数控原理与系统A课时ch

1、数控原理与系统数控原理与系统 第第1 1次授课：次授课：讲授内容讲授内容 补充内容：课程性质、目的与要求 第一章 数控系统概述 第一节 基本概念 第第1 1次授课：次授课：课程性质、目的与要求课程性质、目的与要求 课程性质： 专业课程、56学时、3.5学分 数控原理与系统A是机械设计制造及其自动 化专业（数控加工与维修方向）的一门专业限选课。 该课程的教学目的在于使学生掌握机床数控系统的工 作过程、刀具补偿计算、轮廓轨迹插补原理、进给轴 和主轴控制方案的制定和实现方法，了解数控系统的 硬、软件结构以及各组成部分现实的功能。 第第1 1次授课：次授课：课程性质、目的与要求课程性质、目的与要求 课

2、时安排：总共56学时=理论48学时 + 实验8学 时 第一章 理论6学时 第二章 理论8学时 + 实验2学时 第三章 理论12学时 + 实验2学时 第四章 理论8学时 + 实验4学时 第五章 理论4学时 第六章 理论6学时 第七章 理论4学时 第第1 1次授课：次授课：课程性质、目的与要求课程性质、目的与要求 课程目的与要求： 1掌握计算机数控机床的基本工作原理； 2掌握计算机数控系统内部数据预处理过程及刀补算法； 3掌握计算机数控系统中几种典型的插补算法； 4熟悉数控系统进给运动控制及参数设置； 5熟悉数控系统主轴运动控制方法； 6熟悉计算机数控系统内部开关量处理过程及PLC的应用； 7熟悉

3、计算机数控系统的软、硬件结构类型及其特点； 第第1 1次授课：次授课：课程性质、目的与要求课程性质、目的与要求 课程学习方法： 专业课程计算少、综合强、实践性要求高； 先粗后细，先定性后定量，先理论后实践； 不必死记硬背，要求理解后用自己的话表达出来； 上课认真听讲，有事必须事先请假； 作业独立完成，不允许互相抄袭或抄书； 实验要预习，并且完成后要求写出规范的实验报告； 课程结业采用笔试方式，按学校规定综合评定总成绩； 授课过程中随时欢迎同学们提出合理化建议。 第第1 1次授课：次授课：第一章内容提要第一章内容提要 数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一， 而数控机床是数控系统应用最为广泛和

4、最为典型的一 类控制系统。 本章首先对数控机床的基本概念、结构组成、分 类方法、显著特点以及发展过程进行了介绍，然后着 重介绍了计算机数控系统的基本工作原理、内部信息 流的处理过程及其各种功能，最后还简单介绍了数控 机床与现代机械制造系统之间的关系。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 一、计算机数控系统 数控是数字控制(Numerical Control，NC)的简称。 从广义上讲是指利用数字化信息实行控制，也就是 利用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以 是各种生产过程。 本课程主要从狭义上理解，也就是利用数字化信息 对机床轨迹和状态实行控制，例如：数控车床

5、、数控铣床、 数控线切割机床、数控加工中心等。 因此，主要以机床作为被控对象，讨论数控系统的 工作原理。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 一、计算机数控系统 数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。 它是具有高附加值的技术密集型产品，实现了高度的 机、电、液、光、气一体化。它集机械制造、计算机、 微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使 传统的机械加工工艺发生了质的变化。这个变化的本 质就在于用数控系统实现了加工过程的自动化操作。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 输入输入 输出输出 装置装置 数控装置数控装置 伺

6、服装置伺服装置 机床电器控制装置机床电器控制装置 机机 床床 本本 体体 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置，输 入的内容及数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。 常 见的输入/输出装置有：键盘、软盘、RS232接口、USB接口、 显示器、指示灯等。 数控装置是数控系统的核心，其主要功能是：正确识别 和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑 判断处理，完成各种输入、输出任务，其形式可以是：硬件 数控装置（硬件逻辑电路实现）和计算机数控装置（CNC）， 其输出为：连续控制量和离散开关量。 第第1

7、 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 伺服系统(驱动控制装置)位于数控装置和机床本体之间， 包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。 进给轴伺服 驱动装置包括：位置控制单元、速度控制单元、电动机和测 量反馈单元。主轴驱动装置主要由速度控制单元组成。 机床电器控制装置也位于数控装置和机床之间，接受数 控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴选速、起停和方 向控制功能，换刀等功能。其形式可以是继电器控制线路或 可编程逻辑控制器(PLC)。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该控

8、制 系统称为计算机数控系统。 计算机数控系统具有数控系统一般组成形式的各个部分。 此外，还可以通过其他方式获得数控加工程序。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 计算机数控系统的组成计算机数控系统的组成 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 数控加工程序的格式 数控加工程序是用以描述机床加工过程的程序 例如：N010 G01 X60 Y40 F60 S800 T01 M03 LF 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 数控加工程序采用的编码 常用编码形式：ISO

9、代码和EIA代码 具体代码内容参见附录A ISO：国际标准化组织 International Standard Organization EIA：美国电子工业协会 Electronic Industry Association 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 数控机床坐标系 机床坐标系是机床上固有的坐标系，它是制造、调整 机床的基础，也是建立工件坐标系的基础。机床坐标系在 出厂前已经调整好，一般情况下，不允许用户进行变动。 标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系 基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，旋转轴为A、B、C 第第1 1次授课：次

10、授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 规定在确定坐标系时一律看作工件相对静止而刀具产生 运动，并且规定增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。 Z轴平行于机床主轴，正方向为刀具远离工件的方向。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 立式数控铣床立式数控铣床 卧式数控车床卧式数控车床 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约 定 X轴为水平的、平行于 工件装夹平面的轴。 工件旋转运动机床(如： 车床、磨床)，面向Z轴正 向，右方为

11、X轴正向 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约 定 对刀具旋转运动机床 (如：铣床、镗床)，当Z轴 为水平时，则由主轴向工 件看时，右方为X轴正向 +X 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约 定 对刀具旋转运动机床 (如：铣床、镗床)，当Z轴 垂直时，则由主要主轴向 立柱(双柱机床应为左侧立 柱)看时右方为X正向； +X 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约 定 Y轴垂直于X及Z，当+X、 +Z确定后，按右手坐标系 确定Y轴。 X、Y、Z为主坐标系 (第一坐标系)

12、，若有平行 于X、Y、Z的第二组坐标和 第三组坐标则指定为U、V、 W和P、Q、R。 龙门数控铣床龙门数控铣床 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 机床零点(M)：机械原点 机床原点 机床坐标系的设计原点 机床本体设计人员关心 硬件位置由机床本体制造厂家所确定 不同的机床，机床的零点的位置也不同。机床零点一 般不能直接测量，所以在设计机床时就设定一个与机床零点 有固定位置关系的点，通过让机床返回该点来建立数控机床 的坐标系。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 机床参考点(R)：电气原点 数控系统设

13、计人员关心 机床制造厂在机床上设置的，相对机床零点的坐标位置 在机床出厂前已精确地确定，通常位于工作台运行范围的一 个角上，是数控装置确定机床原点的参考点。 通过“回参考点”工作方式，可手动或由程序控制，以 0.11m的精度到达参考点。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 工件零点(W)：编程原点，数控加工坐标系 机床操作人员关心 编程人员在编写数控加工程序时，为定义工件尺寸，在 工件上选择的坐标原点。 在一个工件上，这样的原点可以设定一个或多个。因工 件安装在工作台或夹具上的位置不固定，所以工件原点相对 机床原点的位置也是变动的，因此，又称为浮

14、动原点。 工件原点相对机床原点坐标位置由G代码(G54G59等) 指定，可由编程员编入程序或通过数控系统的数控面板等设 备输入。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 刀架相关点(C)：自动换刀(ATC)时关心 机床制造厂在刀架上设置的一个位置点，当机床回参考 点运行后，它与机床参考点R相重合。 在工件实际加工中，一般都要使用多把刀具，如，粗加 工刀具、精加工刀具及孔加工刀具等，各刀具的切削点相对 刀架相关点的偏离位置将被测出，作为刀具参数，在加工开 始前输入系统，用于加工轨迹的相应校正(刀具补偿计算)。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基

15、本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 立式铣床及加工中心各坐标点关系 M为机床零点 R为机床参考点 W为工件零点 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 数控车床各坐标点关系 M为机床零点 R为机床参考点 W为工作零点 C为刀架相关点 P为刀尖 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 点位数控系统 控制机床从一点准确地移动到另一点，在移动过程中不 进行加工，因此对两点间的移动速度和运动轨迹没有严格要 求，可以先沿一个坐标轴移动完毕，再沿另一个坐标轴移动， 也可以多个坐标轴同时移动，但是为了提高

16、加工效率，一般 要求运动时间最短，为了保证定位精度，常常要求运动部件 的移动速度是“先快后慢”，即先以快速移动接近目标点， 再以低速趋近并准确定位。 这类机床主要有数控钻床、 数控坐标镗床和数控冲床等。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 直线数控系统 不仅要控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点， 还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹，但轨迹一般为与 某坐标轴平行的直线，也可以为与坐标轴成45夹角的斜线， 但不能为任意斜率的直线，且可一边移动一边切削加工，因 此其辅助功能也比点位数控系统多一些。例如：它可 能被要求具有主轴转速控制、

17、进给速 度控制和刀具自动交换等功能。 这类机床主要有简易数控车床、 数控镗床等。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 轮廓数控系统 能够同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行 连续相关的控制，使其合成的平面或空间的运动轨迹符合被 加工工件图纸的要求。数控系统的辅助功能比前两类都多。 这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工 中心和电加工机床等。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 同时控制两个坐标的轮廓加工 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念

18、四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 三轴联动的轮廓加工 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 同时控制四个坐标的轮廓加工 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 五轴联动的轮廓加工 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按伺服系统分) 开环数控系统结构 数控装置输出的指令进给脉冲经驱动电路功率放大，转 换为控制步进电动机各定子绕组依次通电断电的电流脉冲 信号，驱动步进电动机旋转，再经过机床传动机构(齿轮箱、 丝杠等)带动工作台移动。 第第1 1次

19、授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按伺服系统分) 开环数控系统特点 只有前向通道，不带检测装置，也无反馈电路 一般以步进电动机或电液脉冲马达作为执行元件 系统精度和运行速度将受到了限制 控制简单，调试维修方便，价格比较低廉 国内被广泛应用于经济型数控系统和普通机床数控改造 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按伺服系统分) 全闭环数控系统结构 位置检测装置安装在机床工作台上，检测工作台实际运 行位置(直线位移)，并将其与数控装置计算出的指令位置(或 位移)相比较，用差值进行控制，驱动工作台朝着减小误差方 向运动。 第第1

20、 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按伺服系统分) 全闭环数控系统特点 带有位置检测反馈装置 以直流或交流电动机作为执行元件 可以获得很高的精度和速度 设计和调试困难，系统稳定性不易得到保证 一般应用于高精度和超高精度数控机床 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按伺服系统分) 半闭环数控系统结构 半闭环数控系统通过角位移的测量间接计算出机床工作 台的实际运行位置(直线位移)，并将其与数控装置计算出的 指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的

21、分类(按伺服系统分) 半闭环数控系统特点 有位置检测反馈装置，但安装在电动机轴端或丝杠轴端处 以直流或交流电动机作为执行元件 综合精度不如全闭环数控系统 环路短，刚性好，调试方便，易获得稳定的控制特性 在实际应用中，半闭环数控系统被广泛采用 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按功能水平分) 经济型又称简易数控系统 数控系统仅能满足一般精度的加工，能加工形状简单的 直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的计算机为单板 机或单片机系统，具有数码显示，CRT字符显示功能，机床进 给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴 或3轴以下，进给分辨率

22、一般为10m，快速进给速度最大不 超过10m/min。 机床结构一般比较简单，精度中等，价格也比较低廉。 例如：数控线切割机床、数控钻床、数控车床、数控铣 床及数控磨床等。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按功能水平分) 普及型又称全功能数控系统 数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准，除了 具有一般数控系统功能外，还具有一定的图形显示功能及面 向用户的宏程序功能等，采用的计算机为16位或32位微处理 器，具有RS-232C通信接口，机床进给多用交流或直流伺服 驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制，进给分辨率 一般为1m，快速进给速度最大

23、为1020m/min，开关量输 入输出控制一般由可编程控制器完成，大大增强了系统可靠 性和控制的灵活性。 这类数控机床的品种比较多，几乎覆盖了各种机床类别， 且价格适中。目前其总的趋势是趋于简单、实用、不追求过 多的功能，从而使机床的价格适当降低。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按功能水平分) 高档型数控系统 加工复杂形状的多轴联动数控机床，工序集中、自动化程 度高、功能强、具有高度柔性。采用的计算机为32位以上控制 器，机床进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统 的功能外，至少能实现5轴或5轴以上联动控制，最小分辨率为 0.1m，最大移

24、动速度可达100m/min或更高，具有三维动画 图形功能和宜人的图形用户界面，同时具有丰富的刀具管理功 能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户宏程 序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，完成加工条 件自动设定，以及计算机联网和通信。 这类系统功能齐全，价格昂贵。例如：具有5轴以上的数 控铣床，大、重型数控机床，五面加工中心，车削中心和柔性 制造单元，柔性制造系统等。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按制造工艺分) 数控钻床 数控车床 数控铣床 数控磨床 数控冲床 加工中心 柔性制造单元 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本

25、概念基本概念 四、数控系统的分类(卧式数控车床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(数控车削中心实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(立式数控铣床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(卧式数控铣床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(龙门式数控铣床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(数控五轴加工中心实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基

26、本概念 四、数控系统的分类(加工中心刀库实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(快走丝电火花线切割数控机床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(垂直慢走丝电火花线切割数控机床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(工作台移动式电火花成型数控机床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(智能数控机床实例) 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 五、数控机床的特点及适用范围 数控机床的主要特点 能

27、加工复杂型面的零件，具有较强的适应性和柔性。 可保证较高的加工精度，并且产品质量稳定，一致性好。 具有较高的生产效率。 可以改善生产条件，减轻劳动强度。 便于联网实现现代化管理及规模大的自动化生产。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 五、数控机床的特点及适用范围 数控机床的适用范围 对于小批量产品的生产由于生 产过程中产品品种变换频繁、批量 小、加工方法的区别大，宜采用数 控机床。大批量零件的生产宜采用 专用机床或自动生产线。 当零件不太复杂，批量较小时， 宜采用通用机床；当生产批量较大 时，宜采用专用机床；而零件复杂 程度较高时，宜采用数控机床。 第第1 1次授课：次

28、授课：第一节第一节 基本概念基本概念 六、数控机床的发展过程(国外情况) 1949年美国Parsons公司与MIT研制出基于电子管和继电 器的机床数字控制装置，用于控制铣床加工，它标志着第一 代数控系统电子管数控系统的诞生。 在1959年，完全由固定布线的晶体管元器件电路所组成 的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功。 1965年出现了第三代数控系统集成电路数控系统。 在1970年的美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了 第四代数控系统小型计算机数控系统。 1974年第五代数控系统微型计算机数控系统开始出 现。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 六、数控机床的发展过程

29、(国内情况) 1958年研制出第一代数控系统产品。 1966年研制出第二代数控系统产品。 1972年研制出第三代数控系统产品。 1975年我国的数控系统发展进入了第四代。 1979年10月欧洲国际机床展览会在意大利工业中心米兰 举行，展览会上首次展出了我国和其他国家共同制造的计算 机数控机床，说明我国的数控系统也进入了第五代。 国家六五、七五、八五、九五科技攻关“数控机床国产 化” ! 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 二、数控系统的组成 数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该控制 系统称为计算机数控系统。 计算机数控系统具有数控系统一般组成形式的各个部分。 此

30、外，还可以通过其他方式获得数控加工程序。 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 三、数控系统中的有关约定 数控加工程序的格式 数控加工程序是用以描述机床加工过程的程序 例如：N010 G01 X60 Y40 F60 S800 T01 M03 LF 第第1 1次授课：次授课：第一节第一节 基本概念基本概念 四、数控系统的分类(按运动轨迹分) 直线数控系统 不仅要控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点， 还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹，但轨迹一般为与 某坐标轴平行的直线，也可以为与坐标轴成45夹角的斜线， 但不能为任意斜率的直线，且可一边移动一边切削加工，因 此其辅助功能也比点位数控系统多一些。例如：它可 能被要求具有主轴转速控制、进给速 度控制