数控机床插补原理篇1
关键词：数控系统，实时，插补，加减速控制
1前言
在数控系统中，为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超行程或振荡，必须有专门的加、减速控制规律程序，以使机床在各种加工作业的情况下都能按照这个规律快速、准确地停留在给定的位置上，这就是所谓的加减速控制。
对于连续切削的数控机床，其进给速度不仅直接影响到加工零件的表面粗糙度和精度，而且刀具和机床的寿命以及生产效率也与进给速度密切相关。对于不同材料的工件、加工刀具、加工方式和条件，应选择合适的进给速度。而进给速度的控制方法则与采用的插补算法有关。
插补运算是数控系统根据输入的基本数据（如直线的起点和终点，圆弧的起点、终点和圆心，进给速度，刀具参数等），在轮廓起点和终点之间，计算出若干中间点的坐标值，通过计算，将工件轮廓描述出来。插补的任务就是根据起点、终点、轨迹轮廓、进给速度，按数控系统的当量，对轮廓轨迹进行细化。插补精度和插补速度是插补的两项重要指标，它直接决定了数控系统的控制精度和控制速度，所以插补是整个数控系统控制软件的核心[1]。由于每个中间点计算所需的时间影响系统的进给速度，而插补中间点的精度又影响到加工精度，因此，本文所采用的插补算法正是满足精度要求和实时性的关键所在。
2系统采用的插补及加减速控制
2.1插补
本系统采用的插补算法是时间分割法，或称采样插补法。因为此法非常适合于以交流伺服电机为执行机构的半闭环位置采样控制系统，且能够满足实时性要求。这种方法是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为单位时间间隔（或插补周期）。每经过一个单位时间间隔就进行一次插补运算，算出在这一时间间隔内各坐标轴的进给量，边计算，边加工，直至加工到终点。
在加工某一直线段或圆弧段时，先通过控制加速度来计算速度轨迹，然后通过速度计算，将进给速度分割成单位时间间隔的插补进给量，也就是轮廓步长，又称为一次插补进给量。根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系，就可求出各轴在一个插补周期内的插补进给量，按时间间隔以增量形式给各轴送出一个个插补增量，通过执行机构使机床完成预定轨迹的加工。在这里应该注意，插补速度和加速度都不能太大，如果插补速度和加速度太大，将导致插补永久停止，除非控制系统所用的微处理器（DSP）复位，否则无法进行下一轮加工。论文参考网。为避免这种情况，本系统将在软件内部对速度和加速度进行限制。如果用户在加工过程中不经意地把进给速度调得太高，超过了可能导致插补停止的上限值，则自动取消这个操作，将速度恢复到原来的数值；如果用户所要求的速度在最大允许值范围内，则先根据原速度计算出加速度，若加速度适当，就直接使用新的速度代替原来的速度值进行插补；若加速度过大，就通过软件定时的方法逐渐地把速度增加到所要求的值。
2.2加减速控制
对于连续切削的数控机床，如上所述，进给速度的控制会直接影响加工零件的粗糙度、精度、刀具和机床的寿命以及生产效率。按照加工工艺的需要，一般将所需的进给速度用F代码编入程序，即指令进给速度。对于不同材料的零件，需根据切削量、粗糙度和精度的要求，选择合适的进给速度，数控系统应能提供足够的速度范围和灵活的给定方法。在加工过程中，由于可能发生各种事先无法预料到应该改变进给速度的情况，因此还应允许操作者手动调节进给速度。此外，在启动和停止阶段，当速度高于一定值时，为防止产生冲击、失步、超调或振荡，保证运动平稳和准确定位，还要能对运动速度进行加减速控制[2]。
在CNC系统中，加减速控制通常采用软件实现，这给系统带来了较大的灵活性。由软件实现的加减速控制可以在插补前进行，也可以在插补后进行。在插补前的加减速控制称为前加减速控制，在插补后的加减速控制称为后加减速控制。前加减速控制的优点仅对合成速度——编程指令速度F进行控制，所以它不影响实际插补输出的位置精度。其缺点是要根据实际刀具位置与程序段终点之间的距离预测减速点，这种预测工作的计算工作量很大。后加减速控制与前加减速控制则相反，它是对各运动轴分别进行加减速控制，这种加减速控制不需要专门预测减速点，而是在插补输出为零时开始减速，并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序段的终点。由于它对各运动坐标轴分别进行控制，所以在加减速控制中各坐标轴的实际合成位置可能不准确，这是它的缺点。
本系统采用前加减速控制，其控制原理是：首先计算出稳定速度Fs和瞬时速度Fi。所谓稳定速度，就是系统处于恒定进给状态时，在一个插补周期内每插补一次的进给量。实际上就是编程给定F值（mm/min）在每个插补周期T（ms）的进给量。论文参考网。另外，考虑调速方便，设置了快速和切削进给的倍率开关，其速度系数设为K。这样，Fs的计算公式为：
（1）
稳定速度计算结束后，进行速度限制检查，如稳定速度超过由参数设定的最高速度，则取限制的最高速度为稳定速度。
所谓瞬时速度，就是系统每个插补周期的实际进给量。当系统处于恒定进给状态时，瞬时速度Fi=Fs；当系统处于加速状态时，Fi<Fs；当系统处于减速状态时，Fi>Fs。
当数控设备启动、停止或在加工中改变进给速度时，系统能进行自动加减速处理，本系统支持匀加减速、三角函数双S加减速和抛物线双S加减速三种控制方式。如图1所示，T表示匀加减速控制方式，S表示三角函数双S加减速控制方式，P表示抛物线双S加减速。
图1系统采用的加减速控制方式
现以线性加减速处理为例说明其计算处理过程。
设进给速度为F（mm/min），加速到F所需的时间为t（ms），则加/减速度可按下式计算
（2）
加速时，系统每插补一次都要进行稳定速度、瞬时速度和加速处理。若给定稳定速度要作改变，当计算出的稳定速度大于原来的稳定速度FS时，则要加速；或者给定的稳定速度FS不变，而计算出的瞬时速度Fi＜Fs时，也要加速。每加速一次，瞬时速度为：
Fi+1=Fi+T（3）
插补运算都计入新的瞬时速度值Fi+1，并对各坐标轴进行进给增量的分配。这样，一直加速到新的或给定的稳定速度为止。
减速时，系统每进行一次插补运算后，都要进行终点判断，也就是要计算出离终点的瞬时距离si。论文参考网。并按本程序段的减速标志，判别是否已到达减速区，若已到达，则要进行减速。设稳定速度和加/减速度分别为FS和，则可计算出减速时间t以及减速区域s分别为
（4）
（5）
当si≤s时，设置减速状态标志进行减速处理。每减速一次，瞬时速度为
Fi+1=Fi-T（6）
新的瞬时速度Fi+1参加插补计算，对各坐标轴进行进给增量的分配。一直减速到新的稳定速度或减到零。
上面提到，在加减速处理中，每次插补运算后，系统都要按求出的各轴插补进给量来计算刀具中心到本程序段终点的距离si，并以此进行终点判别和检查本程序段是否已到达减速区并开始减速。
对于直线插补，si的计算可应用公式
（7）
设直线终点P坐标为（xe，ye），x为长轴，其加工点A（xi，yi）也就已知，则瞬时加工点A离终点P距离si为：
（8）
式中，为长轴与直线的夹角，如图2所示。
图2直线插补终点判别
对于圆弧插补，si的计算应按圆弧所对应的圆心角小于及大于两种情况进行分别处理，如图3所示。
小于时，瞬时加工点离圆弧终点的直线距离越来越小，见图3a。若以MP为基准，则A点离终点的距离为：
（9）
图3圆弧插补终点判别
大于时，设A点为圆弧AP的起点，B点为离终点P的弧长所对应的圆心角等于时的分界点，C点为小于圆心角的某一瞬时点，见图3b。显然，瞬时点离圆弧终点的距离si的变化规律是：当瞬时加工点由A点到B点时，si越来越大，直到它等于直径；当加工越过分界点B后，si越来越小，与图3a所示情况相同。这样，在这种情况下的终点判别，首先应判别si的变化趋势，即若si变大，则不进行终点判别处理，直到越过分界点；若si变小再进行终点判别处理。
3结论
本文对普通数控系统中插补及加减速控制进行了简要介绍，并以此为基础详述了自主开发的系统能实现实时控制的插补、加减速控制原理。着重说明了时间分割法插补原理、前加减速控制原理，并以匀加减速控制为例进行了说明。经过在实践中的应用表明，采用时间分割法作为本系统的插补方法并配以前加减速控制可以实现复杂曲面零件微小的逼近，使加工轮廓误差减至最小，满足了数控系统的高速度、高精度、高效率和高可靠性的要求。
参考文献
[1]KimDI.StudyoninterpolationalgorithmsofCNCmachinetools.IEEEIndustryApplicationsConference，1995(3)
[2]叶蓓华.《数字控制技术》[M]，北京：清华大学出版社，2002
数控机床插补原理篇2
【关键词】滚珠丝杠;数控系统;纵向进给;直线插补;圆弧插补
数控机床是综合应用机械、计算机、自动控制、自动检测及信息处理等高新技术的产物，是典型的机电一体化产品。它的广泛使用给机械制造业生产，产品结构，产业结构带来了深刻变化。
在传统的CKJ6163车床母体上，加装数控装置，将其改造成数控车床，使其实现多种常见零件的半自动或全自动化加工，且应实现CKJ6163车床原有功能，在机床的精度，性能方面除保持原来状况还应有所提高，减轻工人的劳动强度。
通过查看CKJ6163车床及有关资料，并且参考数控机床的改造经验，确定总体方案为：采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输入步进脉冲，经一级齿轮和蜗杆，蜗轮减速后，带动滚珠丝杠和刀架的旋转运动。
改进后的经济型数控机床应具有定位，直线插补，两坐标轴Z、X联动的顺逆圆弧插补，加工暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到经济型数控机床对加工精度的要求不是很高，同时为了简化机构，降低成本，决定采用由微机控制的步进电机开环控制系统。
根据经济型原则和机床加工能力的要求，决定采用8位单片机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快和为工业现场制造，抗干扰能力强和现场维修方便，具有很高的性能价格比等特点，采用MCS-51系列中的8031单片机来组建数控系统。
系统的加工程序调用和控制命令的实施通过数控系统的控制面板来操作，键盘输入命令和调用程序，编辑程序，LED显示加工信息，其它的控制由相应的控制开关加以以控制。
为实现机床所需要的分辨率，传动系统采用步进电机经齿轮和蜗轮蜗杆减速再带动丝杠和刀架旋转系统转动，为保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减小摩擦阻力选用滚珠丝杠螺母副，同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构，齿轮传动采用消除齿侧间隙的结构。
目前在经济型数控机床中，推荐使用MCS-51系列单片机作为主控制器。
在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度，工作温度及存储器容量等问题。
自动回转刀架换刀时，由8155（1）的PC0～PC3发出到位信号，控制刀架电机回转，到达指定的刀位，刀位夹紧之后，发出换刀回答信号，经8155（1）的PB5输入计算机，控制刀架开始进给。
当加工螺纹时，由于主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入8031的To和8155（1）的PB6。通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是螺纹乱扣。
控制面板是用来操纵整个数控系统的，应该集中控制系统的操作功能，可手动调整和编程，开关数控系统和紧急下关停数控机床，并设有报警显示电路，使操作者清楚机床所处的工作状态。
本次改进，是对此项技术的再次探索与实践，CKJ6163普通车床的数控化改造完成后，将表现出许多优于原机床的特点。
首先，此次改进选用了性价比高的8031单片机作为主控制器，既满足设计要求，又比较经济。
其次，改进后可以提高原机床的精度和自动化加工程度，达到快速调整而又能保持机床通用性要求。
最后，在功能方面。配有四工位自动转动刀架，可先后用四把刀进行切削加工，机床主轴的启动，停止，纵横向进给运动的行程和速度可实现自动控制。
刀具的制造者和机械师已经通过设计系统不断改善NC技术来解决这些问题，这些进步的很多都是电子的进步所提供的，下一部分我们研究一下已经引导NC操纵发展方向的电子学和故态电子学的进步。
计算机数控是一个利用专用的，存储信息程序的计算机来形成一些或所有的基本数控功能。因为计算机趋于小型化，现在所售的CNC系统大多采用微型计算机控制设备。多年来微型计算机仍被用于CNC控制器。
计算机数控本身拥有传统NC所无法比拟的自身的优点，下面是对前面讨论的一个总结：
1.零件程序带和磁带阅读机只用一次，程序就进入了计算机存储器。这就提高了可靠性。因为磁带阅读机对于传统的NC系统来说被视为最不重要的部件。
2.车间的磁带编辑。在机床的所在地进行带子试用期间NC带可以被改正甚至最优化。
3.单位转换。CNC可以将已有的英制单位的带子转化为公制单位。
4.巨大的灵活性。CNC比传统NC优越的重要表现之一就是灵活性。这灵活性为相对简单的低价位的引进新的控制选择提供了机会。CNC系统被淘汰的风险就因此而降低了。
5.用户写程序。对CNC来说用户写程序是一个没有被预料到的优点。这些程序通常被存储在CNC存储器的子程序中。
6.整体制造系统。CNC更适用于工厂整体制造系统的计算机化系统，这样的一个系统的一个绊脚石是直接数控的应用。
总之，本次改进方案周期短，且价格低，功能相对完善，不足之处在于：主轴变速操作仍没实现自动化操作，若要对主轴实现自动化控制，要对主轴传动系统进行改造，更换主电机，采用多速电机成变频电机，对电机的转速进行数控化改造成本高，方案不成熟，周期长，相对增加的功能性价比低，故未对传动系统进行改造，仍采用原CKJ6163传动系统的传动装置。
参考文献：
[1]张建民.机电一体化系统设计[M].高等教育出版社，2001，6272
[2]谢红.数控机床机器人――机械系统设计指导[M].同济大学出版社，2004，6795
[3]文怀兴，夏田.数控机床系统设计[M].化学工业出版社，2005，6776
数控机床插补原理篇3
【关键词】数控车削;数控系统;编程指令;分析;运动轨迹
数控机床以其优越性逐步取代普通机床,专用机床,运用在工业加工领域中。数控系统是由译码、刀补、插补、界面等相对独立的任务所组成的实时多任务系统。它把编程人员输入的数控程序,转变为数控机床的运动。运动轨迹完全取决于输入的程序。程序是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。作为主体的程序内容是编程人员根据各个零件的外形差异,用数控指令编写。每个指令都有着自己的运动轨迹。
一、数控车削编程中,指令的使用(华中系统)
(一)G00和G01的区别,如何正确使用
G00是快速点定位指令。功能是使刀具以点位控制方式,从刀具当前所在点以各轴设定的最高允许速度(乘以进给修调倍率)快速移动到定位目标点。
G01是直线插补指令。功能是作直线轮廓的切削加工运动。有时也作很短距离的空行程运动。
这两个指令都可以使刀具从当前所在点移到定位目标点。所以,在实际运用中,容易将它们混淆使用。为了正确的运用G00和G01,就要找出它们的不同之处,加以区分。
首先,G00指令的格式中不带F参数。它的快移速度由机床参数“快移进给速度”对各轴分别设定。故在执行G00指令时,由于各个轴以各自速度移动,根据实际情况的不同,各轴到达终点的先后次序也会有所不同,因而联动直线轴的合成轨迹有时是直线,有时是折线。为此,运行G00指令时,要先搞清楚刀具运动轨迹,避免刀具与工件或夹具发生碰撞。G01指令格式中带F参数,刀具以联动的方式,按F规定的合成进给速度,运行到达终点。它的联动直线轴的合成轨迹始终为直线。
其次,使用的场合不同。G00适用场合一般为加工前的快速定位或加工后的快速退刀。正确运行过程中,始终不与工件接触。G01一般作为直线轮廓的切削加工运动。有时也作很短距离的空行程运动,以防止G00指令在短距离高速度运动时可能出现的惯性过冲现象。
(二)G02和G03方向的判断
G02,G03分别为顺时针圆弧插补和逆时针圆弧插补。判断圆弧是用G02加工还是G03加工的方法是:站在垂直于圆弧所在平面(插补平面)的坐标轴的正方向进行观察判断。如图1所示。
图1:圆弧插补G02/G03方向的规定
数控车床加工回转体零件,只需标出X轴和Z轴。故它的插补平面为XOZ平面。我们根据右手笛卡儿坐标系原理,可以表示出Y坐标轴。Y轴的方向为垂直于X轴和Z轴,箭头指向朝里。根据判断方法可以得出:图1中的(a)圆弧起点到圆弧终点是顺时针方向,用G02加工;图1中的(b)圆弧起点到圆弧终点是逆时针方向,用G03加工。
(三)粗车复合循环G71指令运动轨迹的确定
G71是粗车复合循环指令。它的指令格式为:G71U(d)R(e)P(ns)Q(nf)X(u)Z(w)F(f)T(T)S(s)这个指令参数教多,分别表示:d—切削深度、e—退刀量、ns—精加工路线的第一个程序段顺序号、nf—精加工路线的最后一个程序段顺序号、u/2—Z轴方向保留的精加工余量、w—X轴方向保留的精加工余量。
在执行含有G71指令的程序段时,刀具粗加工的运动轨迹取决于程序段N(ns)~N(nf)给定的精加工轨迹和刀具执行G71指令前的所在位置(循环起点)。
如图2所示,
图2:内/外径粗车复合循环
A为循环起点,AA′B′B为精加工编程轨迹。在进行G71粗加工前,为了保证X轴和Z轴方向的精加工余量,系统将循环起点A的坐标值分别在X轴和Z轴方向加上对应的精加工余量求得C点。把刀具先由A点位移到C点,再进行粗加工复合循环。粗加工路线和加工次数由系统根据指定的精加工路线和粗加工的切削深度、退刀量,自动计算得出。由此可见,在执行G71指令时,系统早已将精加工程序段进行扫描,译码并确定其轮廓。要注意的地方就是,在编写精加工程序时,刀具从AA′之间的程序段在Z轴方向不能产生位移。并且循环起点A必须是工件外一点。
二、结语
数控技术的高速发展,数控系统的不断改良,许多指令有了更完善的功用。了解每个指令的功用和运动轨迹,运用起来才能得心应手。程序编写更为简化方便。
参考文献
数控机床插补原理篇4
关键词：数控机床；加工精度；问题；控制
中图分类号：TG659文献标识码：A
引言
随着社会的进步，我国的科学技术也随着飞速发展，人们现代化的生活中，机械化已在人们的生活中得到广泛使用。机械化使用让人们从繁忙的体力劳动中解脱了出来，同时机械加工技术也得到了飞速的发展。如果使用机械化，那么数控机床上生产的产品，都只是依赖于机床自身加工精度。然而在数控机加工中仍然存在许多影响，影响数控机床的加工精度有很多，使用过程中也会出现很多的不确定因素对加工精度造成影响。在此本文就数控机床加工精度的影响因素进及改进措施进行以下探讨。
一、当前数控机床加工中精度存在的问题
1、数控机床加工中的位置误差对加工精度产生了影响
位置上的误差指的是经过加工之后的零件其自身的表面、轴线或者是对称平面之间的相互位置相对于其理想的位置有偏离或者是变动的现象。比如在垂直度、位置度以及对称度等方面，都产生了一定的偏差。数控机床加工中的位置误差往往指的是那些死区的误差，产生位置误差的主要原因一般来讲是机床零件在加工的过程中由于传动过程产生的间隙以及弹性变形导致了加工的误差。同时，在加工的过程中，加床的到头需要克服摩擦力等的因素也会导致位置误差的产生。在开环系统中位置本身的精度要受到比较大的影响，但是在闭环随动系统中，位置的测量主要取决于位置检测装置的精度和系统的速度放大系数，这样的话所产生的误差比较小。
1.2.数控机床加工中由于几何误差而导致加工精度误差
数控机床在加工的过程中，由于其刀具和夹具在受到外力的影响或者是在加工的过程中所产生的热量等外界因素的影响下，机床的几何精度受到了一定的影响，机床上加工的零件产生了一定程度上的几何变形。这样的话就导致了几何误差的产生。据相关的研究，数控机床产生几何误差的主要原因可以从内部因素和外部因素两个方面衡量。机床产生几何误差主要的内部因素是由于机床本身的因素而产生了几何误差。比如，机床的工作平台的水平度，机床导轨的水平度以及直线度，机床刀具和夹具的几何准确度等。外部因素主要的是由于外界环境以及加工过程中的热变形等因素产生了加工过程中的几何误差，比如刀具或者是零部件在切削的过程中，由于受热膨胀产生压力，从而导致零件变形，这样的话就产生了一定的几何误差，从而影响到了机床的加工精度和零部件的加工精度。
1.3.数控机床加工中由于机床定位而产生加工精度问题
通过长期对零件加工之后产生的误差数据的分析和实践操作可以看出，机床的定位在一定程度上对于数控机床零件加工的精度有比较大的影响。数控机床的零件加工误差，从结构的角度上看，精度的误差往往是由于定位精度而产生，而由机床的给进系统精度定位而产生的问题是比较主要的问题。数控机床的给进系统通常是由机械传动系统和电气控制系统两个部分组成的，定位的精度与结构的设计中，与机械传动系统有很大的关系。在闭环系统中，数控机床本身可以通过定位检测装置防治给进系统中的主要部件产生一定的偏差，比如滚珠丝杠部件等。而对于开环系统来讲，由于影响因素较多，而其情况往往也比较复杂，无法进行一定的定位监控工作，所以对于数控机床零件加工的精度影响是比较大的。
二、提高数控机床零件加工精度的对策
1、数控编程对加工精度的影响
（1）加工路线的选择对数控机床加工精度的影响
编程中最重要的部分就是确定加工路线，所以加工路线的选择会对加工效率以及加工精度产生较大的影响。
（2）轨迹拟合对数控机床加工精度的影响
由于数控机床加工路线都是由小段的圆弧和小段的直线加工成的拟合曲线，所以一般的系统只能在加工非圆曲线时，用圆弧和直线来不断接近，造成拟合曲线和实际的非圆曲线存在一定的差距。因此我们大多采用等误差、等弦长、等间距的方法来进行非圆曲线轨迹的拟合，但是等误差法和其他两种办法相比，不仅可以提高加工效率还能保证拟合精度，这也是为什么我们通常都采用等误差法的原因。虽然非圆曲线轨迹拟合都采用自动变成完成，但是过程中一定会存在拟合误差，所以我们在需要的时候可以经过严格的计算来控制拟合误差。
（3）数据处理对数控机床加工精度的影响
由于编程尺寸公差带的换算和位置变成节点计算的问题，造成了数控机床的数据处理存在误差，这对加工精度造成了一定的影响。
（4）原点确定对数控机床加工精度的影响
对加工精度有着最大影响的就是原点的确定，所以在编程的开始阶段要通过零件图纸和加工的特点合理确定变成坐标系。由于加工精度受变成原点的影响很大，所以一定要严格按照最基本的工艺基准、设计基准以及编程基准的原则来确定变成坐标系，这样就可以很大程度上提升加工精度。
2、系统误差对数控机床加工精度的影响
（1）螺距误差以及控制方法
半闭环以及开环数控机床主要通过丝杠来控制定位精度，虽然大多数的数控机床都采用高精度的滚珠丝杠来控制定位精度，但是也会产生螺距误差，所以为了克服螺距误差对精度的影响，要采取相应的螺距误差补偿方法。通过将高精度位置测量系统的测量结果与机床的某根轴的实际运行线路进行比对，在轴运行线路上选择一些定位点，通过将大量的测量结果输入到系统中，机床在运行中经过该点时就会考虑误差来提升加工精度，这种方法被称作螺距误差补偿。选择的数量点越多，补偿效果越好，加工精度越高。
（2）反向间隙误差及补偿
数控机床传动链中很多环节存在间隙，如齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母副等。反向间隙会引起工作台反向时伺服电机空转而工作台不动，其直接结果是半闭环数控机床产生误差、全闭环数控机床位置环不稳而产生振荡。对于反向间隙，在对数控机床的结构进行设计时实际已经做了充分的考虑，如采用同步齿形带或消隙齿轮传动、丝杠螺母副预紧等，但无论如何也会留有一些剩余间隙。在半闭环系统中，可采用与螺距误差补偿类似的方法。在轴运动的全程记录下各点反向间隙，输入到数控系统中，此后数控系统一旦接收到反向移动指令，就会自动将间隙补偿值加到插补运算结果中，实现反向间隙自动补偿。
（3）气温对加工精度的影响
在机械化试用过程中，金属材料也具备热胀冷缩性质，因此零件尺寸也会受到温度的变化的影响。面临这个问题，为保证零件在其他温度条件下也能合格，我们可以在夏季加工尺寸应加工至靠近上偏差；在冬季尺寸应加工至靠近下偏差，这样就可以解决金属材料收到气温影响造成的零件尺寸偏差问题。
（4）工艺系统热变形对加工精度的影响
在机械加工过程中，由于切削热、摩擦热对数控机床工艺系统的每个位置产生的温度均不同，所以对工件、刀具、机床之间的相互位置及刀具之间相对运动的影响也不同，最终影响机床加工精度的准确性。针对工艺系统热变形影响数控机床加工精度的问题，我们可以通过增加数控机床的传动系统和机床结构的刚度和热稳定性，并通过计算机软件对反向间隙与丝杠螺距误差进行自动补偿。最后要提高加工精度必须在加工过程中要经常测量调整刀具补偿或尺寸，这样才能克服工件及刀具的热变形，确保数控机床的的稳定性和加工精度。
3、编程的漏洞对数控机床加工精度的影响及改进措施
编程的过程中，由于使用的外部形状是通过近似算法来模仿的零件，所以在编程过程中经常出现逼近的误差。虽然不会影响到直线的加工，但是在加工非圆曲线的时候，程序就会近似地将这些非圆的曲线，以直线廓形代替曲线廓形，这时就会导致误差。最终加工零件的尺寸精度和数控机床加工精度因此受到受到影响。编程过程中，虽然数控机床上能实现对几何误差的软件补偿，但还是不能解决根本问题，还是容易出现插补误差。因为倾斜直线主要是沿平面上两个坐标轴方向刀具走折线而形成，而插补误差主要是由脉冲均匀程度、机床分辨率、控制系统的动态特性四个方面构成，然后会造成工件表面呈锯齿状，最终形成插补误差。与此同时，在插补运算的时候，整个加工过程都以某一固定点为基准，每执行一个过程都以前一个点作为基础，这样连续执行多段程序必然导致方式编程增量，最后产生累积误差，对加工精度造成影响。编程的过程中机床产生移动和定位误差都是因为误差累积到一定程度的时候造成的，因此我们要想让机床回到插入参考点的时侯把各坐标清零就应该采取一定减小累积误差和预防堆积的措施。然而要想消除对数控系统运算的累积误差，就必须在操作过程中多植入回参考点指令，这样加工精度才能得到保证。编程误差对机床加工精度的影响，一般可以通过减小插补间隙或增加机床分辨率的方法。不需要进行专门软件的补偿，但是在必要的时候，还是可以进行软件补偿的。
4、使用实时监控技术提高加工精度
随着数控技术不断提高，对于数控机床进行零件加工的过程中可以实现全程的监控，在这个过程中就能够及时的调整加工中的误差环节，并且要对加工过程中的每一个环节误差数据进行及时的采集和分析，并且及时反馈到控制终端，通过误差数据采取相应的误差补偿，进行及时的判断，提高零件的加工精度。
结束语
综上所述，数控机床的加工精度不仅受到数控编程中加工路线选择、轨迹拟合、数据处理以及原点确定等的影响，还受到系统误差中的螺距误差、反向间隙误差、热变形误差以及伺服系统误差的影响。所以我们一定要通过严格控制数控编程的方法以及减少系统误差的方式，以此大幅度提升数控机床的加工精度。
参考文献
[1]李瑞斌，张立仁，时海军.数控机床加工误差产生的原因及其对策[J].长江大学学报（自然科学版）理工卷，2010年.
数控机床插补原理篇5
关键词：熔铸耐火材料加工；专用铣磨机床；数控系统
1?问题的提出
笔者为研制“熔铸耐火材料精加工设备”试制出一台数控铣磨床。在样机试切工件时，发现工件过切。工件材料为a-bAl2O3，是玻璃熔窖流道槽中的关键零件，属难加工的高硬、脆性材料。
经过各种工况的反复试验，过切总在既定的位置，即位于零件的最高处（半径为50mm的圆弧极值点处）。为此，笔者进行了空载模拟加工，磨具上安装的铅笔在白纸上描绘出各种加工曲线，结果证实机床的Z向进给在极值点均出现失控下滑的现象，在纸上表现的加工轨迹就是极值点过切。
2?机床进给系统
数控铣磨床样机，它采用龙门框架结构，具有较大的整体刚度。机床设置了立滑枕（Z轴）、模向滑座（Y轴）及纵向工作滑台，且均由步进电动机分别驱动，脉冲当量均为0.01mm，其中、Z两轴为二坐标联动。滑枕、滑座、滑台的导轨面采用贴塑软带（YT塑料导轨软带）新技术，具有低摩擦、无爬行、耐磨、抗振的特点。立滑枕（含磨具，计450kg）采用气囊式蓄能器液压配重装置，避免了铅块配重的缺陷，惯性小，动作快捷灵敏。
从设计的角度看，该机床Y方向的进给运动是由步进电动机通过一对齿轮传动后驱动滚珠丝杠实现的。滚珠丝杠两端采用双支承结构，通过对支承轴承、丝杠螺母副及丝杠本身的预紧，传动刚度较大。X轴方向的进给与Y方向相同，且它对加工质量的影响甚微。Z轴方向的进给与X轴方向相比，滚珠丝杠的下端处于自由状态，因此支承刚度较小，丝杠本身无法预紧。此丝杠驱动立滑枕作上、下进给运动，其结构原理。它与Y轴丝杠联动可实现Y-Z平面上的曲线加工。此轴是引起过切的根源。
3?过切现象研究
现以与磨具刚性联接的立滑枕为研究对象，它受到重力G，配重拉力F，立滑枕与导轨面的摩擦力Ff以及滚珠丝杠对立滑枕的驱动力T的作用。在原理上配重力F要与重力G相等。当立滑枕向上运动时，由于Z轴进给要换向，电动机接受反向插补脉冲指令而顺时针运转。假如由于制造或装配原因，传动齿轮副存在间隙，电动机接受反向进给指令后，最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，因此产生传动误差的结果是欠切而不是过切。在实际控制软件中，齿轮传动间隙已采取补偿措施，欠切也不会发生。
1.经现场观察及理论计算，发现所选用的配重蓄能器公称容积V0偏小，导致配重力F在立滑枕的工作行程范围内变化幅度较大。根据蓄能器的工作原理，配重力F的变化幅度取决于蓄能器的公称容积V0、油缸的缸径及工作行程。当V0偏小时，以工作行程的中点为临界点，愈是在工作行程的下端部，F值越大：愈是在工作行程的上端部，F值愈小。在试切工件时，极值点位于工作行程的上半部较高位置，此时测出配重力F
2.在设计上，驱动立滑枕的滚珠丝杠为悬伸梁，即其下端没有支承，显然此传动系统的传动刚度较小。文献表明：数控机床的进给系统中，丝杠和螺母将电动机的转速转换成执行部件的位移，这相当于一个积分环节，而系统的其余部分可以简化成一个增益为ks的比例环节，因此，进给系统可以简化形式。
从控制系统分类分析，这是一个Ⅰ型系统。该系统的特点是对阶跃位置指令的响应没有稳态误差，而对阶跃速度，即斜坡位置指令输入，其响应的稳态位置偏差为e=V/ks，e为速度引起的误差，是为了建立速度V所必需的指令位置与实际位置之间的误差。
本数控系统采用逐点比较法插补原理，在加工圆弧时可以认为刀具在某点（如P点）附近很小的范围内，切线cd与圆弧非常接近。在这个范围内，对切线的插补和对圆弧的插补，刀具的进给速度基本相等。因此，刀具的进给速度为
式中：f———插补时钟所发脉冲的频率
d———脉冲当量
a———直线op与Z轴的夹角
显然Y、Z轴的进给速度分别为
当加工至极值点时，a=0°，代入式（2）、（3）得
Vy=fd，Vz=0
磨具中心沿着圆弧曲面的外侧作两坐标联动进给，当Y轴的位置指令到达圆弧的极值点B瞬间，由于速度Vy=fd引起的位置误差为ey=fd/ks，速度Vz=0引起的误差为0，因此磨具中心实际位置在A处，此时Z轴的进给指令已从正向变成负向，并瞬时由补偿软件发出一定数量的补偿脉冲，使步进电动机转动越过传动间隙后，随即从零开始按插补指令逐渐加速。也就是说，在Z轴换向进给时，由于Y轴存在位置误差ey=fd/ks，使磨具中心在A处已开始向下切削，这必然造成极值点过切。因此，进给系统的速度误差是造成极值点过切的另一主要原因。
4?消除过切的措施
1.增大蓄能器的公称容积V0。经力学计算，当配重力F的变化幅度控制在|F-G|≤0.1的范围内，立滑枕可以在步进电动机失电的情况下靠滑动摩擦力就可以在工作行程内的任意位置处于静平衡状态，这样就避免了立滑枕在步进电动机作齿隙补举动时趁机向下滑动，以提高Z轴进给系统的定位精度。
2.提高Z轴进给系统的刚度。传动齿轮采用无间隙设计，在滚珠丝杠的下端增设一个支承，避免悬伸梁结构。此外，对轴承、丝杠螺母副及丝杠本身进行恰当的预紧。
数控机床插补原理篇6
论文摘要：数控系统确保了数控机床具有高精、高速、高效的功能。本文论述了国内外数控系统的发展现状，以期对我国数控系统发展有所帮助。
数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。从1952年美国麻省理工学院研制出第1台实验性数控系统，到现在已走过了半个世纪。数控系统也由当初的电子管式起步，发展到了今天的开放式数控系统。
数控系统确保了数控机床具有高精、高速、高效的功能，可以使装备制造业实现数字化、柔性化和网络化制造。随着我国航空航天、船舶、汽车、电站设备和国防工业等制造业的高速发展，数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显，中高档数控系统的需求也越来越大。以往中高档数控系统基本被国外厂商占领，因此我国中高档数控系统技术必须加快发展。
一、国外数控系统现状
在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。国外的主要数控系统制造商有西门子（siemens）、发那克（fanuc）、三菱电机（mitsubishielectric）、海德汉（heidenhain）、博世力士乐（boschrexroth）、日本大隈（okuma）等。
1.纳米插补与控制技术已走向实用阶段
纳米插补将产生的以纳米为单位的指令提供给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工表面的平滑性。将“纳米插补”应用于所有插补之后，可实现纳米级别的高质量加工。在两年一届的美国芝加哥国际制造技术（机床）展览会（imts2010）上，发那克就展出了30i/31i/32i/35i-modelb数控系统。除了伺服控制外，“纳米插补”也可以用于cs轴轮廓控制；刚性攻螺纹等主轴功能。西门子展出的828d所独有的80bit浮点计算精度，可使插补达到很高的轮廓控制精度，从而获得很好的工件精度。此外，三菱公司的m700v系列的数控系统也可实现纳米级插补。[1]
2.机器人使用广泛
未来机床的功能不仅局限于简单的加工，而且还具有一定自主完成复杂任务的能力。机器人作为数控系统的一个重要应用领域，其技术和产品近年来得到快速发展。机器人的应用领域，不仅仅局限于传统的搬运、堆垛、喷漆、焊接等岗位，而且延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域，从传统的减轻劳动强度的繁重工种，发展到ic封装、视觉跟踪及颜色分检等领域，大大提高了数控机床的工作效率。典型的产品有德国的kuka，fanuc公司的m-1ia、m-2000ia、m-710ic。[2]
3.智能化加工不断扩展
随着计算机领域中人工智能的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度也得到不断提高。应用自适应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息，并自动调整系统中的相关参数，改进系统的运行状态；车间内的加工监测与管理可实时获取数控机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床状态，使相关维护提前，避免事故发生，保证其不稳定工况下生产的安全，减少机床故障率，提高机床利用率。应用先进的伺服控制技术，伺服系统能通过自动识别由切削力导致的振动，产生反向的作用力，消除振动。应用主轴振动控制技术，在主轴嵌入位移传感器，机床可以自动识别当前的切削状态，一旦切削不稳定，机床会自动调整切削参数，保证加工的稳定性。
4.cad/cam技术的应用
当前，为了使数控机床操作者更加便利地编制数控加工程序，解决复杂曲面的编程问题，国际数控系统制造商将图形化、集成化的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机互动性的主要途径。最新的cad/cam技术为多轴多任务数控机床加工提供了有力的支持，可以大幅地提高加工效率。esprit、cimatron等一些著名cam软件公司的产品除了具备传统的cam软件功能模块，还开发了多任务编程、对加工过程的动态仿真等新的功能模块。
二、国内数控系统现状
随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。
国内数控系统基本占领了低端数控系统市场，在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。其中，武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司、北京航天数控系统有限公司和上海电气（集团）总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统，分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。近期，武汉重型机床集团有限公司应用华中数控系统，成功开发了ckx5680数控七轴五联动车铣复合加工机床。国内主要数控系统生产基地有华中数控、航天数控、广州数控和上海开通数控等。[3]
国内的数字化交流伺服驱动系统产品也有了很大的发展，已能满足一般的应用，并能与进口产品竞争，占领了国内的大部分市场。伺服系统和伺服电机生产基地主要有兰州电机厂、华中数控、广州数控、航天数控和开通数控等。
然而，由于我国原有数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差，技术积累较少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产中高档数控系统在性能、功能和可靠性方面与国外相比仍有较大的差距，限制了数控系统的发展。为此需要政府、科研院所和制造商共同努力，推进我国中高档数控系统的发展。
参考文献：
[1]彭芳喻等.从imts2010展看我国数控系统未来发展之路[j]，金属加工，2011第4期：8-11
[2]肖明.从emo2009看现代数控系统技术发展[j]，机械工程师，2009第4期：13-16