数控加工原理详解

1.数控机床的加工

数控技术以运动轨迹控制作为根本目的，为了说明数控系统的工作原理，下面以数控机床这一典型数控设备为例进行说明。

数控机床的一般组成如图1.4-2所示，其零件加工分以下步骤进行。

图1.4-2 数控机床的一般组成

1）程序编制。根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成CNC能够识别的指令。并将所编写的加工程序输入到CNC。

2）自动运行。CNC自动执行加工程序，对其进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动或辅助控制装置，发送相应的控制信号，控制机床的各部件运动。在运动过程中，CNC需要通过反馈装置，随时检测坐标轴的实际速度与位置，保证运动轨迹的正确无误；辅助部件的动作也需要通过行程开关等检测装置进行监控。

3）操作监控。操作者可随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时可对加工程序、执行过程和机床动作进行调整，保证机床的安全、可靠运行。

2.轨迹控制原理

运动轨迹控制是数控系统最为主要的功能，也是机床采用数控的根本原因。

在传统的机床上，加工零件需要操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹和运动速度，对工件进行切削加工，保证零件的位置、轮廓和表面质量达到规定的要求。因此，如果工件的轮廓为曲线或曲面，它需要通过多个坐标轴的运动合成，这样的工件如通过操作者的手动操作来进行加工，是任何操作者都无法做到的。

数控机床的运动轨迹控制，实质上是应用了数学上的微分原理，其工作原理与过程如图1.4-3所示。

1）微分处理。CNC根据加工程序的要求，将坐标轴的运动量，微分为ΔX、ΔY等的微小运动，这一微小运动量称为CNC的插补单位。

2）插补运算。CNC将程序要求的运动轨迹，用微小运动组成的等效折线拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合线。

在CNC中，这种根据给定的数学函数，在理想轨迹的已知点之间，通过微分确定中间点的方法称为插补运算，插补运算有多种方法，但目前的计算机处理速度和精度，任何插补方法都已足以满足机械加工的需要，故无需深究。(www.xing528.com)

图1.4-3 轨迹控制原理

3）指令分配。CNC按照拟合线的要求，向需要参与插补的坐标轴，连续、有序地输出指令脉冲。指令通过伺服驱动系统的放大，驱动机床坐标轴运动，合成为刀具运动轨迹。

由此可得到以下结论：

1）只要数控系统的插补单位ΔX、ΔY足够小，拟合线就可以完全等效代替理论轨迹。

2）如果改变参与插补的坐标轴的指令脉冲分配方式，便可以改变拟合线的形状，从而改变刀具运动轨迹。

3）如果改变指令脉冲的输出频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。

因此，可实现数控机床的刀具运动轨迹控制。

3.多轴联动和精度

在CNC上，将能够通过CNC控制速度和位移的坐标轴数量，称为CNC的控制轴数；将能够参与插补运算的坐标轴数量，称为联动轴数。显然，能够参与插补运算的联动轴数越多，CNC的轮廓拟合能力就越强，因此，联动轴数曾经是衡量CNC性能水平的重要技术指标之一。

但是，如前所述，计算机技术发展到了今天，无论是其处理速度还是精度，要进行多个坐标轴的插补运算、输出相应的指令脉冲，这已经不是什么难题，因此，CNC能够进行多少个坐标轴的插补处理，这其实并不重要，重要的是怎样保证坐标轴能够完全按照指令脉冲进行运动，确保实际运动轨迹的准确无误。为此，国外先进的CNC都需要将伺服驱动和CNC作为一个整体进行设计，并通过CNC的闭环位置控制，来确保实际坐标轴的运动和指令脉冲完全一致，这正是国产经济型、普及型CNC和国外全功能CNC的差距所在，在使用时需要引起注意。

采用数字化信息控制后，坐标轴的运动控制信号为脉冲信号。CNC输出的单位脉冲所对应的坐标轴位移，称为数控机床的最小移动单位，亦称脉冲当量，它是机床理论上能够达到的最高位置控制精度。经济型CNC由于受步进电动机步距角的限制，其脉冲当量通常只能达到0.01mm左右；国产普及型CNC的脉冲当量一般为0.001mm；进口全功能CNC的脉冲当量一般可达到0.0001mm，甚至更小。

机床的实际运动精度和位置测量装置密切相关，采用电机内置编码器作为位置检测元件时，可以保证电动机转角的准确；采用光栅或编码器直接检测，可以保证直线轴或回转轴的定位准确。经济型CNC的步进电动机无位置检测装置，故存在失步现象。国产普及型CNC的电动机内置编码器一般为2500P/r，通过4倍频线路，对于导程10mm的传动系统，电动机和丝杠1∶1连接时，检测精度可以达到1μm。进口全功能CNC的电动机内置编码器、光栅的分辨率已可达2²⁸（268435456P/r）左右，同样对于导程10mm的传动系统，电动机和丝杠1∶1连接时，检测精度可以达到0.04μm。