数控系统概述

数控原理与系统NumericalControlPrinciple&System宿迁学院机电系数控教研室主讲：唐友亮

第一章数控系统概述本章主要内容：（1）简单介绍数控机床的基本概念、结构组成、分类方法、特点、发展过程；

（2）着重讲述计算机数控系统的基本工作原理、内部信息的处理过程及其各种功能；（3）简单介绍数控机床与现代机械制造系统之间的关系；《数控原理与系统》多媒体课件Introductionof

NumericalControlSystem

第一章数控系统概述目录第一节基本概念第二节计算机数控系统第三节数控机床与现代机械制造系统思考题与习题

一、数控系统的基本概念

1.数控

—数字控制的简称

2.数控系统

—用数字控制技术实现的自动控制系统

3.数控机床

—数控系统与机床本体的结合体

第一节基本概念

数控机床普通机床第一节基本概念

第一节基本概念图数控机床物理结构输入/输出装置数控装置驱动控制装置机床电器逻辑控制装置机床

二、数控系统的组成1.数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、驱动装置、机床电器逻辑控制装置四部组成，机床本体为被控对象。第一节基本概念

（1）输入/输出装置输入/输出装置

是CNC系统与外部设备进行交互装置。纸带阅读机纸带穿孔机磁盘驱动器光盘驱动器显示器键盘第一节基本概念

（2）数控装置输入/输出装置数控装置数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：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后，将各种控制信息按两类控制量分别输出：一类是连续控制量，送往驱动控制装置；另一类是离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。控制机床各组成部分按规定要求动作。

数控装置形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置，称作硬件数控装置(NC装置)，其数控功能由硬件逻辑电路实现；也可以是计算机数控装置(CNC装置)，其数控功能由硬件和软件共同完成。

第一节基本概念

（3）驱动装置驱动控制装置位于数控装置和机床之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴驱动装置。

主轴驱动装置主要由速度控制单元控制。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈节元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件。电动机可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机。第一节基本概念

（4）机床电器逻辑控制装置输入/输出装置数控装置驱动控制装置机床电器逻辑控制装置机床

机床电器逻辑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，换刀功能，工件装夹功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能及其他机床辅助功能。其形式可以是继电器控制线路或可编程序控制器(PLC)。

第一节基本概念

程序清单信息载体编程器CAD/CAM系统上位机程序清单通信线路输出装置计算机数字控制装置（CNC）可编程控制器(PLC)主轴控制单元速度控制单元主轴电机机床进给电机位置检测器2.计算机数控系统采用计算机数控装置的数控系统称为CNC。现代数控系统采用PLC代替传统的机床电器逻辑控制装置。第一节基本概念3.数控系统实例：Fanuc0i-C数控系统电源模块主轴模块伺服模块图中：数控装置（背面）正面：显示器、键盘机床I/O模块第一节基本概念

Fanuc0i-C数控系统主要部件第一节基本概念Fanuc0i-C数控系统的部件连接第一节基本概念三、数控系统中的有关约定1、数控加工程序结构和程序段格式N__G__X__Y__Z__F__S__T__M__LF*程序结构程序名

---O600程序段

---N001G90G01X200Y300F15S32T01M03LF---…………..LF----N003…………….LF程序结束----N__M02LF*程序段格式2、数控加工程序采用的编码ISO或者EIA第一节基本概念3、数控机床坐标系数控机床坐标轴及其方向的规定ISO标准坐标：“右手直角笛卡尔坐标系”第一节基本概念数控机床坐标和运动方向的有关规定Z轴：平行于主轴的直线，工件固定时远离工件的方向为正。X轴：水平方向，平行于工件装夹面Y轴：右手笛卡尔坐标系确定A、B、C：对应于X、Y、Z，右旋螺纹前进方向确定坐标轴坐标轴

4、机床原点的设置

机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。*数控车床的机床原点和数控铣床的机床原点在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。

第一节基本概念

5、机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。下图为数控车床的参考点与机床原点。

第一节基本概念

6.编程坐标系（工件坐标系）编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，为了编程方便，一律假定工件不动，刀具移动所设定的笛卡尔坐标。确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。如下图所示，其中O2即为编程坐标系原点。第一节基本概念

第一节基本概念7.编程坐标系与机床坐标系建立联系的方法

通过对刀操作使工件坐标系与机床坐标系之间建立对应关系。对刀操作之前必须回参考点以建立机床坐标系！第一节基本概念四、数控系统的分类

（一）按运动轨迹控制方式分类

（二）按伺服系统分类数控机床规格品种繁多，分类的方法较多，一般按照以下方法分类：（四）按加工工艺方法分类（三）按数控机床功能水平分类

（一）按运动轨迹控制方式分类

1.点位控制(PointtoPointControl)：点位控制严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关。第一节基本概念

2.（点位）直线控制

直线控制机床主要有简易数控车床、数控镗床等。第一节基本概念

3.轮廓控制(ContouringControl)：

轮廓控制机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。第一节基本概念五轴联动

（二）按伺服系统分类

1.开环控制数控机床指令脉冲步进驱动器

工作台步进电动机第一节基本概念2.半闭环控制数控机床指令值位置比较电路速度控制电路伺服电机工作台第一节基本概念3.全闭环控制数控系统指令值位置比较电路速度控制电路伺服电机速度反馈位置反馈AC工作台第一节基本概念

（三）按数控机床功能水平分类第一节基本概念

（四）按加工工艺方法分类第一节基本概念

五、数控机床的特点及适用范围1、数控机床的优点：2、数控机床的缺点：第一节基本概念

3、数控机床适用范围：

1、小批量而又轮番生产的零件；

2、几何形状复杂的零件；

3、需进行多种工序加工的零件；4、切削余量大的零件；

5、加工精度高的零件；

6、工艺设计会经常变化的零件；

7、贵重零件；

8、需全部检测的零件。第一节基本概念

六、数控机床的发展过程

第一节基本概念1、数控技术的产生1948年：麻省理工学院&帕森斯公司研制1952年：世界第一台三坐标数控铣床诞生1955年：投入实用阶段

注：该数控机床是在1946年计算机问世的前提下诞生的，数控系统由电子管构成且为硬线数控系统。

第一节基本概念2、数控技术的发展过程从NC发展到CNCMC（加工中心）的发展DNC（直接数字控制）的发展FMC（柔性制造单元）的发展FMS（柔性制造系统）的发展CIMS（计算机集成制造系统）的发展IMS（智能制造系统）的发展

第一节基本概念“六五”（1981~1985年）引进国外技术“七五”（1986~1990年）消化吸收“八五”（1991~1995年）科技攻关“九五”（1996~2000年）产业化攻关3、我国数控技术的发展1958年：开始进行数控机床研制（JCS-018）富

有

成

效

的

研

制

四

阶

段

第一节基本概念所取得的成果（达到当时世界先进水平）

“华中Ⅰ型”数控系统（华中科技大学）“中华Ⅰ型”数控系统（珠峰数控公司）“蓝天Ⅰ型”数控系统“航天Ⅰ型”数控系统4、数控技术的重要地位

“夕阳工业”学说汽

车

工

业

案例“东芝事件”案例

数

控

技

术

在

我

国

的

定

位：21世纪振兴我国机械行业的重要技术

夕阳工业论美国自然资源丰富,交通运输发达,科技力量雄厚,发展工业具有许多优势.美国是世界上的工业大国.目前,美国主要工业产品,如石油、电子产品、化工产品、汽车、飞机等的产量居世界前列。信息技术、宇航技术、生物工程技术、核能利用等的研制与开发，均居世界领先地位。

20世纪80年代以来，美国传统制造业面临新兴工业国家的激烈竞争，呈衰落状态，被称为“夕阳工业”。美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。

汽

车

工

业

例1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额1963年

东芝事件1987年5月27日，日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司铸造部部长林隆二和机床事业部部长谷村弘明。东芝机械公司曾与挪威康士堡公司合谋，非法向前苏联出口大型铣床等高技术产品，林隆二和谷村弘明被指控在这起高科技走私案中负有直接责任。此案引起国际舆论一片哗然，这就是冷战期间对西方国家安全危害最大的军用敏感高科技走私案件之一———东芝事件。

东芝事件——看看数控机床最风光的年代

克格勃从日本成功走私了一批高科技产品，大大降低了潜艇噪音，使美国海军难以追踪。“东芝事件”气坏美国朝野！（历史一页）

5、数控机床的发展方向第一节基本概念

一、数控系统的主要工作过程

轨迹插补、位置控制程序输入-加工信息预处理-开关量控制状态监控数据输入内部外部程序编辑器磁盘、计算机通信数控加工程序译码几何、工艺数据开关量控制PLC刀具交换、切削液开关等插补同步调节器反馈位置处理M:电动机W:位置传感器给定量：X第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统二、CNC系统硬件构成显示器数控面板机床操作面板数控装置微处理机领域的发展支持数控的发展，考虑数控机床的功能、自动化程度和加工精度，微机数控系统在硬件上有多种构成方式。例如，一个典型的中等性能（普及型）微机数控系统，可控制4个主轴、最多9个运动轴和相应的测量反馈环，其硬件构成有：

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统三、面板结构

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统

第二节计算机数控系统组成管理软件程序的输入输出显示通信

控制软件译码刀具补偿速度处理插补运算位置控制等四、CNC系统软件构成

第二节计算机数控系统五、信息流处理过程1、输入

把零件程序及有关参数经缓冲器存储到存储器

第二节计算机数控系统2、译码：进行代码的识别、功能代码的解译①代码识别是指将读入代码按内部码地址的不同进行处理②功能处理是指将代码识别的结果按功能再分类，转入相应的功能程序3、诊断：

对数控程序的语法进行检查、自动检查系统的故障，并指出故障发生的部位。

4、刀补偿计算:刀具长度补偿、刀具半径补偿

第二节计算机数控系统6、插补处理：作用是对加工轨迹的细化。早期：全部由硬件来完成，由硬件来实施完成速度及位置的分配。现在：软件插补+硬件插补由软件完成粗插补，将整个轨迹分成几个大段，再由硬件执行各段的细化。5、速度处理：进给速度计算、加/减速控制

目的是控制脉冲分配的速度，与插补计算方法有关；速度突变时，自动进行加减速控制。

第二节计算机数控系统7、位置控制：

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，用其差

值去控制进给电机。还要完成位置回路增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。

第二节计算机数控系统六、数控系统的核心功能1）准备功能（G功能orG指令）

用于建立机床的加工机能，分为模态代码和非模态代码2）进给功能（F功能）

表示进给速度，属于模态代码。在G01、G02、G03和循环指令程序段中，必须要有F指令，或者在这些程序段之前已经写入了F指令。进给功能用地址符F和其后1至5位数字表示，通常（F×××）表示。单位一般为mm/min，当进给速度与主轴转速有关时（如车削螺纹），单位为mm/r。

第二节计算机数控系统

3）辅助功能M（M功能）

PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，切削液的开、关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置，机械手取刀和归刀等运动。辅助功能通常用M00～M99的指令指定。CNC装置送出M代码进入PLC，经PLC的译码处理后，输出对应的开关量0或1来控制相应动作的开/关和启/停。

第二节计算机数控系统

4）主轴功能S

以往主轴转速用2位代码指定，而现在在PLC中可较容易地用4位或5位代码直接指定转速（单位为r/min）。CNC装置送出S代码进入PLC，经过PLC内的D／A变换和限位控制后，输出±10V模拟电压给主轴电动机伺服系统。如果S用二位代码编程(S00～S99)，则在D/A变换前还应经过译码、数据转换，00～99转换为对应的转速。为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩，调整转速范围，还可增加1～2级机械变速挡。主轴换挡一般通过PLC的M代码功能来实现。

第二节计算机数控系统

5）刀具功能T

PLC控制对加工中心自动换刀的管理带来了很大的方便。自动换刀控制方式有固定存取换刀方式和随机存取换刀方式，它们分别采用刀套编码制和刀具编码制。对于刀套编码的T功能处理过程是：CNC装置送出T代码进入PLC，PLC经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号在数据表中的地址，并与现行刀号进行判别比较，如不符合，则将刀库回转指令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位置时，刀库停止回转，并准备换刀。

七、数控系统的可选功能第二节计算机数控系统1）编程功能

2）加工模拟功能

3）监测和诊断功能

4）测量和校正功能

5）用户界面功能

6）通信功能7）单元功能

八、数控系统的先进功能1）半径编程

2）倒角功能

3）刀尖圆弧半径补偿

4）刀具寿命管理

5）镜像加工功能

6）自动交换工作台7）靠模加工与数据采集功能

8）恒线速度切削功能

9）动力刀具与c轴功能

10）子程序与用户宏程序功能

11）循环加工功能

12）跳步功能

13）自动工件检测功能14）螺纹加工中的特殊功能

第二节计算机数控系统

15）同步轴控制功能

16）先进伺服控制功能

17）逆动功能

18）比例缩放与坐标旋转功能

九、其他功能第二节计算机数控系统统计功能、加工程序的管理功能等

第三节数控机床与现代机械制造系统一、现代机械制造系统综述现代机械制造系统的主要是指机械制造自动化系统。目前，人们已经研制出多种机械制造自动化系统，不同的机械制造自动化系统使用的场合不同。

第三节数控机床与现代机械制造系统1、少品种、大批量的加工：一般采用刚性生产线2、多品种、小批量的加工：一般采用数控机床加工3、品种不是很多、中等批量的加工，一般采用下述生产方案：柔性生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。

A、柔性生产线

第三节数控机床与现代机械制造系统柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构