制方式分類。（1）開環控制系統。（沒有反饋系統）。（2）半閉環控制系統，在伺服電動機輸出軸端或絲杠軸端裝有角位移檢測裝置（如旋轉變壓器或光電編碼器），間接測出直線位置。（3）閉環控制系統，直接安有直線位置檢測裝置。五.數控技術的發展趨勢；（1）高速度、高精度。直接關系到加工效率和產品質量。（2）高可靠性（3）多功能（4）智能化

5、（5）復合化。第二章 數控加工工藝一選擇合適的對刀點及換刀點 對刀點有時可以稱為起刀點（數控程序的起點） 對刀點與刀位點是有關系的（說法不同）刀位點：刀具在機床上的位置。端面銑刀的底部中心； 鉆頭的刀尖； 球頭銑刀的球心；車刀及鏜刀的刀尖；對刀原則：對刀方便，便于測量和簡化編程（盡量選擇在零件的設計基準或工藝基準上）換刀點：對于多刀機床，（工作中一般要換刀）應在編程時考慮到換刀點的位置可能與工件或夾具產生干涉（換刀點在加工區域以外）二.數控加工工藝設計方法確定本工序的走刀路線，切削用量、工藝裝備、定位夾緊方式-這稱為工藝設計1.確定走刀路線（1）尋求最短走刀路線；（2）最終輪廓應一次完成（先用

6、行切法，最后沿周向環切一刀）；刀具急劇改變運動方向會因刀具變形方向的改變而留下痕跡，故應注意走刀路線的選擇。（3）選擇刀具的切入及切出方向；為了保證工件輪廓的光滑，進刀與退刀（即切入與切出）應沿零件輪廓的切線方向以減少切削過程刀具速度的變化進而減輕刀痕。（4）選擇使工件在加工后變形小的路線。對橫截面積小的細長零件或薄板零件采用分幾次走刀加工到最后尺寸或對稱去除余量法安排走刀路線。2確定定位和夾緊方案。（1）盡可能做到設計基準、工藝基準、編程計算基準的“三統一”。（2）盡可能做到工序集中，最好一次裝夾完成全部加工（3）避免采用人工調整時間較長的裝夾方案（4）工件剛度較大的地方才是較好的夾緊點!3

7、.確定刀具與工件的相對位置（確認對刀點）；。工件大致為圓形時，其對刀點往往與工件的坐標原點一致。對刀點的選擇原則：（1）所選的對刀點是程序編制簡單；（2）對刀點應選擇在容易找正、便于確定零件加工原點的位置；（3）對刀點應選在加工時檢驗方便、可靠的位置；（4）對刀點的選擇應有利于提高加工精度。4確定切削用量。第三章 數控加工的程序編制一、坐標軸的確定。坐標系的各個坐標軸與機床的主要導軌相平行。確定坐標軸時，一般先確定Z軸，再確定X軸，最后確定Y軸。1、Z軸（1）將傳遞切削力的主軸軸線定為Z坐標軸。（2）對于刀具旋轉的機床，如銑、鉆、鏜床，旋轉刀具的軸線定為Z軸。（3）對于工件旋轉的機床，如車、外

8、圓磨床，工件的軸線定為Z軸。（4）當機床有幾個主軸時，選擇一個垂直于工件裝夾面的主軸確定Z軸。（5）對于工件和刀具都不旋轉的機床，如刨、插床，Z軸垂直于工件裝夾面。（6）Z軸的正方向以刀具遠離工件的方向為準。2、X軸（1）X軸一般是水平的、平行于工件的裝夾面且與Z軸垂直。（2）對于工件旋轉的機床，X軸在工件的徑向上，且平行于橫滑座，以刀具離開工件旋轉中心方向為正方向。（3）對于刀具旋轉的機床：當Z軸是水平方向時，從刀具主軸向工件看，X運動方向指向右方； 當Z軸為垂直方向時，對于單立柱機床，從刀具主軸向立柱看，X運動方向指向右方。 （4）對于龍門式機床，從主軸向左側看，X運動方向指向右方。3、Y

9、坐標軸（1）Y軸的方向由X軸和Z軸按右手定則來確定。（2）X、Y、Z坐標系是按刀具相對于工件運動的原則命名的，而帶撇（“ ”）的坐標X、Y、Z則表示工件相對于刀具運動的坐標系。機床坐標系與工件坐標系機床坐標系：機床本身固有的坐標系。（具有固定的原點和坐標軸方向）機床原點：機床坐標系的原點。(出廠已確定）機床參考點：用于對機床工作臺、滑板以及刀具相對運動的測量系統進行定標和控制的點。工件坐標系：用于確定工件幾何圖形上各幾何要素的位置而建立的坐標系。(G92)工件原點：工件坐標系的原點。編程坐標系：編程人員為方便編制數控程序所設定的坐標系。一般情況下，編程坐標系與工件坐標系一致。絕對坐標系：刀具（

10、或工件）運動位置的坐標值均是相對于某一固定坐標原點計算的坐標系。（G90)相對坐標系：刀具（或工件）運動位置的終點坐標值均是相對于起點坐標計算的坐標系。(G91) 第四章 數控機床的工作原理一、插補的概念：機床數控系統依照一定方法確定刀具運動軌跡的過程。插補的實質；（1）數控裝置向各坐標提供相互協調的進給脈沖，伺服系統根據進給脈沖驅動機床各坐標軸運動。（2）數控裝置的關鍵問題：根據控制指令和數據進行脈沖數目分配的運算（即插補計算），產生機床各坐標的進給脈沖。（3）插補計算就是數控裝置根據輸入的基本數據，通過計算，把工件輪廓的形狀描述出來，邊計算邊根據計算結果向各坐標發出進給脈沖，對應每個脈沖，

11、機床在響應的坐標方向上移動一個脈沖當量的距離，從而將工件加工出所需要輪廓的形狀。（4）插補的實質：在一個線段的起點和終點之間進行“數據密化”的工作。二、1.基準脈沖插補（行程標量插補或脈沖增量插補）（1）特點：每次插補結束，數控裝置向每個運動坐標輸出基準脈沖序列，每個脈沖代表了最小位移，脈沖序列的頻率代表了坐標運動速度，而脈沖的數量表示移動量。（2）僅適用于一些中等精度或中等速度要求的計算機數控系統 2、數字采樣插補（數據增量插補）特點：插補運算分兩步完成。（1）粗插補；在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，即用若干條微小直線段逼近給定曲線，每一微小直線段的長度都相等，且與給定速度有關。（2

12、）精插補； 在粗插補算出的每一微小直線段的基礎上再作“數據點的密化”工作，相當于對直線的脈沖增量插補。適用于閉環、半閉環以直流和交流伺服電機為驅動裝置的位置采樣控制系統。第五章 計算機數控裝置一、計算機數控系統（簡稱CNC系統）是在硬件數控（NC）系統的基礎上發展起來的，它用一臺計算機完成數控裝置的所有功能。CNC系統的特點；（1）靈活性大：可改變和擴展其功能。（2） 通用性強：硬件采用模塊化設計，易于擴展，改變軟件可適應不同需求。 （3）可靠性高：采用大規模和超大規模集成電路；程序被檢查后才被調用，保證加工過程中的故障停機。（4）功能強大：多功能、可以完成復雜零件的一次成形。 （5） 使用維

13、修方便：內置自診斷程序，軟件檢查程序。二、常用的CNC發展的主要形式有三種；（1）總線式模塊化結構的CNC。多用于多軸控制的高擋數控機床。（2）以單板或專用芯片及模板組成結構緊湊的CNC。多用于中檔數控機床。（3）基于通用計算機（PC或IPC）基礎上開發的CNC。可充分利用通用計算機豐富的軟件資源，可隨計算機硬件進行升級。 前兩種CNC系統硬件需專門設計，通用性較差，第三種硬件無需專門設計，改變軟件即可構成不同CNC系統，通用性好。三、多微處理器CNC的典型結構1、共享總線結構：通過總線連接系統內的各個模塊。主模塊控制系統總線，某一時刻只能有一個主模塊占用總線，各模塊通過仲裁電路判別各模塊的優

14、先級，進而共享總線資源。2、共享存儲結構：采用多端口存儲器來實現各微處理器之間的相互連接和通信，每個端口都配有一套數據、地址、控制線，以供端口訪問。四、CNC系統軟件的組成。包括應用軟件（包括零件數控加工程序或其他輔助軟件）和系統軟件（為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟件。也稱為控制軟件）。 系統軟件通常包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序等。1輸入數據處理程序。功能：接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數據進行譯碼、數據處理，并按照規定格式存放。主要包括輸入程序、譯碼程序和數據處理程序等組成，有些CNC系統還具有補償計算、為插補運算和速度控制

15、等進行的預計算。（1）輸入程序；一是 將加工程序讀入存放在程序存儲器中，二是將加工程序從程序存儲器中讀出，送入緩沖區，以便譯碼用。 （2）譯碼程序；數控加工程序按零件加工順序記載著機床加工所需的各種信息，其中包括零件加工的軌跡信息、工藝信息和開關命令。（3）數據處理程序； 包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能處理等。 刀具半徑補償：將工件輪廓軌跡轉化為刀具中心軌跡。 速度計算：解決該加工數據段以什么樣的速度運2. 插補計算程序；CNC系統是一種實時控制系統，一邊插補運算，一邊進行加工。插補運算的速度直接影響著機床的進給速度。插補運算：根據運算結果，分別向各坐標軸發出進給脈沖的過程。3. 速度

16、控制程序； 根據給定的速度值控制插補運算的頻率，確保預定的進給速度。4. 管理程序； 負責對數據輸入、處理、插補運算等服務程序進行調度管理。5. 診斷程序； 在程序中發現故障，并指出故障問題。五、CNC中軟、硬件界面與數據轉換1.CNC系統中，軟件設計靈活，適應性強，但處理速度慢；硬件處理速度快，但成本高，適應性差。CNC中硬、軟件的分配比例由性能價格決定。 在CNC 軟件設計中，通常采用面向過程與操作來設計程序的結構化方法和面向實體與數據結構來設計程序，然后轉向過程的面向對象法。后者比前者所設計的程序更為穩定且可重用。2. CNC系統的多任務并行處理與多重實時中斷；CNC系統的多任務性表現在

17、其軟件必須完成管理和控制兩大任務。3. 常規CNC的軟件結構（1）中斷型結構模式； 除初始化程序外，將CNC的各功能模塊分別安排在不同級別的中斷程序中，無前后臺之分。通過中斷程序的優先級由CPU響應中斷。（2）前、后臺型結構模式；將整個CNC軟件分為前臺程序和后臺程序；前臺程序為實時中斷程序，承擔幾乎全部實時任務，實現插補、位置控制和數控機床開關邏輯控制等實時功能。 后臺程序，也稱為背景程序，是一個循環運行程序，實現數控加工程序的輸入、預處理和管理等任務。六、CNC控制器的功能1. 軸控制功能； CNC可同時控制的軸數，聯動軸數。2. 準備功能：G功能。3. 插補功能4. 進給功能； （1）

18、切削進給速度；（2） 同步進給速度 （3） 快速進給速度（4） 進給倍率5. 主軸功能：主軸轉速功能。6. 輔助功能：M功能7. 刀具功能和第二輔助功能8. 補償功能；（1）刀具尺寸補償和程序段自動轉接（2）絲杠的螺距誤差相反向間隙或如熱變形補償。9. 字符、圖形顯示功能10. 自診斷功能11. 通信功能12. 人機交互圖形編程功能第六章 位置檢測裝置一、數控機床對檢驗元件的主要要求：（1）高可靠性和高抗干擾性（2）滿足精度與速度要求（3）使用維護方便，適合機床運行環境（4）成本低。分類167二、旋轉變壓器。旋轉變壓器是根據互感原理工作的。三、光柵測量裝置；光柵檢測精度高,可達1m，工作原理利

19、用光的透射和衍射現象,可測直線或轉角，非接觸測量，抗干擾能力強，但對環境要求高。176莫爾條紋：當兩塊光柵的刻線相交，平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區域出現明暗交替、間隔相等的粗大條紋。莫爾條紋的特點：（1）莫爾條紋的變化規律：兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規律近似正（余）弦函數，變化周期數與兩光柵相對移過的柵距數同步。 （2）放大作用 莫爾條紋寬度 W 和光柵柵距 w、柵線夾角之間關系： W w/ （3）平均效應；用光柵測量長度，決定其精度的要素不是一根刻線，而是一組線的平均精度。四、測速發電機；是一種能把機械轉速轉變為電信號的

20、傳感器。它與一般的發電機相比有如下兩個特點。 (1) 輸出電壓與轉速嚴格地呈線性關系。(2) 輸出電勢與轉速比的斜率大。測速發電機分交流和直流兩大類。 交流測速發電機又有同步、異步之分。在機電一體化控制系統中，常用的是交流異步測速發電機和直流測速發電機。五、脈沖編碼器是一種回轉編碼器，可以用來測相對位移，單位時間內的相對角位移就是角速度。因此，回轉編碼器在檢測角位移的同時，配以定時器便可檢測出角速度。六、位置傳感器 ；和位移傳感器不一樣，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到達某一位置。因此，它不需要產生連續變化的模擬量，只需要產生能反映某種狀態的開關量就可以了。這種傳感器

21、常用于數控機床換刀具、工件或工作臺到位或行程限制等輔助機能的信號檢測。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器是能獲取兩個物體是否接觸之信息的一種傳感器；而接近式傳感器則是用來判別在某一范圍內是否有某一物體的一種傳感器。1、 接觸式位置傳感器；這類傳感器用微動開關之類的觸點器件便可構成。它有以下兩種。（1）微動開關位置傳感器；用于檢測物體位置（2）二維矩陣式位置傳感器；一般用于機械手掌內側。2、接近式位置傳感器的種類：電磁式； 光電式； 靜電容式； 氣壓式； 超聲波式。第七章 數控機床的伺服系統一、伺服系統：以位置和速度作為控制對象的自動控制系統。它與數控裝置和機床本體并列為數控機床的三大

22、組成部分。二、1. 數控機床對進給伺服系統的要求（1）調速范圍大，低速轉矩大。調速范圍：機械裝置要求電機能提供的最高進給速度相對于最低進給速度之比。為保證所有加工條件下，均能得到最佳切削條件和加工質量，就要求進給速度在較大的范圍內變化。低速切削要求電機輸出較大的轉矩，避免出現低速爬行現象。（2）精度高。精度：伺服系統的輸出量跟隨輸入量的精確程度。為保證數控加工精度要求，主要保證機床的定位精度和進給跟蹤精度。（3）快速響應無超調。快速響應反映系統的跟蹤精度。（4）穩定性好，可靠性高。穩定性：系統在給定輸入或外界干擾作用下，能經過短暫的調節達到新的或恢復到原來平衡狀態。系統具有較好的抗干擾能力能保

23、證進給速度均勻、平穩。（5）足夠的傳動剛性，較強的過載能力，電機的慣量與移動部件的慣量相匹配，伺服電機能夠頻繁啟停和可逆運行。2. 數控機床對主軸伺服系統的要求（1）足夠的輸出功率。主軸轉速高，輸出轉矩小；主軸轉速低，輸出轉矩大。要求主軸驅動裝置具有恒功率性質。（2）調速范圍寬。數控機床的變速依照指令自動執行，要求能夠在較寬的轉速范圍內進行無級調速，較少中間傳遞環節，簡化主軸箱。（3）定位準停功能。為使得數控車床具有螺紋切削等功能，要求主軸能與進給驅動實行同步控制。在加工中為自動換刀，要求主軸具有高精度的準停功能。三、步進電動機：一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行元件。數控

24、裝置輸出的進給脈沖數量、頻率和方向經過驅動控制電路達到步進電機后，可以轉換為工作臺的位移量、進給速度和方向。反應式步進電機主要特征（1）步距角和靜態步距誤差；步進電機步距角與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，即有：360°/(mzk)。其中：m相m拍時，k1；m相2m拍時，k2，依此類推。例如，三相三拍，z40時，360°/(3×40×1)3°。靜態步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實際的步距角之差，以分表示，一般在10之內。步距誤差主要由步進電機步距制造誤差，定子和轉子間氣隙不均勻以及各相電磁轉矩不均勻等因素造成。（2）靜態

25、轉矩與矩角特性；靜態轉矩：當步進電機某相通電時，轉子處于不同狀態，此時在電機軸上加一個負載轉矩，轉子就按一定方向轉過一個角度，此時轉子所受的電磁轉矩M即為靜態轉矩。（3）啟動頻率：空載時，步進電機由靜止狀態突然啟動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率。（4）連續運行的最高工作頻率；最高工作頻率：步進電機啟動后，保證連續不丟步運行的最高工作頻率。決定了定子繞組通電狀態下最高變化的頻率，即決定了步進電機的最高轉速。（5）加減速特性；步進電機由靜止刀工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態的變化頻率與時間的關系。6）矩頻特性與動態轉矩矩頻特性：描述步進電機連續穩定運行時輸出轉矩M與連

26、續運行頻率f之間的關系。動態轉矩：矩頻特性曲線上每個頻率對應的轉矩。步進電機正常運行時，動態轉矩隨連續運行頻率的上升而下降。四、環形脈沖分配器功能：將邏輯電平信號（弱電）變換為電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號（強電）。即將數控裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規律分配給步進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。分類：硬件環形分配器和軟件環形分配器。硬件環形分配器：步進電機驅動裝置本身帶有環形分配器。軟件環形分配器：驅動裝置本身無環形分配器，環形分配需要軟件完成。五、提高步進伺服系統精度的措施1. 傳動間隙補償（1）提高機床傳動元件的齒輪、絲杠制造裝配精度并采取消除傳動間隙的措施，

27、只能減少不能完全消除傳動間隙。（2）機械傳動鏈在改變運動或旋轉方向時，最初若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進電機的空走，而工作臺無實際移動，從而產生傳動誤差。補償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位移指令時，先不向步進電機輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉換為脈沖數N，驅動步進電機轉動，越過傳動間隙，然后按照指令脈沖動作。2. 螺距誤差補償傳動鏈中滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機床工作臺的位移精度。補償方法：設置若干個補償點，在每個補償點測量并記錄工作臺位移誤差，確定補償值并作為控制參數輸送給數控裝置。3. 細分線路；細分驅動：將一個步距角細分為若干步的驅動方法。六、直流發動機的調速

28、的三種方法（1）改變電樞外加電壓Ua。該方法可以得到調速范圍較寬的恒轉矩特性，機械特性好，適用于主軸驅動的低速段和進給驅動。（2）改變磁通量。可得到恒功率特性，適用于主軸驅動的高速段，不適合于進給驅動。（3）改變電樞電路的電阻Ra。該方法得到的機械特性較軟，不能實現無級調速，也不適合于數控機床。PWM系統（1）PWM調速系統已成為數控設備驅動系統的主流，尤其應用在中、小功率和低速伺服驅動系統中。（2）工作原理：脈寬調制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關狀態下，開關頻率保持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間的辦法來改變其輸出，以使電動機電樞兩端獲得寬度隨給定指令變化的頻率固定的電壓脈沖。七、交流伺服電機調速原理1、電機調速的三種方法：（1）改變磁極對數P：有級調速方法，通過對定子繞組接線的切換而改變磁極對數來實現。（2）改變轉差率s：只適合于異步型交流電機的調速。（3）變頻調速：通過改變電機電源的頻率f而改變電機的轉速。2. SPWM變頻調速；即正弦波PWM變頻調速，是PWM調速方法的一種（1）SPWM調制原理；在交流SPWM系統中，輸出電壓是由三角載波調制正弦電壓得到的。（2）SPWM變頻器的功率放大電路；放大后才能驅動發電機。（3）SPWM變頻調速系統；速度給定器：給定信號，控制頻率、電壓及正反轉。平穩啟動回路：使啟動加、減速時間可隨機械負載設定，以達到軟啟動的目的。函數