机床数字控制的原理

10　数控加工基础

数控技术是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等内容，目前在机械制造业中已得到了广泛的应用。

数字控制（NC，Numerical Control）简称数控，是指利用数字化的代码构成的程序对设备的工作过程实现自动控制的一种方法。数控系统（NCS，Numerical Control System）是指利用数字控制技术实现的自动控制系统。

数控设备则是采用数控系统进行控制的机械设备，其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述的，工作过程按照指定的程序自动地进行，装备了数控系统的机床称之为数控机床。数控机床是数控设备的典型代表，其他数控设备包括数控绘图机、数控测量机、数控气割机、数控雕刻机、电脑绣花机等。

数控系统的硬件基础是数字逻辑电路。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是当前广泛使用的计算机数控（CNC，Computer Numerical Control）系统，采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数控系统的功能大大提高。

10.1　机床数字控制的原理

数控机床的加工，首先要将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对移动，完成零件的加工。

在钻削、镗削或攻螺纹等加工（常称为点位控制Point to Point Control）中，是在一定时间内，使刀具中心从A点移动到B点（图10-1-1a），即刀具在X、Y轴移动以最小单位量计算的程序给定距离，它们的合成量为A点和B点的距离。但是对刀具轨迹没有严格的限制，可先使刀具在X轴上由A点移动到C点，然后再沿Y轴由C点移动到B点；也可以两个坐标轴以相同的速度使刀具移动到D点，再沿X轴移动到B点，这样的点位控制是要严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关。因为这种距离通常都要用最小的位移（0.001）表示，而且要准确地停在目标点，所以这种要求实际上是很高的。

在轮廓加工控制中，包括加工平面曲线和空间曲线这两种情况，对于平面（二维）的任意曲线L，要求刀具T沿曲线轨迹运动，进行切削加工，如图10-1-1b所示，将曲线L分割成：l0、l1、l2、…、li等线段，用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。由数控机床的数控装置进行计算、分配，通过两个坐标轴最小单位量的单位运动（Δx，Δy）的合成，不断连续地控制刀具运动，不偏离地走出直线（或圆弧），从而非常逼真地加工出平面曲线。对于空间（三维）曲线，如图10-1-1c所示，f（x、y、z）同样可用一段一段的折线（Δli）去逼近它，这时Δli的单位运动量不仅是Δx，Δy还有一个Δz。

图10-1-1　机床数字控制形式

这种在误差允许范围内，用沿曲线（沿逼近函数）的最小单位移动量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需要的运动，是数字控制的基本构思之一。轮廓控制也称连续轨迹控制（Continuous Path Control），它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的移动速度以及它们之间的移动比例都要严格控制，以便加工出给定的轨迹。

通常把数控机床上刀具轨迹是直线的加工，称之为直线插补；刀具轨迹是圆弧的加工，称之为圆弧插补。插补（Interpolation）是指在被加工轨迹的起点和终点，插入许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型逼近。一般的数控系统都具有直线和圆弧插补，随着科学技术的迅速发展，许多数控系统的生产厂家逐渐推出螺旋线插补、抛物线插补、样条曲线插补等数控系统，以满足用户的不同需要。

机床的数字控制是由数控系统来完成的。数控系统包括：数控装置、伺服驱动装置、可编程控制器和检测装置等。数控系统能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时提供足够的功率和扭矩。伺服控制按其工作原理可分为两种控制方式：关断控制和调节控制。关断控制是将指令值与实测值在关断电路的比较器中进行比较，相等后发出信号，控制结束。这种控制方式用于点位控制。调节控制是由数控装置发出运动的指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将坐标位移的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从而实现偏差控制；不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号，直到差值为零，运动结束。这种控制用于连续轨迹控制。

在数控机床上除了上述点位控制和轨迹控制外，还有许多动作，如：主轴的启动与停止、刀具更换、冷却液开关、电磁铁的吸合、电磁阀起闭、离合器的开合、各种运动的互锁、连锁，运动行程的限位、急停、报警、保持进给、循环启动、程序停止、复位等，这些都属于开关量控制，一般由可编程控制器（Programmable Controller简称PC，也可称为可编程逻辑控制器PLC）来完成，开关量仅有“0”和“1”两种状态，显然可以很方便地融入机床数控系统中，实现对机床各运动协调的数字控制。

10.2　数控系统的组成及工作过程

数控系统一般由输入输出装置、数控装置、伺服驱动装置和辅助控制装置四部分组成，有些数控系统还配有检测装置。如图10-2-1。

图10-2-1　数控系统的组成及工作过程

1）输入输出装置

CNC机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件，在加工过程中，操作人员要向数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信息等。此外，输入的程序不一定完全正确，有时需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，CNC系统中必须具备必要的交互设备，即输入输出装置。

面板和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备，操作人员可通过面板和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令，即进行手动数据输入（MDI，Manual Data Input）。数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，或是机床的加工信息。目前的数控系统一般都配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，包括可以进行图形显示。

数控程序编制好后，一般存放于便于输入到数控装置的一种控制介质上。传统的方式是将编制好的程序记录在穿孔纸带或磁带上，然后由纸带阅读机或磁带机输入数控系统。随着计算机技术的发展，一些计算机中通用技术也融入数控系统，如磁盘等作为存储设备引入了数控系统，由于磁盘存储容量大、速度快、存储方便，所以应用也越来越广泛。

随着CAD、CAM、CIMS技术的发展，利用标准的RS232串行接口通信的方式和使用U盘拷贝等都成为了数控程序传输的重要方式。

2）数控装置

数控装置是数控系统的核心，它的主要功能是将输入装置传送的加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理。系统进行数控程序译码时，将其区分成几何数据、工艺数据和开关功能。几何数据是刀具相对于工件运动路径的数据，利用这些数据可加工出工件的几何形状；工艺数据是主轴转速和进给速度等功能的数据；开关功能是对机床电器开关命令，如主轴启动与停止，刀具选择与交换，切削液的开与关、润滑液的开启与停止等。

3）伺服驱动装置

伺服驱动装置接收数控装置发来的速度和位移信号，控制伺服电动机的运转速度和运转方向。伺服驱动装置一般由伺服电路和伺服电动机组成，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的进给系统。每个进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动装置，伺服驱动装置分为开环、半闭环和闭环控制系统。

4）辅助控制装置

辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件的控制装置，可通过可编程控制器来实现对机床辅助功能M，主轴转速功能S和换刀功能T的逻辑控制。

5）位置检测装置

位置检测装置与伺服装置配套，组成半闭环和闭环伺服驱动系统。位置检测装置通过直接或间接测量，将执行部件的实际进给位移检测出来，反馈到数控装置，并与指令位移进行比较，将误差转换放大后控制执行部件的进给运动，以提高系统精度。

10.3　数控机床的分类

10.3.1　按运动控制的特点分类

1）点位控制数控机床

对于一些加工孔用的数控机床，如数控钻床、数控镗床、数控冲床，三坐标测量机、印刷电路板钻床等，它们只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不管从一个孔到另一个孔是按什么轨迹运动，在坐标运动过程中，不进行切削加工。具有这种运动控制的机床称为点位控制机床。点位控制的数控机床加工的都是平面内的孔系，它控制平面内的两个坐标轴带动刀具与工件做相对运动，运动停止后，控制刀具进行钻、镗等切削加工，如图10-3-1。为了提高效率和保证精确的定位精度，首先系统控制进给部件高速运行，接近目标时，采用分级或连续降速，低速趋近目标点，从而减少运动部件的惯性冲击和由此引起的定位误差。

2）直线控制数控机床

直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具（刀架）以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工（包括45°的斜线）的机床。如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等，都具有直线控制功能。这一数控机床不但要求具有准确的定位功能，而且要求控制位移的速度。由于在移动过程中进行切削加工，所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量。一般情况下这些数控机床有两个到三个可控制的轴，但同时控制的轴只有一个。为了能在刀具磨损或刀具更换后，仍可加工出合格的零件，这类机床的数控系统一般都要求具有刀具半径和长度补偿功能，以及主轴转速的控制功能等。如图10-3-2。

现代组合机床采用数控技术，驱动各种动力头、多轴箱轴向进给进行钻、镗、铣等加工，也是一种直线控制数控铣床。直线控制也称为单轴数控。

图10-3-1　点位控制机床加工控制示意图

图10-3-2　直线控制机床加工示意图

图10-3-3　轮廓控制机床加工示意图

3）轮廓控制的数控机床

这种数控机床可以加工斜线、曲线、曲面，如数控车床、数控铣床、加工中心等，它们都是具有同时控制两个或两个以上坐标进行联动（即进行插补）的数控机床。该类机床在加工的过程中，对各坐标轴都进行着严格的不间断的控制，见图10-3-3。故称具有这种控制功能的数控机床为轮廓控制数控机床。现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的控制功能、刀具补偿功能、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙误差补偿等一系列功能。

按照联动的轴数，可以分为两坐标联动控制，二轴半坐标联动控制，三坐标联动控制、四坐标联动控制、五坐标联动控制等。在数控车床上采用两坐标联动控制，可以加工出含曲线表面（如曲面手柄）类的零件。在数控铣床上采用两坐标联动控制，可以加工出平面凸轮的轮廓。在三坐标数控铣床上加工圆锥台等形状的零件，可以采用两坐标（X、Y）联动加工一圈，再沿另一坐标（Z）提升一个设定高度，如此继续下去，完成整个零件的加工，由于（Z）轴没有参加联动，这种情况称为两轴半加工，与之雷同还有用平行的轨迹加工空间轮廓。在三坐标联动控制的数控铣床上，可以在锥体上加工出螺旋线来。许多多坐标（三坐标以上）控制与编程技术是高技术领域开发的课题，随着现代制造技术中许多形状复杂、精度要求很高的零件不断涌现、因而多坐标联动控制技术及其加工编程技术的应用也越来越普遍。

10.3.2　按伺服系统的类型分类

1）开环控制的数控机床

这类数控系统没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要取决于驱动元器件和电机的性能。这种数控机床调试简单，系统也比较稳定，精度较低，成本低廉，多见于经济型的中小型数控机床和旧设备的技术改造中。

2）闭环控制的数控机床

该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台（或刀架）上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值为零停止运动。这种具有反馈位置的系统，在电器上称为闭环控制系统。由于反馈的存在，可以消除系统中的机械传动部件制造误差对加工精度带来的影响，从而可获得较高的加工精度。但由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等，都是非线性的，直接影响系统的调节参数。所以闭环控制系统的设计、调整都有很大的技术难度，如果设计、调整的不好，还很容易造成系统的不稳定。闭环控制的数控机床，主要是一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床、大型数控机床等。

3）半闭环控制的数控机床

大多数的数控机床都采用的是半闭环控制系统，它的检测元件安装在电机轴或丝杠轴的端部，这种系统的控制闭环内不包括机械传动环节，因此，可以获得稳定的控制特性，该系统反馈的只是传动系统的部分误差，一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换处理才是工作台或刀架的实际位移。但是由于采用高分辨率的反馈检测元件，以及传动部分有补偿，可以获得比较满意的精度和速度，所以，目前大多数中、小型数控机床都采用这种控制方式。

10.3.3　按工艺方法分类

1）金属切削类数控机床

这类机床和传统的通用机床品种一样，如数控车床，数控铣床，数控钻床，数控磨床，数控镗床，加工中心等。

2）金属成型类及特种加工类数控机床

这是指金属切削加工类以外的数控机床，如数控折弯机、数控线切割机床，数控电火花成型机床，数控激光切割机床，数控冲床，数控三坐标测量机等。

10.4　数控系统与数控机床技术发展趋势

10.4.1　数控系统发展趋势

从美国麻省理工学院研制出第一台实验性数控系统，已经有半个世纪的历程。数控系统由当初的电子管起步，经历了晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路、小型计算机、超大规模集成电路、微机式的数控系统，到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台套。数控系统技术发展的总体趋势如下：

1）采用开放式体系结构

进入20世纪90年代以来，世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源，开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。近几年，许多国家纷纷研究开发这种系统，开发成果已得到应用。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术、实现声控自动编程、图形扫描自动编程等；利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高联网能力。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。

2）控制性能大大提高

数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制原理，不但具有自动编程、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、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，具有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控能力更趋于完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。

10.4.2　数控机床发展趋势

为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

1）高速、高精度、高可靠性

20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。依靠快速准确的数字量传递技术，对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理。由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已经达到5000～8000m/min以上；主轴转速可达到10万r/min；工作台的移动速度在分辨率为1μm时，达到200m/min，在分辨率达到0.1μm时，达到24m/min以上；自动换刀速度在1s以内；小线段插补进给速度达到12m/min。由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业加工的零件更趋复杂且品种不断更新。

从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。当前，普通的加工精度提高了一倍，达到了5μm；精密加工精度提高了两个数量级，超紧密加工精度进入了纳米级，主轴回转精度达到0.01～0.05μm，加工圆度为0.1μm，加工表面粗糙度Ra可达0.003μm。

2）模块化、智能化、柔性化

为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化、数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，数控机床采用自适应控制，工艺参数可自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，引进电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型等；为实现编程、操作方面的智能化，数控系统采用智能化的自动编程，智能化的人机界面等。

为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用于机器人、物流系统；FMC、FMS　Web-based制造及无图纸制造技术；围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实现实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床结构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统，对机械加工中大量信息进行库存和实时处理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。由于采用神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，使得机械加工开始向虚拟制造的方向发展。

复习思考题

1.什么叫机床的数字控制？什么是数控机床？机床的数字控制原理是什么？2.何谓点位控制、直线控制和轮廓控制？

3.数控机床由哪几部分组成？数控装置有哪些功能？

4.简述数控机床是如何分类的？

5.解释下列名词术语：

插补、分辨率、加工中心、联动控制、CNC、先进制造技术

6.数控技术的主要发展方向是什么？