项目1数控系统基础知识

1、 数控原理与系统数控原理与系统 2015.3.2本课程为考查课目录目录 数控系统基础知识数控系统基础知识 数控系统的插补原理与数据处理数控系统的插补原理与数据处理 计算机数控装置计算机数控装置 数控机床常用检测装置数控机床常用检测装置 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 PLCPLC在数控机床中的应用在数控机床中的应用 2 2课时课时6 6课时课时6 6课时课时8 8课时课时6 6课时课时6 6课时课时 1.11.1数控系统的组成及工作原理数控系统的组成及工作原理1.1.11.1.1数控机床的产生背景数控机床的产生背景汽车、发电机、家电等行业：批量定型产品的生产采用了自动机床、组合机床和专用

2、自动生产线，实行自动流水作业。造船、航天、机床、重型机械以及军工行业：品种多，加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂且精度要求高，普通机床自动化程度低，生产效率和加工精度都难以提高，尤其是一些复杂曲向，甚至无法加工。1.1.21.1.2数控的概念和发展数控的概念和发展（1）GB/T 8129-1997机床数字控制术语 数字控制（NC Numerical Control）：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断地引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。（2）数控机床（ NC machine tools）：若机床的操作命令以数值数据的形式描述，工作过程按照规定的程序自动地进行，这种机床称为数控

3、机床。（3）数控系统：在数控机床行业中，数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。有时则仅指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。1.计算机数控的概念 数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低，发展到了第五代以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低，价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题。价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题。 1946年世界上诞生了第一台电子计算机。 1952年在美国诞生了第一台

4、数控机床。从此，传统的机床产生了质的变化。2.计算机数控的发展我国数控机床的发展我国数控机床的发展第一阶段：1958-1979 起步第二阶段：1979-1989 进口第三阶段：1989-至今 快速发展 1958年在我国研制出第一台数控机床。 数控系统是机电一体化设备，由输入输出装置、数控装置、伺服驱动系统、反馈系统、辅助控制系统、机床本体组成。计算机数控系统组成框图1.1.3组成及工作原理组成及工作原理1.数控系统的组成（1）输入输出装置）输入输出装置 人与机床建立联系的主要途径，是进行人机信息交流和对话的交互设备。 输入装置的作用：将程序载体上的数控代码变成相应的电信号，传送并存入数控装置内

5、。 常用的输入装置：键盘、磁盘驱动器、光电阅读机、计算机通信接口等。其相应的载体为磁盘、穿孔纸带等。 常见的输出装置：显示器。液晶显示器MDI键盘“急停”按钮功能键机床控制面板(MCP)机床控制面板MCP（2）数控装置）数控装置 数控装置是数控机床的核心，数控机床的所有控制功能都由它来控制实现。 数控装置的作用：接收由加工程序、控制面板、反馈系统等送来的信息，经处理和分配后，向各驱动机构发出位置、速度等指令，驱动相应对象执行规定命令。在执行过程中，驱动、检测等机构的有关信息反馈给数控装置，经处理后发出新的执行命令。（3）伺服驱动系统）伺服驱动系统 伺服驱动系统是执行数控装置所发指令的驱动机构，

6、是数控系统与机床主体的联系纽带。 伺服驱动系统的作用：将从数控装置输出的微弱电信号，经功率放大器等电子器件，放大为较强的电信号，然后将上述数字量信息转换成模拟量信息，从而驱动执行电动机带动机床运动部件按给定的速度和位置进行运动。（4）反馈系统）反馈系统 反馈系统的作用：将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号并反馈到数控装置中，使数控装置判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令纠正所产生的误差。（5）辅助控制装置）辅助控制装置 辅助控制装置的作用：接收CNC单元输出的主运动换向、变速、起停、刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判别、运

7、算和功率放大后直接驱动相应的电器，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。 机床上的限位开关等开关信号经辅助控制装置处理后送CNC单元进行处理。 可编程序控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改，并可直接驱动机床电器，现已广泛作为数控机床的辅助控制装置。 PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求。 它接受CNC装置的控制代码M(辅助功能)、S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开、关等一些辅助动作； 它还接受机床操作面板的指令

8、，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。 机床本体即数控机床的机械部件，包括： 主运动部件； 给进运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）； 支承部件（床身立柱等）。 辅助装置： 具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的装置。 加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。 数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。（6）机床本体）机床本体2.数控系统的

9、工作原理1）数字控制（）数字控制（Numerical Control）是一种自动控制技术，是用数字）是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。化信号对控制对象加以控制的一种方法。 2）数字控制系统中的控制信息是数字量，模拟控制系统中的控制信息）数字控制系统中的控制信息是数字量，模拟控制系统中的控制信息是模拟量。是模拟量。 3）数字控制特点：）数字控制特点： 1、可用不同的字长表示不同精度的信息，信息表达准确。、可用不同的字长表示不同精度的信息，信息表达准确。 2、可进行逻辑运算和数字运算，也可以进行复杂的信息处理。、可进行逻辑运算和数字运算，也可以进行复杂的信息处理。 3

10、、可用软件来改变信息处理的方式或过程，具有很大的、可用软件来改变信息处理的方式或过程，具有很大的“柔性柔性”。 信息和指令的基本内容：各坐标轴的进给速度、进给方向、进给位移量，以及各状态控制的I/O信号等。加工程序的生成方法：（1）手工编程（2）CAD/CAM（3）人机对话程序输入至数控系统中的方法：（1）键盘输入方式MDI（2）穿孔纸带（3）软盘驱动器（4）通信接口1.21.2数控机床的分类数控机床的分类 1）金属切削类机床。 如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。1.2.11.2.1按工艺用途分类按工艺用途分类2）金属成型类机床。 如数控折弯机、数控弯管机、数控回

11、转头压力机等。3）数控特种加工机床。 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。4）其他类型的数控机床。 如火焰切割机、数控三坐标测量机等。 1） 点位控制系统点位控制系统 刀具从一个坐标点移动到另一坐标刀具从一个坐标点移动到另一坐标点，过程中点，过程中不进行切削不进行切削。 2） 点位直线控制系统点位直线控制系统 实现平行坐标轴的直线加工或沿实现平行坐标轴的直线加工或沿与坐标轴成与坐标轴成45斜线进行直线切削，斜线进行直线切削，但但不能沿任意斜率不能沿任意斜率的直线加工。的直线加工。 3） 轮廓控制数控系统轮廓控制数控系统 控制整个加工过程控制整个加工过程每一点的速度每一点的

12、速度与位移量与位移量，将零件加工成一定的轮，将零件加工成一定的轮廓形状。廓形状。1.2.21.2.2按运动方式分类按运动方式分类1）开环控制系统）开环控制系统2）闭环控制系统）闭环控制系统1.2.31.2.3按控制方式分类按控制方式分类3）半闭环控制系统）半闭环控制系统 1）经济型数控系统又称简易数控系统）经济型数控系统又称简易数控系统2）普及型数控系统又称全功能数控系统）普及型数控系统又称全功能数控系统3）高档型数控系统）高档型数控系统（1）分辨率和进给速度）分辨率和进给速度 分辨率分辨率 : 高高 0.5m 中中 1 m 低低 10 m 进给速度进给速度 : 高高 大于大于30m/min

13、中中 1530m/min 低低 815m/min （2）伺服系统伺服系统 ： 高高 闭环半闭环、交流伺服电机闭环半闭环、交流伺服电机 中中 闭环半闭环、交流伺服电机闭环半闭环、交流伺服电机 低低 开环、步进电机开环、步进电机1.2.41.2.4按数控机床的功能水平分类按数控机床的功能水平分类1.3微机数控系统微机数控系统按使用的微机及机构可分为：按使用的微机及机构可分为： 单微处理机单微处理机 多微处理机多微处理机按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为： 大板结构大板结构 模块化结构模块化结构按总体安装结构可分为：按总体安装结构可分为： 整体式结构整体式结构 分体式结构分体式结构1

14、.3.1微机数控系统的硬件构成微机数控系统的硬件构成（1）单微处理机结构）单微处理机结构整个整个CNC装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。功能。主从结构，系统中只有一个主从结构，系统中只有一个CPU(称为主称为主CPU)对系统的资对系统的资源有控制和使用权，其它带源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称

15、之为主从结构。需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。1.单微处理机结构和多微处理机结构单微处理机结构和多微处理机结构（2）多微处理机结构）多微处理机结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器（由硬件和软件组成）来解决总线争总线仲裁器（由硬件和软件组成）来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。用问题，通过公共存储器来进行信息交换。 特点：特点： 能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实

16、现较复杂的系统功能。可以实现较复杂的系统功能。 容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。重组仍可断继续工作。 结构形式结构形式： 共享总线结构型、共享存储器结构型。共享总线结构型、共享存储器结构型。共享存储器结构共享存储器结构显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并 行 接 口反馈脉冲处理EPROMEPROMRAM/EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器X Y Z C W结构特征：结构特征：o 面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实面向公共存储器来设计的，即采用多端口

17、来实现各主模块之间的互连和通讯，现各主模块之间的互连和通讯，o 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。多端口存储器冲突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口存储器（双端口RAM）。）。FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)P

18、LC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构系统硬件结构共享总线型结构共享总线型结构 结构特征：结构特征： 功能模块分为带有功能模块分为带有CPU或或DMA的主模块和的主模块和从模块（从模块（RAM/ROM，I/O模块）；模块）； 以系统总线为中心，所有的主、从模块都以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；插在严格定义的标准系统总线上； 采用总线仲裁机构采用总线仲裁机构(电路电路)来裁定多个模块同来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。时请求使用系统总线的竞争问题。（1 1）大板式结

19、构）大板式结构 CNC CNC装置由主电路板、图形控制板、装置由主电路板、图形控制板、PLCPLC板、位置板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。印刷板插槽内。2.大板式结构与功能模块式结构大板式结构与功能模块式结构（2 2）功能模块式结构）功能模块式结构 将将CPUCPU、存储器、输入输出控制、位置检测、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个

20、功能模块。将各功能模块连接控制单元块形成一个功能模块。将各功能模块连接控制单元母板构成母板构成CNCCNC装置。装置。（1 1）整体式结构）整体式结构 把把CRTCRT和和MDIMDI面板、操作面板及功能模块板组成的面板、操作面板及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。电路板等安装在同一机箱内。3.整体式结构和分体式结构整体式结构和分体式结构（2 2）分体式结构）分体式结构 把把CRTCRT和和MDIMDI面板、操作面板等做成一个部件，把面板、操作面板等做成一个部件，把功能模块板组成的电路板安装在一个机箱内，两者之功能模块板组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。间用导线或

21、光纤连接。 CNC CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由该操作系统由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软件两部分组成。控制软件两部分组成。操作系统操作系统管理软件管理软件控制软件控制软件零零件件程程序序管管理理显显示示处处理理输输入入输输出出管管理理机机床床输输入入输输出出位位置置控控制制故故障障诊诊断断处处理理插插补补运运算算主主轴轴控控制制编编译译处处理理刀刀具具补补偿偿.1.3.2微机数控系统的软件组成微机数控系统的软件组成1.输入程序（1）输入输入到CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。输

22、入方式有光电阅读机纸带输入、磁盘输入、键盘输入、磁带输入、开关量输入和连接上一级计算机的CNC接口输入。从CNC装置的工作方式看，分为存储工作方式输入和NC工作方式输入。（2）译码将输入的数控加工程序翻译成CNC装置能识别的代码形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。 （3）数据处理一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。速度计算式解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。 2.插补运算及位置控制程序插补运算程序完成NC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉

23、冲分配功能。脉冲分配包括点位、直线及曲线三个方面。插补计算是实时性很强的程序，要尽可能减少该程序中的指令条数，即缩短进行一次插补运算的时间。有些系统采用粗插补和精插补相结合的方法。位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用差值去控制进给电机。3.速度控制程序速度指令以两种方式给出：一种是以每分钟进给量（或代码）给出；另一种是以主轴每转毫米数给出。速度控制可以用两种方法实现：一种是用软件方法，另一种用定时计数电路由外部时钟计数运用中断方法来实现。4.系统管理程序5.诊断程序1.控制功能 数控系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制

24、轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。2.准备功能 即G指令代码，用来指定机床运动方式的功能。3.插补功能 数控系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。数控系统的插补功能实际上分为粗插补和精插补，插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。1.3.3数控系统的功能数控系统的功能4.进给功能 采用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度。同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度。进给倍率 操作面板上设置

25、了进给倍率开关，倍率可以在 0-200%之间变化，每挡间隔10%。5.主轴功能转速的编码方式。一般用S指令代码指定，一般用地址符S后加两位数字或四位数字表示，单位分别为r/min和mm/min。指定恒定线速度。主轴定向准停。6.辅助功能 用M指令代码表示，用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量控制。7.刀具功能 用来选择所需的刀具，刀具功能是以地址符T为首，后面跟两位或四位数字，代表刀具的编号。8.补偿功能 补偿功能是通过输入到数控系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。刀具的尺寸补偿，如刀具长度补偿、刀具半

26、径补偿和刀尖圆弧补偿。丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或热变形补偿。9.字符、图像显示功能 10.自诊断功能 11.通信功能 12.人机交互图形编辑功能 广泛地应用广泛地应用微机资源微机资源 小型化小型化以满足机电一体化的要求以满足机电一体化的要求 改善改善人机接口人机接口，方便用户使用，方便用户使用 提高数控系统产品的提高数控系统产品的成套性成套性 研究开发研究开发智能型智能型数控系统数控系统 根据市场需要，开发根据市场需要，开发适销对路适销对路的数控产品的数控产品 开发开发新新的数控的数控产品产品 1.3.4数控系统的发展趋势数控系统的发展趋势1.4数控系统与现代制造系统数控系统与现代制造

27、系统 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）克服了传统的刚性自动化生产线只能适用于大量生产的局限性，体现了对中小批量、多品种生产的适用性，提高了制造过程的柔性和质量，提高了设备的利用率，缩短了生产周期，也提高了企业对市场需求变化的响应速度和竞争能力。 柔性相对于刚性而言，可表述为两个方面： 1）系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量； 2）系统适应内部变化的能力，用在有干扰情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量柔性。 根据“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义，FMS被定义为：

28、“柔性制造系柔性制造系统（统（Flexible Manufacturing System，简称，简称FMS）是数）是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。动化制造系统。它包括多个柔性制造单元柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。” 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站柔性工作站和集成物集成物料运储装置料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。”FMS的定义的定义 193

29、0年德国首先提出“模块化构造”的设计方法。 1977年日本开始研制柔性加工单元（FMC），明确地引进了模块化构造的概念：按不同功能制造模块，其独立性很强，模块化的功能单元可独立运转，整个控制系统是由上述模块组成的多级系统。 模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代制造技术之间的关系时相辅相成、互相支持的。 1.4.1柔性制造模块（柔性制造模块（FMM） 柔性制造模块（Flexible Manufacturing Module）是一台扩展了许多自动化功能（如托盘交换器、托盘库或料库、刀库、上下料机械手等）的数控加工设备，是最小规模的柔性制造设备。 由单台CNC机床配以工件自动装卸装置

30、组成。 可有多种不同形式的组合。如加工箱体零件的加工中心： 配以托盘交换器（APC）； 配以多托盘运载交换器（APM）组成； 配以工件托盘存放站，中间通过机器人传递、装卸工件。 本身可独立运行，但不具备工件、刀具的供应管理功能，没有生产调度功能。 柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）包括1-2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存储设备。 能完成整套工艺操作，并在毛坯和工具储量保证的情况下独立工作，并具有一定的生产调度能力，能适应加工多品种产品。 柔性最高，已进入普及应用阶段。1.4.2柔性制造单元（柔性制造单元（FMC） 柔性制造系统（Flexible

31、 Manufacturing System）包括4台或更多的数控加工设备、FMM或FMC，是规模更大的FMC或由FMC为子系统构成的系统。 由集中的控制系统及物料系统连接起来，可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。 是使用柔性制造技术最具代表性的控制制造自动化系统。1.4.3柔性制造系统（柔性制造系统（FMS） 系统由计算机控制和管理，系统采用了NC控制为主的多台加工设备和其他生产设备；系统中的加工设备和生产设备通过物料输送装置连接。FMS的基本组成的基本组成柔性具体体现在以下几个方面：柔性具体体现在以下几个方面： 1、设备柔性、设备柔性 2、工艺柔性、工艺柔性 3、产品柔性、产品柔性 4、工序柔性、工序柔性 5、运行柔性、运行柔性 6、批量柔性、批量柔性 7、扩展柔性、扩展柔性 8、生产柔性、生产柔性