数控原理与系统 课件 项目一 数控系统概述

数控原理与系统数控机床数控机床是是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。HEIDENHAIN(德国,1.DMG,MIKRON)

SIEMENSMITSUBISHIFANUCFAGOR(

西班牙)NUMANDRONICFIDIA(意大利)……核心！！！通过任务引领的项目活动，基于PBL的有效教学模式，使学生掌握数控系统的基本知识，具备典型数控系统连接与调试的基本技能，为后续《数控机床故障诊断与维修》、《数控机床机电联调实训》课程的学习奠定良好的基础，同时培养学生爱岗敬业、团结协作的职业精神。课程任务专业能力目标：（1）具备查阅数控系统资料的能力；（2）具备识别典型数控系统部件的能力；（3）具备数控系统部件选型的能力；（4）具备参数设置、调整的能力；（5）初步具备数控系统性能分析、优化的能力；（6）初步具备典型数控系统连接与调试的能力。课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述1.数控系统的认知1.理解数控系统的组成及各部分功能。2.理解数控系统的主要工作过程。3.学会查阅和检索最新数控系统资料。1.1数控系统的基本概念4161.2数控系统的组成及工作过程81.3数控系统的分类21.4数控系统的产生、类型及发展2课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述2.数控系统的硬件连接1.掌握数控系统的工作过程。2.掌握数控系统的插补原理。3.理解数据预处理的过程、轨迹插补与刀具补偿的原理。4.掌握数控系统参数的装载、备份2.1CNC装置的工作过程的认知282.2CNC装置的插补22.3数控系统参数的装载、备份4课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述3.进给驱动系统1.掌握常见伺服驱动系统的连接。2.掌握各伺服轴的初始化定义，懂得各参数的含义。3.理解伺服电动机的工作原理、工作特性和伺服放大器的工作原理。4.能根据数控系统的要求，对交流伺服电动机、伺服放大器进行选型。3.1伺服驱动系统的概述4163.2步进电动机及驱动电路43.3交流进给伺服系统63.4直流进给伺服系统2课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述4.主轴控制系统的连接与调试1.理解主轴的调速原理与变频器的工作原理。2.掌握变频器与数控系统的接线与调试。3.掌握串行主轴的调试。4.1概述2104.2模拟主轴的连接与调试64.3串行主轴的连接与调试25.位置检测装置1.理解光电编码器的工作原理及选型。2.理解光栅的工作原理及选型。3.了解感应同步器。5.1概述2125.2光电编码器45.3光栅45.4感应同步器2课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述6.数控系统中的PLC控制1了解常用的PMC编程指令.2掌握FANUC0i-D系统中PMC的典型功能及应用3.掌握CNC软件数据类型及存储空间。4.能够用CF卡完成系统参数、PMC参数、程序等备份与恢复5.能够进行批量的数据备份6.1数控系统中的PLC4146.2数控系统中PLC的信息交换26.3数控系统中的PLC功能实现8课程教学内容项目任务学习单元参考学时项目名称任务描述7.其它典型系统的连接与调试1.了解Siemens828D数控系统的硬件组成及各模块间的连接。2.了解FANUC0i-F数控系统的硬件组成及各模块间的连接。3.了解HNC818T数控系统的硬件组成及各模块间的连接。7.1西门子828系统的连接与调试267.2FANUC0i-F系统的连接与调试27.3华中818T系统的连接与调试2建议：注意学习方法1.大学生活中，如何学习技能和知识，如何合理可行的安排？思考，如何定位？跨出校门，我该去向何方？2、学习如何落实实效性，为就业和终身发展打下坚实基础？3.如何实施可持续发展、终身学习？如何成为有领导力的人？学习理念4团队合作健全人格终身学习专能开发能力转型培训——项目一数控系统概述任务1数控系统概述课时16专业能力1.能够描述数控系统的组成。2.能够描述数控系统的主要工作过程。3.能够查阅各类数控系统资料。教学任务教学内容教学重难点1.理解数控系统的组成及各部分功能。2.理解数控系统的主要工作过程。3.学会查阅和检索最新数控系统资料。4.掌握机床电气装调的安全操作守则。1.理解数控系统的组成及各部分功能。2.理解数控系统的主要工作过程。3.学会查阅和检索最新数控系统资料。4.掌握机床电气装调的安全操作守则。1.数控系统的组成。2.数控装置的信息处理。3.数控系统的最新发展。123数控系统的概念数控装置工作工程的认知数控系统的发展方向目录4数控机床电气装调岗位安全操作守则1.1数控系统的概念

一数控技术的基本概念数字控制（NumericalControlTechnology，NC）是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控制的技术。数控系统（NumericalControlSystem）采用数字控制技术的自动控制系统。数控机床（NumericalControlMachineTools）

是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例子。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分组成，机床本体为被控对象。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

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.计算机数控系统的组成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。3.Fanuc0i-C数控系统的主要部件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4.Fanuc0i-C数控系统的部件连接

按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。三、数控系统的分类

点位直线数控系统（平行控制数控机床）除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹）；运动路线与坐标轴平行移动；运动过程中以指定的进给速度进行切削。适用范围：数控车床、数控铣床、数控磨床。

轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。

按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）2轴半联动（空间曲面）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。

三轴两联动加工-----“行切法”。以X、Y、Z轴中任意两轴作插补运动，另一轴（轴）作周期性进给。

三轴联动加工下图为内循环滚珠螺母的回珠器示意图。

四轴联动加工方法如下图所示的飞机大梁，其加工面为直纹扭曲面，若采用三座标联动加工，则只能用球头刀。不仅效率低，而且加工表面粗糙度差，为此可采用如图所示的圆柱铣刀周边切削方式在四轴联动机床上进行加工。由于计算较复杂，故一般采用自动编程。

五轴联动加工船用螺旋桨是五座标联动加工的典型零件之一。由于其曲率半径较大，一般采用端铣刀进行加工，为了保证端铣刀的端面加工处的曲面的切平面重合，铣刀除了需要三个移动轴（X、Y、Z）外，还应作螺旋角（与R有关），与后倾角（与有关）的摆动运动。并且还要作相应的附加补偿运动（摆动中民与铣刀的刀位点不重合）。综上所述，叶面的加工需要五轴（X、Y、Z、A、B）联动，这种编程只能利用自动编程系统。

按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。

开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大

半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈

全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈按工艺用途分类金属切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床等。金属成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。测量绘图类：数控装配机、数控测量机等。1.2数控装置工作工程的认知

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：X1、构成

2、各部分的功能1）输入装置:

完成程序,参数等信息的输入

MDI

信息载体2)输出装置:完成打印,穿孔显示等3)通信线路:实现串行通讯及网络功能4)CNC:

完成与外围设备联系,控制系统各部分功能5)PLC:

完成机床的顺序控制,换刀,APC等,一般分为独立型PLC和内装型PLC6)主轴单元:

接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向7)速度单元:

接收CNC的指令,控制各伺服轴的动作

二、CNC装置的工作过程1.输入数据:零件程序、控制参数和补偿量形式:光电阅读机、键盘、磁盘、RS232-C接口输入、DNC接口输入、网络输入工作方式:存储方式和MDI(手工直接输入)

此外还要完成无效码的删除,代码检验和转换.

2.译码

主要是将标准程序格式翻译成便于计算机处理数据的格式（高级语言→机器语言）,并完成语法检查,若有错误就提示报警.3.刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿.此外,先进的数控系统还有C刀具补偿,还包括程序段之间的自动转接和过切削判别.

4.进给速度处理—分解合速度编程给的刀具移动速度,是各坐标合成方向上的速度.进给运动的速度是不能突变的.

为保证进给速度的变化平稳快速,以避免冲击失步超程振动或工件超差,需要进行加减速控制.

加减速控制多数采用软件实现,在插补前进行,称为前加减速控制,在插补前进行,称为后加减速控制.

5.插补—“数据点的密化”每个插补周期运行一次.

插补完成了数控系统的主要工作，目前数控系统几乎都可以实现纳米插补。

6.位置控制

:处在伺服回路的位置环上.

在每个采样周期内,用理论位置与实际反馈位置相比较,用差值去控制伺服电动机,完成增益调整、螺距误差补偿和反向间隙补偿,以提高机床定位精度.7.I/O处理处理面板开关信号,机床电气信号的输入输出和控制(如换刀、换档、冷却等)

8.显示零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示,还包括刀具加工轨迹的静态和动态图形显示.9.诊断联机诊断:CNC装置中的各诊断程序.

脱机诊断:CNC装置配备有各种脱机诊断程序.

硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能，不同的系统其组成结构不同，功能也相差甚远，根据使用要求的不同可采用不同的结构。CNC装置的硬件结构一般分为单微处理器结构（CPU）结构和多微处理器（CPU）结构。六、CNC装置的硬件结构

（一）、按CNC装置的硬件结构分1．单微处理器数控系统单微处理器数控系统

以各种接口相连接，采用微处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及集中控制，分时处理的工作方式，完成数控加工中各个任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能控制总线，其它的CPU只是附属的专用智能部件，不能控制总线，不能访问主存储器。它们之间构成主从结构，也属于单微处理器结构。

单微处理器数控系统体系结构：

单微处理器数控系统特点：

(1).采用集中控制，分时处理的工作方式，完成数控加工中各个任务。

(2).CPU通过总线与各接口电路相连.

(3).结构简单,实现容易.

2、多微处理器数控系统结构多微处理器数控系统由两个或两个以上的CPU构成处理部件，各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CPU都可享用系统公用存储器或I／O接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。

多微处理器的基本功能模块

CNC管理模块

具有管理和组织整个CNC系统工作过程的职能。例如系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等。

CNC插补模块

对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理工作。然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，向各个坐标轴发出位置指令值。位置控制模块

将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，得到速度控制的模拟电压，驱动进给电动机。

PLC模块

对加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，如机床电气设备的起动与停止、刀具交换、回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。操作面板监控和显示模块

包括加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入（如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等）和输出（如通过打印机、纸带穿孔机等）以及显示（如通过CRT、液晶显示器等）所需要的各种接口电路。存储器模块

既可以是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。

多微处理器CNC装置的典型结构采用多微处理器结构的CNC装置，有共享总线和共享存储器两种典型结构。共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC装置的各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块，如RAM／ROM模块或I／O模块是从模块，管理模块、控制模块、插补模块是主模块。所有主、从模块共享是严格定义的标准系统总线。系统总线的作用有效地连接各个模块，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整的系统。

共享存储器结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通讯，同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一主模块对多端口存储器进行访问（读／写），所以，也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而目对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，降低系统效率，给扩展功能造成困难，所以一般采用双端口存储器（双端口RAM）。

（二）、按照电路板结构分：

1.大板结构：主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成CNC装置，如FANUC-C,0等。

2.模块化结构：控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化。

特点：各功能块功能独立，便于开发同一功能的系列产品，维修维护方便。

CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。将首先介绍系统软硬件界面的关系，然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，并从多任务性和实时性的角度来分析CNC系统软件的结构特点.七、CNC装置的软件结构

数控装置系统软件构成框图：1.CNC装置的软件系统特点

CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。

2．CNC系统多任务性及并行工作方式

数控加工时，CNC系统要完成许多任务，有的任务对实时性要求很高，有的任务无实时性要求。在多数情况下，几个任务必须同时进行。举例为使操作人员能及时地了解CNC系统的工作状态，软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。在插补加工运行时，软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而控制软件运行时，本身的一些处理模块也必须同时运行。

CNC多任务并行处理图例：1.3数控系统的发展方向数控机床的发展趋势运行高速化加工高精化控制智能化交互网络化功能复合化驱动并联化看车削中心

信息化的车铣加工中心

数控加工中心数显式机床1.4数控机床电气装调岗位安全操作守则一、电气装调安全操作守则1.安全第一，强电危险！2.不得随意搬动实验台各部件，不得用金属物体在实验台上指指点点。3.实验台固定器件不得拆装，不得踏踩试验设备和电缆等。4.强电部分调试完成后，必须装上强电盖板，否则如造成人身伤害，后果自负；重新接线后必须经指导老师检查，确认后方可上电，否则如造成损坏，必须照价赔偿。5.未经指导教师同意，不得调整机床的机械部件。一、电气装调安全操作守则6.未经指导教师同意，不得调整机床的电气连接。7.未经指导教师同意，不得随意提前修改机床参数及P