有关数控系统一些基本概念

1、有关数控系统一些基本概念 一、数控系统的基本概念一、数控系统的基本概念 （1 1）数控）数控 数控是数字控制的简称，其含义如下。数控是数字控制的简称，其含义如下。 广义：利用数字化信息并采用数字控制技术对一个进行控制。广义：利用数字化信息并采用数字控制技术对一个进行控制。 狭义：利用数字化信息并采用数字控制技术对机床运动轨迹和狭义：利用数字化信息并采用数字控制技术对机床运动轨迹和 机床工作状态进行控制。机床工作状态进行控制。 有关数控系统一些基本概念 （2 2）数字控制系统（数控系统）数字控制系统（数控系统） 广义：利用数字化信息并采用数字控制技术对一个生产过程进广义：利用数字化信息并采用数字

2、控制技术对一个生产过程进 行自动控制的系统。行自动控制的系统。 狭义：利用数字化信息并采用数字控制技术对机床工作过程进狭义：利用数字化信息并采用数字控制技术对机床工作过程进 行控制的系统。行控制的系统。 有关数控系统一些基本概念 数字控制系统的一般工作过程如下。数字控制系统的一般工作过程如下。 首先，用户采用某种编程语言来描述系统工作过程，既编写程首先，用户采用某种编程语言来描述系统工作过程，既编写程 序，并以数字形式送入数字控制装置中。序，并以数字形式送入数字控制装置中。 其次，数控装置通过数据计算和处理快速识别出该程序所描述其次，数控装置通过数据计算和处理快速识别出该程序所描述 的工作过程

3、并将程序分解为一系列的实际控制信号。的工作过程并将程序分解为一系列的实际控制信号。 最后，数控装置输出实际控制信号使相应的执行部件产生相应最后，数控装置输出实际控制信号使相应的执行部件产生相应 的动作。的动作。 可见数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成的。可见数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成的。 有关数控系统一些基本概念 （3）数控机床）数控机床 数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。 根据机床本体的不同类型，数控机床也被分为相应的类型。根据机床本体的不同类型，数控机床也被分为相应的类型。 例如：数控车床、数控铣床、数控

4、加工中心等等。例如：数控车床、数控铣床、数控加工中心等等。 数数控机床是典型的机电一体化产品。控机床是典型的机电一体化产品。 （4）本课程内容）本课程内容 以机床为控制对象的数控系统的一般原理。以机床为控制对象的数控系统的一般原理。 西门子西门子802D系统的基本原理。系统的基本原理。 有关数控系统一些基本概念 数控加工程序数控加工程序 二、数控系统的组成二、数控系统的组成 数控系统的一般组成如下图所示，其中机床本体为被控对象。数控系统的一般组成如下图所示，其中机床本体为被控对象。 输入输入 输出输出 装置装置 数控装置数控装置 伺服系统伺服系统 机床电器控制装置机床电器控制装置 机机 床床

5、本本 体体 有关数控系统一些基本概念 （1 1）数控加工程序）数控加工程序 数控加工程序是指从外部输入并描述了机床加工过程的程序。数控加工程序是指从外部输入并描述了机床加工过程的程序。 数控系统将严格按照数控加工程序对工件进行自动加工。数控系统将严格按照数控加工程序对工件进行自动加工。 数控加工程序记载了机床加工所需要的各种信息，包括：数控加工程序记载了机床加工所需要的各种信息，包括： 轨迹信息：几何形状和几何尺寸。轨迹信息：几何形状和几何尺寸。 工艺信息：进给速度、主轴转速、刀具号和刀具补偿号等。工艺信息：进给速度、主轴转速、刀具号和刀具补偿号等。 开关命令：主轴正反转、换刀、开开关命令：主

6、轴正反转、换刀、开/ /关切削液和装关切削液和装/ /卸工件等等。卸工件等等。 数控加工程序被记录在各种信息载体上，主要有穿孔纸带、磁带、数控加工程序被记录在各种信息载体上，主要有穿孔纸带、磁带、 磁盘和各种半导体存储器等。磁盘和各种半导体存储器等。 有关数控系统一些基本概念 （2 2）输入输出装置）输入输出装置 输入装置将数控加工程序和其他数字信息输入给数控装置。输入装置将数控加工程序和其他数字信息输入给数控装置。 输出装置输出或显示数控装置的内部信息。输出装置输出或显示数控装置的内部信息。 常见的输入输出装置：纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘和显示器、常见的输入输出装置：纸带阅读机、磁盘驱动器

7、、键盘和显示器、 通信接口等。通信接口等。 有关数控系统一些基本概念 （3 3）数控装置）数控装置 数控装置是数控系统的核心，其主要功能是：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，并对解释结果进行数据计算和正确识别和解释数控加工程序，并对解释结果进行数据计算和 逻辑处理，从而将数控加工程序分解为一系列的实际控制信号，使逻辑处理，从而将数控加工程序分解为一系列的实际控制信号，使 系统中相应的执行部件执行相应的动作。系统中相应的执行部件执行相应的动作。 有关数控系统一些基本概念 数控装置将数控加工程序转换为两种类型的控制信号。数控装置将数控加工程序转换为两种类型的控制

8、信号。 1 1）伺服控制量：送往伺服驱动装置，产生插补运动。）伺服控制量：送往伺服驱动装置，产生插补运动。 2 2）开关控制量：送往机床电器逻辑控制装置，产生开关动作。）开关控制量：送往机床电器逻辑控制装置，产生开关动作。 有关数控系统一些基本概念 数控装置有两种形式。数控装置有两种形式。 1 1）硬件数控装置（）硬件数控装置（NCNC装置）：由数字逻辑硬件电路构成，其装置）：由数字逻辑硬件电路构成，其 数控功能由硬件逻辑电路实现。数控功能由硬件逻辑电路实现。 2 2）计算机数控装置（）计算机数控装置（CNCCNC装置）：由计算机构成，其数控功能装置）：由计算机构成，其数控功能 由硬件和软件来

9、共同实现。由硬件和软件来共同实现。 有关数控系统一些基本概念 （4）伺服系统（伺服驱动装置）伺服系统（伺服驱动装置） 伺服系统位于数控装置和机床本体之间，包括进给轴伺服驱动装伺服系统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。置和主轴伺服驱动装置。 进给轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的位置控制命令和速度进给轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的位置控制命令和速度 控制命令驱动机床工作台进行坐标运动。控制命令驱动机床工作台进行坐标运动。 主轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的速度控制命令驱动机床主轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的速度控制命令驱动机床 主轴以指定的转速旋转

10、。主轴以指定的转速旋转。 有关数控系统一些基本概念 （5）机床电器控制装置机床电器控制装置 机床电器控制装置位于数控装置和机床本体之间，其主要功能为：机床电器控制装置位于数控装置和机床本体之间，其主要功能为： 接收数控装置发出的开关命令，实现相应的开关动作。接收数控装置发出的开关命令，实现相应的开关动作。 例如机床主轴的选速、起停和方向控制，换刀装置的换刀控制，例如机床主轴的选速、起停和方向控制，换刀装置的换刀控制， 工件装夹系统的装工件装夹系统的装/ /卸控制，冷却、液压、气动、润滑系统的逻辑控卸控制，冷却、液压、气动、润滑系统的逻辑控 制以及机床的其他辅助功能。制以及机床的其他辅助功能。

11、机床电器控制装置的具体形式有两种：一是继电器控制装置；二机床电器控制装置的具体形式有两种：一是继电器控制装置；二 是可编程逻辑控制器。是可编程逻辑控制器。 有关数控系统一些基本概念 （6 6）机床本体）机床本体 根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、 磨床、加工中心以及电加工机床等等。磨床、加工中心以及电加工机床等等。 （7 7）辅助装置）辅助装置 数控机床配置有各种辅助装置，以配合机床的零件加工。数控机床配置有各种辅助装置，以配合机床的零件加工。 传统的机床辅助装置：切削液处理装置、气动液动装置等等。传统的机床辅助

12、装置：切削液处理装置、气动液动装置等等。 数控机床特有的辅助装置：对刀仪、自动编程器、自动排屑器、数控机床特有的辅助装置：对刀仪、自动编程器、自动排屑器、 物料储运及上下料装置等等。物料储运及上下料装置等等。 有关数控系统一些基本概念 当数控系统的数控装置采用计算机数控装置（当数控系统的数控装置采用计算机数控装置（CNCCNC装置）时，此系装置）时，此系 统就称为计算机数控系统。统就称为计算机数控系统。 计算机数控系统由硬件和软件来共同完成数控功能，其基本组成计算机数控系统由硬件和软件来共同完成数控功能，其基本组成 如下图所示。如下图所示。 有关数控系统一些基本概念 信息载体信息载体 输入装置

13、输入装置 CNC装置装置 主轴主轴 控制单元控制单元 可编程控制器可编程控制器 （PLC） 主轴电机主轴电机 编程器编程器 通信线路通信线路 CAD /CAM 系统系统 上位机上位机 输出装置输出装置 机床机床 进给电机进给电机 位置位置 检测器检测器 速度速度 控制单元控制单元 有关数控系统一些基本概念 现代计算机数控系统具有如下特点：现代计算机数控系统具有如下特点： 除了读取信息载体，还可通过其他方式获得数控加工程序。除了读取信息载体，还可通过其他方式获得数控加工程序。 例如通过键盘方式输入和编辑数控加工程序，通过通信方式输入例如通过键盘方式输入和编辑数控加工程序，通过通信方式输入 自动编

14、程器、自动编程器、CAD/CAMCAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。系统或上位机所提供的数控加工程序。 可以实现硬件数控装置难以完成的诸多功能。可以实现硬件数控装置难以完成的诸多功能。 例如：图形模拟显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制算法和补例如：图形模拟显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制算法和补 偿算法的实现，通信和网络功能等等。偿算法的实现，通信和网络功能等等。 有关数控系统一些基本概念 取代了传统的继电器控制线路，采用可编程控制器来实现数取代了传统的继电器控制线路，采用可编程控制器来实现数 控机床的逻辑控制。控机床的逻辑控制。 PLCPLC可位于数控装置之外，称为独立型可位于

15、数控装置之外，称为独立型PLCPLC；也可以与数控装置合；也可以与数控装置合 为一体，称为内装型为一体，称为内装型PLCPLC。 有关数控系统一些基本概念 三、数控系统中的有关约定三、数控系统中的有关约定 （一）数控加工程序所采用的编码（一）数控加工程序所采用的编码 数控加工程序总是保存在某种信息载体上的，在这个载体中组成数控加工程序总是保存在某种信息载体上的，在这个载体中组成 数控加工程序的字母、数字和其它各种符号都是以某种编码的形式来数控加工程序的字母、数字和其它各种符号都是以某种编码的形式来 表示的。表示的。 在数控系统中常用的编码有以下三种。在数控系统中常用的编码有以下三种。 有关数控

16、系统一些基本概念 （1 1）ASCIIASCII编码编码 在数控系统的存储器中，数控加工程序通常以在数控系统的存储器中，数控加工程序通常以ASCIIASCII编码形式来编码形式来 保存。在计算机数控系统中，数控加工程序文件实质上就是保存。在计算机数控系统中，数控加工程序文件实质上就是ASCIIASCII编编 码形式的文本文件。码形式的文本文件。 ASCIIASCII编码是七位二进制编码，可表示编码是七位二进制编码，可表示128128个字符。个字符。 有关数控系统一些基本概念 （2 2）ISOISO编码和编码和EIAEIA编码编码 在保存数控加工程序的纸带中，通常采用这两种编码。在保存数控加工程

17、序的纸带中，通常采用这两种编码。 ISOISO编码是八位二进制编码，它是在编码是八位二进制编码，它是在ASCIIASCII编码的基础上，在最编码的基础上，在最 高位增加一个补偶位形成的，因此可表示高位增加一个补偶位形成的，因此可表示128128个字符。个字符。 EIAEIA编码也是八位二进制编码，但其第五位为补奇位，最高位只编码也是八位二进制编码，但其第五位为补奇位，最高位只 有有“程序段结束符程序段结束符”CRCR用到，因此可表示用到，因此可表示6464个字符。个字符。 有关数控系统一些基本概念 （二）数控机床坐标系（二）数控机床坐标系 为精确控制机床移动部件的运动，在数控机床系统中需要建立

18、起为精确控制机床移动部件的运动，在数控机床系统中需要建立起 相应的坐标系，为此国家标准和国际标准都做出了相应的规定。相应的坐标系，为此国家标准和国际标准都做出了相应的规定。 有关数控系统一些基本概念 （1 1）标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系）标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系 这个坐标系一共包含了以下这个坐标系一共包含了以下6 6根轴。根轴。 +Y +B +X +A +Z +C 有关数控系统一些基本概念 X X、Y Y、Z Z轴轴 ：直线运动轴，分别表示三个方向的直线运动，：直线运动轴，分别表示三个方向的直线运动， 这三个运动方向遵循右手法则。这三个运动方向遵循右手

19、法则。 A A、B B、C C轴轴 ：旋转运动轴，分别表示围绕：旋转运动轴，分别表示围绕X X、Y Y、Z Z轴的旋转轴的旋转 运动，运动方向遵循右手螺旋法则。运动，运动方向遵循右手螺旋法则。 这这6 6根坐标轴的坐标轴方向是指刀具相对于工件的运动方向，正根坐标轴的坐标轴方向是指刀具相对于工件的运动方向，正 方向一般取为刀具离开工件的运动方向。方向一般取为刀具离开工件的运动方向。 有关数控系统一些基本概念 （2 2）机床坐标系还包括了）机床坐标系还包括了 XX、YY、ZZ、AA、BB、C6C6根坐标根坐标 轴，见下图所示。轴，见下图所示。 X X、Y Y、Z Z、A A、B B、C C 表示刀

20、具相对于工件的运动方向表示刀具相对于工件的运动方向 XX、YY、ZZ、AA、BB、CC表示工件相对于刀具的运动方向。表示工件相对于刀具的运动方向。 有关数控系统一些基本概念 +Y +B +X+A +Z +C +Y +B +X +A +Z +C 有关数控系统一些基本概念 （3 3）Z Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，其正方向为从工件到刀具轴为平行于机床主轴的坐标轴，其正方向为从工件到刀具 夹持点的方向。夹持点的方向。 （4 4）X X轴为水平的、平行于工件装夹平面的轴。轴为水平的、平行于工件装夹平面的轴。 （5 5）当）当X X轴和轴和Z Z轴确定后，按右手直角坐标系规则即可确定轴确定后，按右手直

21、角坐标系规则即可确定Y Y轴。轴。 有关数控系统一些基本概念 X Y Y X Z 有关数控系统一些基本概念 （三）数控机床中的一些（三）数控机床中的一些“点点” 数控机床中存在着多种坐标系，包括机床坐标系、工件坐标系数控机床中存在着多种坐标系，包括机床坐标系、工件坐标系 （编程坐标系）、绝对坐标系和相对坐标系等。（编程坐标系）、绝对坐标系和相对坐标系等。 为确定各坐标系的原点位置，首先必须了解在数控机床系统中为确定各坐标系的原点位置，首先必须了解在数控机床系统中 的一些点的概念的一些点的概念。 有关数控系统一些基本概念 （1）机床零点）机床零点M （机床原点、机械原点）（机床原点、机械原点）

22、机床坐标系的原点，其位置由数控机床制造厂家确定。机床坐标系的原点，其位置由数控机床制造厂家确定。 有关数控系统一些基本概念 （2）工件零点）工件零点W（工件原点、编程原点）（工件原点、编程原点） 为便于编写数控加工程序，编程人员可以在工件上定义自己的坐为便于编写数控加工程序，编程人员可以在工件上定义自己的坐 标系，称为工件坐标系，工件坐标系的原点就称为工件零点。标系，称为工件坐标系，工件坐标系的原点就称为工件零点。 有关数控系统一些基本概念 工件零点具有以下特点。工件零点具有以下特点。 在一个工件上可以定义多个工件坐标系，因此工件上可以有在一个工件上可以定义多个工件坐标系，因此工件上可以有 多

23、个工件原点。多个工件原点。 数控系统数控系统通过存储通过存储工件原点相对于机床原点的位置偏移值来工件原点相对于机床原点的位置偏移值来 存储一个工件坐标系。存储一个工件坐标系。 由于工件在工作台或夹具上的位置不固定，因此工件原点相由于工件在工作台或夹具上的位置不固定，因此工件原点相 对于机床原点的位置也是不固定的，因此工件零点有时也被称为浮对于机床原点的位置也是不固定的，因此工件零点有时也被称为浮 动原点。动原点。 在数控加工程序中可以通过使用在数控加工程序中可以通过使用G代码代码 (G54 G59)来指定来指定 工件原点相对于机床原点的位置偏移量。工件原点相对于机床原点的位置偏移量。 有关数控

24、系统一些基本概念 （3 3）刀架相关点）刀架相关点C C 刀架相关点是刀架上用于测量刀具参数的一个固定位置点。刀架相关点是刀架上用于测量刀具参数的一个固定位置点。 刀具参数就是刀具切削点相对于刀架相关点的位置偏移量，如刀具参数就是刀具切削点相对于刀架相关点的位置偏移量，如 下图所示。下图所示。 有关数控系统一些基本概念 C C L1 L2 兰色刀的刀具参数：兰色刀的刀具参数：L1，L2 红色刀的刀具参数：红色刀的刀具参数：0，0 有关数控系统一些基本概念 数控加工程序中所指定的坐标值是指刀具切削点的坐标。数控加工程序中所指定的坐标值是指刀具切削点的坐标。 加工开始后系统根据指定的刀具切削点坐标

25、和刀具参数进行相加工开始后系统根据指定的刀具切削点坐标和刀具参数进行相 应的刀具补偿处理，计算出刀架相关点的位置，然后控制刀架相关应的刀具补偿处理，计算出刀架相关点的位置，然后控制刀架相关 点运动到计算位置，从而实现指定加工。点运动到计算位置，从而实现指定加工。 在加工过程中系统显示坐标值也是刀具切削点的坐标。在加工过程中系统显示坐标值也是刀具切削点的坐标。 当机床回参考点后，刀架相关点当机床回参考点后，刀架相关点C C将与机床参考点将与机床参考点R R重合。重合。 有关数控系统一些基本概念 （4 4）机床参考点）机床参考点R R（电气原点）（电气原点） 机床回参考点后刀架相关点机床回参考点后

26、刀架相关点C C所在的空间位置点。所在的空间位置点。 机床参考点机床参考点C C具有如下特点。具有如下特点。 机床参考点机床参考点R R是通过电子测量器件来精确测定的机床上的一是通过电子测量器件来精确测定的机床上的一 个固定点，通常位于机床运行范围的一个角上。个固定点，通常位于机床运行范围的一个角上。 机床参考点相对于机床原点的偏移量是一个固定值，可通机床参考点相对于机床原点的偏移量是一个固定值，可通 过修改机床参数来确定。过修改机床参数来确定。 通过回参考点操作，可以精确测定出机床参考点通过回参考点操作，可以精确测定出机床参考点R R和机床原和机床原 点点M M的位置，从而标定出数控机床的坐

27、标系统。的位置，从而标定出数控机床的坐标系统。 有关数控系统一些基本概念 （四）绝对坐标系和相对坐标系（四）绝对坐标系和相对坐标系 在编写数控加工程序时，编程人员可以使用绝对坐标系或相对坐在编写数控加工程序时，编程人员可以使用绝对坐标系或相对坐 标系来指定加工坐标点。标系来指定加工坐标点。 绝对坐标系是指以某一固定位置点为坐标原点的坐标系。绝对坐标系是指以某一固定位置点为坐标原点的坐标系。 相对坐标系是指以当前运动轨迹起点为坐标原点的坐标系。相对坐标系是指以当前运动轨迹起点为坐标原点的坐标系。 有关数控系统一些基本概念 Y W ZMW YMR ZMR XMR X Y Z R M YMW XMW

28、 X Z 有关数控系统一些基本概念 有关数控系统一些基本概念 有关数控系统一些基本概念 四、数控系统的分类四、数控系统的分类 （一）按数控机床运动轨迹分类（一）按数控机床运动轨迹分类 （1 1）点位数控系统）点位数控系统 控制机床运动部件从一点准确移动到另一点（定位运动），在移控制机床运动部件从一点准确移动到另一点（定位运动），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控制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控制 要求。要求。 例如：数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。例如：数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。 有关数控系统一些基本概念 （2 2）直线数

29、控系统）直线数控系统 控制机床运动部件沿着平行于坐标轴的直线从一点准确移动到另一控制机床运动部件沿着平行于坐标轴的直线从一点准确移动到另一 点，在移动过程中进行加工，因此对两点间的移动速度有控制要求。点，在移动过程中进行加工，因此对两点间的移动速度有控制要求。 例如：简易数控车床。例如：简易数控车床。 有关数控系统一些基本概念 （3 3）轮廓数控系统）轮廓数控系统 同时对两个或两个以上进给轴的位移和速度进行相关控制，从而同时对两个或两个以上进给轴的位移和速度进行相关控制，从而 合成出平面或空间运动轨迹的系统。合成出平面或空间运动轨迹的系统。 例如：数控车床、数控铣床、加工中心等等。例如：数控车床、数控铣床、加工中心等等。 能够同时控制的进给轴数称为联动轴数。能够同时控制的进给轴数称为联动轴数。 有关数控系统一些基本概念 2 轴联动的轮廓加工轴联动的轮廓加工 有关数控系统一些基本概念 3 轴联动的轮廓加工 4 轴联动的轮廓加工 有关数控系统一些基本概念 5 轴联动的轮廓加工 有关数控系统一些基本概