1、数控车床是一种利用信息处理技术进行自动加工控制和金属切削的机床，主要用来对旋转体零件进行车削、镗削、钻削、铰削和攻丝等工序的加工，一般可通过计算机程序对各类控制信息进行处理，例如，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹、槽及端面等工序的切削加工，另外，还可处理逻辑电路难以处理的各种复杂信息。本章介绍数控车床及车削中心的组成、分类和特点，以及插补和半径补偿原理，以便于增加对数控机床的感性认识，同时为后续的数控编程的学习奠定基础。 数控系统的概念及功能 数控车床的组成及工作流程 数控车床的加工工艺范围及特点 数控机床的分类 数控车床的分类 数控机床的插补 刀具半径补偿原理及实例本章要点本章要点F
2、ANUC 数控车床编程与实训21.1 数控系统的概念及功能1.1.1 数控系统是数控机床的核心，数控机床对零件的加工过程是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，具有多轴控制功能、主轴功能、进给功能、刀具补偿功能、自诊断报警功能以及图形显示等功能，可以最大限度地避免故障的发生，提高工作效率。1.1.2 相关知识1.1.2.1 数控系统的概念1数控数控，即数字控制（Numerical Control，简称 NC），就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。简单地说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理并发出相应指令，从而对
3、机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。2计算机数字控制计算机数字控制（Computer Numerical Control，简称 CNC）是用计算机存储系统软件实现数字控制功能的一种方法，它使数控系统由模拟控制系统发展为数字控制系统。计算机数字控制不论是运算速度、精度，还是系统的稳定性、可靠性，都比以前的数控系统有很大的提高，为数控技术的发展提供了强大的生命力。3数控系统数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统，是数控机床的核心，可对 NC 代码进行识别、存储和插补运算，并输出相应的脉冲指令经驱动伺服系统变换和放大，驱动机床完成相应的动作。数控系统主要用于控制对象的位置、角度、定位
4、精度、定位速度、切削速度、温度以及压力等。数控系统概述第 1 章 数控车床概述 34数控加工数控加工是指把根据工件图样和工艺要求等原始条件编好的加工程序输入数控装置，然后通过数控装置将输入的信息进行运算处理后转换成驱动伺服机构的指令信号，最后由伺服机构控制机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件自动加工。1.1.2.2 数控系统的主要功能数控系统的功能主要取决于数控系统硬件和软件的配置。一般说来，数控系统的主要功能有以下几点。（1）多轴控制功能。控制系统可以控制坐标轴的数目，其中包括平动轴和回转轴。基本平动轴是 X、Y、Z 轴，基本回转轴是 A、B、C 轴。联动轴是指数控系统按照加工的要求可以控
5、制同时运动的坐标轴的数目，例如某型号的数控机床具有 X、X 、Z 三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、 YZ 或 XZ）方向的运动，则该机床的控制轴数为 3 轴（称为三轴控制），而联动轴数为 2 轴（称为两联动）。（2）主轴功能。可实现恒转速、恒线速度、定向停车及倍率开关等功能。（3）进给功能。包括快速进给（空行程移动）、切削进给、手动连续进给、点动、进给量调整和自动加减速功能等性能。（4）刀具功能。指在数控机床上可以实现刀具的自动选择和自动换刀。（5）刀具补偿功能。包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿功能。（6）插补功能。指数控机床能够实现的运动轨迹，如直线、圆弧、螺旋
6、线、抛物线等。一般情况下，数控机床的插补功能越强，即加工的轮廓种类就越多。（7）辅助编程功能。包括固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序、坐标轴旋转和极坐标等功能，使用辅助编程功能可以减少手工编程的工作量和难度。（8）操作功能。数控机床通常有单程序段运行、跳段执行、连续运行、试运行、图形模拟、机械锁住、暂停和急停等功能。（9）自诊断报警功能。指数控系统对其软件、硬件故障的自我诊断能力。该项功能可以用于监视整个机床和整个加工过程是否正常，并在发生异常时及时报警。（10）程序管理功能。指对加工程序的检索、编制、插入、删除、更名、锁住、在线编辑（即执行自动加工的同时进行编辑）以及程序的存储通信等。
7、（11）图形显示功能。使用该项功能在显示器上进行二维或三维、单色或彩色的图形显示，还可以进行刀具轨迹动态显示。（12）通信功能。现代数控系统中一般都配有 RS232 接口或 DNC 接口，可以与上级计算机进行信号的高速传输。另外，高档数控系统还可以与 MPA 或 Internet 相连，以适应 FMS、CIMS 的要求。FANUC 数控车床编程与实训41.2 数控车床的组成及工作流程1.2.1 数控车床主要由计算机数控系统和数控车床本体组成。数控车床的工作流程首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案和工艺参数等，然后编写数控加工程序，接着将程序输送给数控装置，最后由伺服系统驱动车床，自动
8、完成相应零件的加工。1.2.2 相关知识1.2.2.1 数控车床组成传统观点认为数控车床由程序载体、输入装置、数控系统、伺服系统、位置检测反馈装置和车床主体等组成，但现代数控车床的数控系统均采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置为数控系统的一个子系统，输入输出装置也为数控系统的一个功能模块，所 以 现 代 观 点 也 可 以 认 为 数 控 车 床 主 要 由 计 算 机 数 控 系 统 和 数 控 车 床 本 体 组 成 ， 如 图 1-1 所示 。图 1-1 数控车床的组成组成及流程概述第 1 章 数控车床概述 51输入装置数 控 车 床 是 按 照 编 程 人 员 编 制 的 程
9、 序 运 行 的 。 通 常 编 程 人 员 将 程 序 以 一 定 的 格 式 或 代码 存 储 在 一 种 载 体 上 ， 如 穿 孔 带 或 磁 盘 等 ， 然 后 再 通 过 数 控 车 床 的 输 入 装 置 输 入 到 数 控 装置 中 。 此 外 ， 还 可 以 使 用 数 控 系 统 中 的 RS232 接 口 或 DNC 接 口 与 计 算 机 进 行 信 号 的 高 速 传输 。2数控装置数控装置是数控车床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。它将接收到的数控程序，经过编译、数学运算和逻辑处理后，输出各种信号到输出接口上。3伺服系统伺 服 系 统 的 作 用
10、 是 把 来 自 数 控 装 置 的 脉 冲 信 号 转 换 成 机 床 移 动 部 件 的 运 动 。 接 收 数 控装 置 输 出 的 各 种 信 号 经 过 分 配 、 放 大 和 转 换 等 功 能 ， 驱 动 各 运 动 部 件 ， 完 成 零 件 的 切 削 加工 。 它 的 伺 服 精 度 和 动 态 响 应 是 影 响 数 控 车 床 的 加 工 精 度 、 表 面 质 量 和 生 产 率 的 重 要 因 素之 一 。4位置检测反馈装置位置检测、速度反馈装置根据系统要求不断测定运动部件的位置或速度，转换成电信号传输到数控装置中，数控装置将接收到的信号与目标信号进行相比较、运算，
11、然后对驱动系统不断进行补偿控制，从而保证运动部件的运动精度。5车床主体数控车床的主体由主轴、床身及导轨、刀架、尾座、进给机构等组成。它们的设计和制造应具有结构先进、刚性好、制造精度高、工作可靠等优点，因为只有这样才能保证加工零件的高精度和高效率。如图 1-2 所示为数控车床的组成结构。1脉冲编码器 2主轴 3Z 向滑板 4X 向滑板FANUC 数控车床编程与实训65X 轴进给电机 6回转刀架 7尾座 8脚踏开关图 1-2 数控车床的组成结构1.2.2.2 数控车床的工作流程数控车床的工作流程如图 1-3 所示。第 1 章 数控车床概述 7图 1-3 数控车床的工作流程（1）首先根据零件加工图样
12、进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）根 据 零 件 结 构 的 复 杂 程 度 ， 编 程 人 员 用 规 定 的 程 序 代 码 和 格 式 规 则 编 写 零 件 加工程序单，或使用自动编程软件进行 CAD/CAM 工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整地记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通 过 阅 读 机 把 信 息 介 质 上 的 代 码 转 变 为 电 信 号 ， 并 输 送 给 数 控 装 置 。 由 手 工 编写的程序可以通过数控机床的操作面板进行输入；由编程软件生成的程序，则可以通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床
13、的数控单元（MCU）。（5）数 控 装 置 将 所 接 受 的 信 号 进 行 一 系 列 处 理 后 ， 再 将 处 理 结 果 以 脉 冲 信 号 形 式 向伺服系统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床机构，使刀具和工件严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。1.3 数控车床的加工工艺范围及特点1.3.1 数控车床用于加工各种复杂的回转体零件，例如可进行外圆车削加工、内圆车削加工、锥面车削加工、球面车削加工、端面车削加工、螺纹车削加工、切槽车削加工、割断车削加工，同时也可进行各种孔加工，如中心钻孔加工、钻孔加工、车孔加工和铰孔加工等。工艺范围概
14、 述述FANUC 数控车床编程与实训81.3.2 相关知识1.3.2.1 数控车削加工工艺范围数控车床是数控机床中应用最广泛的一种，在数控车床上可以加工各种复杂的回转体零件，一般车削中心还能进行铣削、钻削以及加工多边形零件等。如图 1-4 所示为数控车削加工工艺范围。（a）车中心孔 （b）钻孔 （c ）车孔 （d）铰孔（e）车端面 （ f）车外面 （g）车成型面 （h）车锥面（i）车锥孔 （j）车螺纹 （k）攻螺纹 （l）割槽与切断图 1-4 数控车削加工工艺范围1.3.2.2 数控车削的特点1数控车床的特点数控车床是在普通车床的基础上发展而来的，但数控车床加工又有着普通车床无法比拟的特点，主
15、要表现在以下几个方面。（1）传动链短 数控车床与普通车床相比，主轴驱动不再是电机皮带齿轮副机构变速，而是采用横向和纵向进给分别由两台伺服电机驱动刀架运动完成，不再使用挂轮、离合器等传动部件，使传动链大大缩短。第 1 章 数控车床概述 9（2）刚性高 为了与数控系统的高精度相匹配，数控机床的刚性较高，以便适应高精度的加工。（3）轻拖动 数控车床刀架移动采用滚珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。丝杠两端的支承是专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂时便选配好；数控车床的润滑部分采用油雾自动润滑，这些措施都使得数控车床移动轻便。2数控车床加工特点（1）自动化程度高 数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作
16、者只需开始时进行对刀装卸工件、更换刀具等操作即可，而在加工过程中，主要是观察和监督机床运行，大大减轻了操作者的体 力 劳 动 强 度 。 但 是 ， 由 于 数 控 机 床 的 技 术 含 量 较 高 ， 使 得 操 作 者 的 脑 力 劳 动 强 度 相 应 提高 。（2）加工的零件精度高、质量稳定 数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。（3）生产效率高数控机床加工时可以在一次装夹中加工多个加工表面，一般来说只检测首件，所以可以省去普通机床加工时的不少中
17、间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间和机动时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来了方便，其综合效率明显提高。（4）便于新产品开发和改型 数控加工一般不需要过多复杂的工艺装备，通过编制加工程序即可将形状复杂和精度要求较高的零件加工出来。当产品改型和更改设计时，只需改变程序即可，而无须重新设计工装。所以，数控加工可以大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进和改型提供了捷径。（5）有利于现代化管理数控车床的加工所使用的刀具和夹具可进行规范化、现代化管理，其使用数字信号和标准代码作为控制信息，易于实现加工信息的标准化，它与计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）有机地结
18、合起来，是现代集成制造技术的基础。3适合数控机床加工的零件（1）多品种中小批量零件数控车床最适合加工多品种中小批量零件。随着数控车床制造成本的逐步下降，目前国内外使用它加工大批量零件的情况也已经出现。当加工较小批量和单件零件时，如能缩短程序的编程、调试时间和工装（刀、量、夹具）的准备时间也是可以选用的。（2）精度要求较高的零件FANUC 数控车床编程与实训10由于数控车床的刚性好，制造精度好，对刀精确，能方便的进行尺寸补偿，所以能加工尺寸精度要求高的工件。（3）表面粗糙度值较小的零件在工件和刀具材料、精车余量及刀具角度确定的情况下，表面粗糙度取决于切削速度和进给速度。普通车床是恒定转速、直径不
19、同，切削速度（线速度）不同，而数控车床具有恒线速度切削功能，车端面、不同直径外圆时可以用同样的线速度，保证表面粗糙度既小且一致；在车削表面粗糙度不同的表面时，粗糙度小的表面选用较小的进给速度，而粗糙度大的表面选用较大的进给速度，可变性很好，这一点在普通车床上很难做到。（4）轮廓形状复杂的零件由于任意平面曲线均可用直线或圆弧来逼近，且数控车床具有圆弧插补功能，因此数控车床不仅可以加工素线为直线的回转体，也可以加工素线为曲线的回转体。4数控车床所用工艺设备的特点（1）刀架的特点刀架是数控车床的重要部件，它安装各种切削加工刀具，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。转塔式刀架是普遍采用的刀架形式，
20、如图 1-5 所示。它通过转塔头的旋转、分度和定位来实现机床的自动换刀工作。两轴连续控制的数控车床，一般采用 612 工位转塔式刀架。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套类零件加工。图 1-5 转塔式刀架（2）刀具的特点精度较高，寿命长、尺寸稳定、变化小。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；精车为保证加工精度，所以要求刀具锋第 1 章 数控车床概述 11利，精度高、耐用度好。快速换刀。能较好地控制切削的折断、卷曲和排出。具有较好的可冷却性。从结构上看，车刀可分为整体式车刀、焊接式车刀和机械夹固定式车刀。整体式车刀主要是整体式高速钢车刀，它具
21、有抗弯强度高，冲击韧性好，制造简单，刃磨方便，以及刃口锋利等优点；焊接式车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上，经刃磨而成；机械夹固定式车刀可分为机械夹固定式可重磨车刀和机械夹固定式不重磨车刀。数控车床应尽可能使用机夹刀。由于机夹刀在安装时一般不采用垫片调整刀尖高度，所以刀尖高度的 精 度 在 制 造 时 就 得 到 了 保 证 。 另 外 ， 对 于 长 径 比 较 大 的 内 径 刀 杆 ， 应 具 有 良 好 的 抗 震结构。从刀具的形状看，数控车削中常用的车刀如图 1-6 所示。图 1-6 数控车床常用车刀（3）夹具的特点 在 经 济 型 数 控 车 床 中 ， 考 虑 成 本
22、的 因 素 ， 一 般 使 用 与 普 通 车 床 相 同 的 手 动 自 定 心卡盘。在全功能型数控车床中使用自定心液压或气动卡盘，液压动力卡盘用于夹持加工零件，它主要由固定在主轴后端的液压缸和固定在主轴前端的卡盘两部分组成，其夹紧力的大小通过调整液压系统的压力进行控制，具有结构紧凑、动作灵敏且能够实现较大夹紧力的特点。1.4 数控机床的分类1.4.1 随着数控技术的飞速发展，数控机床的品种和规格越来越多，金属切削机床常用的有机床分类概述FANUC 数控车床编程与实训12车床、铣床、磨床、刨床、镗床和拉床等。本节将数控机床按运动轨迹和伺服系统分为两类，其中按运动轨迹可分为点位控制系统系统、直
23、线控制系统、轮廓控制系统；按伺服系统可分为全闭环伺服系统、半闭环伺服系统和开环伺服系统。第 1 章 数控车床概述 131.4.2 相关知识1.4.2.1 按运动轨迹分类1点位控制系统点位控制系统的数控机床的数控装置只能控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动的轨迹，因为该系统的数控机床只要求获得准确的加工坐标点的位置，而对移动轨迹没有严格要求，并且在移动和定位过程中不进行任何加工。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先快速移动到终点附近位置，然后低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。起点到终点的运动轨迹可以是轨迹 1 或轨迹 2 中的任一种。点位控制加
24、工示意图如图 1-7 所示。2直线控制系统直线控制系统的数控机床不但要求刀具或数控工作台从起点坐标运动到终点坐标，而且要求刀具或数控工作 台 以 给 定 的 速 度 沿 平 行 于 某 坐 标 轴 方 向 运 动 的 过 程中进行切削加工。该类系统也可以控制刀具或数控工作台同时在两个轴向以相同的速度运动，从而沿某坐标轴成 45的斜线进行加工。直线控制加工示意图如图 1-8所示。3轮廓控制系统轮廓控制系统的数控机床能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不仅能够图 1-7 点位控制加工示意图提示：常见的点位数控机床有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。图 1-8 直线控制加工示意图提示：常见
25、的直线数控机床有数控车床、数控镗铣床、数控磨床和数控加工中心等。FANUC 数控车床编程与实训14控制机床移动部件的起点和终点坐标值，而且能够控制整个加工过程的每一点的速度与位移，既能控制加工轨迹又能加工出符合要求的轮廓，其加工工件可以用直线插补或圆弧插补的方法进行切削加工。轮廓控制加工示意图如图 1-9 所示。图 1-9 轮廓控制加工示意图1.4.2.2 按伺服系统分类1全闭环伺服系统这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，而将测量结果直接反馈到数控装置中。通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，从而最终实
26、现精确定位。全闭环伺服系统由于是受进给丝杠的扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，所以给调试工作造成了很大的困难，另外由于其系统复杂及成本较高，故适用精度要求较高的数控机床，如加工中心、数控镗铣床、数控超精车床和数控超精铣床等，如图 1-10 所示。提示：常见的轮廓数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心和线切割等。提示：全闭环伺服系统的特点是加工精度较高、移动速度较快，但调试、维修较复杂，稳定性难于控制，另外成本也较高。图 1-10 全闭环伺服系统第 1 章 数控车床概述 152半闭环伺服系统大多数控机床采用的是半闭环伺服系统，这类驱动系统在电机的端头或丝杠的端头安装检
27、测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。半闭环伺服的控制精度虽不如全闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用，如图 1-11 所示。图 1-11 半闭环伺服系统3开环伺服系统这类机床不带位置检测及反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。在该系统中，输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机轴转过一个角度，再通过机械传动机构把步进电机轴的转动转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定，如图 1-12 所示。开
28、环伺服系统由于没有位置反馈环节，因此具有结构简单、系统稳定、容易调试和成本较低等优点；其缺点是系统没有误差补偿，精度较低。这种系统一般适用于经济型数控机床和旧机床改造。提示：半闭环伺服系统的特点是加工精度和稳定性较高，价格适中，调试比较容易，它兼顾了开环和全闭环两者的优点。提示：开环伺服系统的特点是受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，速度和精度均较低，但其反映迅速，调试方便，工作比较稳定，维修方便，成本较低。FANUC 数控车床编程与实训161.5 数控车床的分类1.5.1 数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧式车床一般都
29、采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车床，前者是两坐标控制，后者是 4 坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。数控车床品种繁多，规格不一，可按如下方法进行分类。1.5.2 相关知识1.5.2.1 按车床主轴位置分类1立式数控车床立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，包括一个直径较大的圆形工作台，用来装夹工件，如图 1-13 所示。该类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。2卧式数控车床卧式数控车床分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床，如图 1-14 所示。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。图 1-1
30、3 立式数控车床 图 1-14 卧式数控车床车床分类概述图 1-12 开环伺服系统第 1 章 数控车床概述 171.5.2.2 按加工零件的基本类型分类1卡盘式数控车床卡盘式数控车床没有尾座，适合车削盘类（含短轴类）零件。夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪（即软卡爪）。2顶尖式数控车床顶尖式数控车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。FANUC 数控车床编程与实训181.5.2.3 按刀架数量分类1单刀架数控车床数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架，如图 1-15 所示。 2双刀架数控车床
31、 双刀架数控车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布，如图 1-16 所示。图 1-15 单刀架数控车床 图 1-16 双刀架数控车床1.5.2.4 按功能分类1经济型数控车床经济型数控车床是采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，其成本较低，自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工，如图 1-17 所示。图 1-17 经济型数控车床第 1 章 数控车床概述 192普通数控车床 普通数控车床是根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，其数控系统功能较强，自动化程度和加工精度也较高，适
32、用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即 X 轴和 Z 轴。3车削加工中心 车削加工中心在普通数控车床的基础上增加了 C 轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可以控制 X、Z 和 C 三个坐标轴，联动控制轴可以是(X、Z)、(X 、C)或(Z、C)。由于增加了 C 轴和铣削动力头，所以这种数控车床的加工功能大大增强，除了可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻 削 等 加 工 。 如 图 1-18（ a） 所 示 为 车 削 中 心 整 体 结 构 ， 如 图 1-18（ b） 所 示 为 车 削中 心 内 部
33、结 构 。（a）车削中心整体结构 （b）车削中心内部结构图 1-18 车削加工中心1.5.2.5 按数控车床的布局分类数 控 车 床 床 身 导 轨 与 水 平 面 的 相 对 位 置 如 图 1-19 所 示 ， 它 有 4 种 布 局 形 式 ： 图 1-19（ a） 为 平 床 身 ， 图 1-19（ b） 为 斜 床 身 ， 图 1-19（ c） 为 平 床 身 斜 滑 板 ， 图 1-19（ d） 为立 床 身 。（a） （b） （c ） （d）FANUC 数控车床编程与实训20图 1-19 数控车床床身导轨与水平面的相对位置图（1）水平床身的工艺性较好，便于导轨面的加工。水平床身配
34、上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但其缺点在于：由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸，如图 1-20 所示。第 1 章 数控车床概述 21图 1-20 数控车床水平床身（2）水平床身配置倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上倾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型数控车床所普遍采用。此两种布局形式的特点是排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于
35、安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形简单、美观，容易实现封闭式防护。如图 1-21 所示为倾斜床身。（3）斜床身其导轨倾斜的角度分别为 30、45、60、75和 90（称为立式床身，如图 1-22 所示），若倾斜角度小，则排屑不便；若倾斜角度大，则导轨的导向性差，受力情况也差，另外，导轨倾斜角度的大小还会直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑上述因素，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以 60为宜。图 1-21 数控车床倾斜床身 图 1-22 立式床身1.6 数控机床的插补1.6.1 计算机数控系统最主要的任务就是根据被加工零件的外形轮廓尺寸及
36、精度要求编制加工程序，计算出机床各运动坐标轴的进给指令，分别驱动各运动坐标轴协调运动，从而获插补概述FANUC 数控车床编程与实训22得刀具相对于工件的理想运动轨迹。但需要注意的是，该处理过程必须采用插补实现。1.6.2 相关知识1.6.2.1 插补作用及原理1插补的作用在轮廓控制加工中，刀具轨迹必须严格按零件轮廓曲线运动。插补运算的作用是按一定的关系向机床各个坐标轴的驱动控制器分配进给脉冲，使伺服电动机驱动工作台运动，工作台相对主轴的运动轨迹以一定精度要求逼近于所加工零件的外形轮廓尺寸。2插补的概念数控系统的插补是指根据给定的数学函数，在理想的轨迹和轮廓上的已知点之间进行数据密化处理的过程。
37、其任务就是在每一个插补周期内，根据指令和进给速度计算出一个微小的直线段运动，经过若干个插补周期后，刀具从起点运动到终点，最终完成这段轮廓的加工。3插补的基本原理由工程数学可知，微积分对研究变量问题的基本方法包括：“无限分割，以直代曲，以不变代变，得微元再无限积累，对近似取极限，求得精确值。”对于数控机床运动轨迹控制的插补运算也正是按这一原理来解决的。概括起来，可描述为：“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹。”需要说明的是，该脉冲当量与基坐标显示分辨率是一致的，它与加工精度有关，表示插补器每发出一个脉冲，使执行电动机驱动丝杠所走的行程，单位通常为 0.010
38、.001 脉冲。1.6.2.2 插补分类插补功能的好坏将直接影响到系统控制精度和速度，它是数控系统的主要技术性能指标，所以使得插补软件也成为了数控系统的核心软件。多年来人们一直在寻找一种简单有效的插补方法，目前主要采用：提示：直线和圆弧是构成工件轮廓形状的基本线条，所以大多数数控系统都具有直线和圆弧插补功能，另外，在一些高档数控系统的扩展功能或宏程序中还配有抛物线、螺旋线、渐开线和椭圆等插补计算功能。第 1 章 数控车床概述 23（1）数字脉冲乘法器插补法，也称 MIT 法，这是一种直线插补器。（2）逐点比较法，也称代数运算法。（3）数字积分插补法，也称数字微分分析法（DDA）。不同的插补方法
39、适用于不同的场合，下面只介绍常用的逐点比较法。1逐点比较法逐点比较法，是指被控制的对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都要与规定的轨迹比较，由比较结果决定下一步移动的方向。这种方法的特点是：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，输出脉冲均匀且输出脉冲的速度变化小，调节方便，故在数控机床中应用较多。1）逐点原理对于直线插补来说，插补过程中每处理一步都要完成以下 4 个工作节拍：（1）偏差判别判别当前动点偏离理论轨迹的位置。（2）进给控制确定进给坐标及进给方向。（3）偏差计算计算出进给后动点达到新位置的新偏差值，并将其作为下一步判 别的依据。（4）终点判别判别是否达到终点。若到达终点，则发出插补完成
40、信息；若未到达终点，则返回再次进行偏差判别，重复上述步骤。2）逐点直线插补第一象限直线插补如图 1-23 所示，第一象限中有理论轨迹 OA，取轨迹的起点为坐标原点，终点坐标为 A(Xe，Ye) ，动点坐标为 m(Xm，Ym)。若每运动一步在 X 或 Y 方向进给一个脉冲当量，则插补过程如下： A(Xe， Ye) Y Ym Xm X O m m m“ 图 1-23 第一象限直线插补（1）偏差判别 直线斜率的表达式为：OA 线的斜率 Ke= ，OM 线的斜率 Km=YeXYXmFANUC 数控车床编程与实训24则动点的判别方程 Fm 为：Fm=Ke-Kmi当动点 m 位于 OA 线上方时，KmKe
41、，所以 YmXe-XmYe0，即：Fm 0。ii当动点 m 位于 OA 线下方时， Km0，则动点在直线上方；若 Fm0 时，控制刀具向 X 轴正向进给一步；即 X=1。iii当 FmYe，则计 X 值，X 走一步，计数长度减 1，直到计数长度为 0，插补停止。该方法的位移误差可控制在一个脉冲当量内。ii双向计数将 N= 的数值作为计数长度。使用该方法计数，寄存器的长度设置增加，运算XeYP量增加。iii分别计数N1= 、N2= 独立计数，即当 N1 减为 0，N2 也减为 0 时，插补停止。该方法插eY补精度高，但需要两个计数器，同时增加了数控系统的判别时间。3） 课堂训练 逐点直线插补实例
42、加工如图 l-24 所示的直线，使用逐点比较法对该直线进行插补，并画出插补轨迹。脉冲当量为 1mm/脉冲，采用双向计数。第 1 章 数控车床概述 25图 1-24 直线插补解：Xe=5 ，Ye=3，计数长度 N= = =8，插补自原点开始，Fo=YoXe-XeYP351XoYo=0，插补过程如表 1-1 所示。表 1-1 逐点直线插补序 号 偏 差 判 别 进 给 偏 差 计 算 终 点 判 别1 F0=0 +X F1=F0-Yn=0-3=-3 N=8-1=702 F1=-30 +X F3=F2-Ye=2-3=-1 N=6-1=504 F3=-10 +X F5=F4-Ye=4-3=1 N=4-
43、1=306 F5=10 +X F6=F5+Ye=1-3=-2 N=3-1=207 F6=-20 +X F8=F7-Ye=3-3=0 N=1-1=02逐点比较法圆弧插补1）第一象限圆弧插补圆 弧 插 补 有 顺 时 针 圆 弧 插 补 、 逆 时 针 圆 弧 插 补 之 分 。 无 论 顺 时 针 圆 弧 插 补 还 是 逆 时针 圆 弧 插 补 ， 均 是 以 加 工 点 相 对 于 理 论 圆 弧 的 位 置 来 确 定 刀 具 的 运 动 轨 迹 。 理 论 圆 弧 的标 准 方 程 式 + = ， 加 工 点 （ 动 点 ） 的 方 程 式 为 + = 。 如 果 动 点 落 在 圆 外
44、 ，2XeY2R2mXY2r则 平 行 于 坐 标 轴 方 向 向 圆 内 走 一 步 ； 如 果 动 点 落 在 圆 内 ， 则 平 行 于 坐 标 轴 方 向 向 圆 外 走一 步 。如图 1-25 所示，坐标原点为圆弧的圆心，圆上两点 A(Xo，Yo)、B(Xe，Ye)，动点m(Xm，Ym)。若每运动一步在 X 或 Y 方向进给一个脉冲当量，则插补过程如下：（1）偏差判别（如表 1-2 所示）（2）进给控制、坐标计算和偏差计算（如表 1-3 所示）FANUC 数控车床编程与实训26Y O X B(Xe， Ye) m(Xm， Ym) A(Xo， Yo) O A(Xo， Yo) m(Xm，
45、Ym) B(Xe， Ye) Y X （a）逆圆 （b）顺圆图 1-25 第一象限圆弧插补表 1-2 偏差判别顺 圆 逆 圆圆的一般表达式 22eXYR22eXYR动点的方程 mm若动点在圆上 ()()0e()()0e若动点在圆外 2222若动点在圆内 设偏差函数F m 2()()meFXY 2()()meFXY表 1-3 进给控制、坐标计算、偏差计算条 件 坐 标 进 给 坐 标 计 算 偏 差 计 算Fm 0 -X Xm+1=Xm-1；Y m+1=Ym Fm+1=Fm-2Xm+1逆圆FmYe，则计 Y 值，Y 走一步，计数长度减 1，该方法的位移误差可控制在一个脉冲当量内。 双向计数将 N=
46、 作为计数单位，每进给一步，计数器减 1，当长度计数器减030eXYP为 0 时，插补结束。第 1 章 数控车床概述 272） 课堂训练 圆弧插补实例插补如图 l-26 所示的逆圆，脉冲当量为 1mm/脉冲，双向计数。解：Xo=4 ，Yo =0，Xe=0 ，Ye=4 ，计算长度 N= =8，插补自 A 点开始，041F0=(42+02)-(02+42)=0，插补过程如表 1-4 所示。图 1-26 逆圆插补轨迹表 1-4 逐点比较法圆弧插补运算过程序 号 偏 差 判 别 进 给 偏 差 计 算 坐 标 计 算 终 点 判 别1 F0=0 -X F1=F0-2X0+1=0-24+1=-7 X1=
47、4-1=3Y1=0N=8-1=702 F1=-70 -X F5=F4-2X4+1=2-23+1=-3 X5=3-1=2Y5=3N=4-1=306 F5=-30 -X F7=F6-2X6+1=4-22+1=1 X7=2-1=1Y7=4N=2-1=108 F7=10 -X F8=F7-2X7+1=1-22+1=0 X8=1-1=0Y8=4N=1-1=0以上介绍的直线插补和圆弧插补都是第一象限的，其他 3 个象限的插补运算可以仿照第一象限获得，区别只在于控制进给运动方向的不同。FANUC 数控车床编程与实训281.7 刀具半径补偿原理及实例1.7.1 在数控编程过程中，为使编程工作更加方便，通常将数
48、控刀具的刀尖假想成一个点，该点称为刀位点或刀尖点。在编程时，一般不考虑刀具的长度与刀尖圆弧半径，只需考虑刀位点与编程轨迹重合即可。但在实际加工过程中，由于刀尖圆弧半径与刀具长度各不相同，在加工中会产生很大的加工误差。因此，实际加工时必须通过刀具补偿指令，使数控机床根据实际使用的刀具尺寸，自动调整各坐标轴的移动量，确保实际加工轮廓和编程轨迹完全一致。1.7.2 相关知识1.7.2.1 刀具半径补偿基础1刀具半径补偿的概念数控机床根据刀具实际尺寸自动改变机床坐标轴或刀具刀位点位置，从而使得实际加工轮廓和编程轨迹完全一致的功能称为刀具补偿，如图 1-27 所示。半径补偿概述提示：在直线插补与圆弧插补两个例子中，我们将脉冲当量的数值均设定为 1mm/脉冲，例如脉冲当量的数值取为 0.01mm/脉冲或 0.001mm/脉冲，刀具在真正的加工中将走 800 步或8000 步，每一步的步距都不大于 0.01mm 或 0.001mm，这就是为什么数控机床可以加工高精度零件的真正原因。第 1 章 数控车床概述 29图 1-27 刀具半径补偿图 1-28 数控车刀的刀位点2刀具半径补偿的作用（1）在数控编程时可不考虑刀具半径，只需直接按图样所给的尺寸进行编程，同时在实际加工时输入刀具半径补偿值即可，数控机床自动改变刀具刀位点位置，使实际加工轮廓和编程轨迹一致。（2
