数控机床课件-第三章

第3章数控系统知识点：掌握数控系统的组成及各个部分的作用；掌握数控系统的分类，理解各种数控系统特性；理解德国的SIEMENS系统和日本FANUC系统；掌握计算机数控装置的接口；掌握数控系统的电磁兼容性；掌握数控系统的硬件结构和软件结构。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

1．计算机数控（CNC）装置CNC是数控机床的核心。CNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。CNC数控机床的组成框图和计算机数控系统分别如图3-1所示和如图3-2所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

图3-1CNC数控机床的组成框图第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

图3-2CNC系统第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的，它们二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。硬件是基础，软件是灵魂。2．I/O接口CNC系统和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输入和输出I/O接口电路连接。接口电路的主要任务有：①进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。主要用光电耦合器或继电器将CNC和机床之间的信号在电气上加以隔离；②进行电平转换和功率放[番茄花园1]大。一般CNC信号是TTL电平，机床控制的信号通常不是TTL电平，而且负载较大，需进行必要的信号电平转换和功率放大；③模拟量与数字量之间的转换。CNC装置的微处理器只能处理数字量，对模拟量控制的地方需要（D/A）转换器，将模拟量输入到CNC装置需要（A/D）转换器。

[番茄花园1]是“放”吧？第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

3．主轴驱动系统数控机床的主轴性能是在很宽范围内转速连续可调，恒功率范围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，则需要对主轴进行进给控制和位置控制。此时，主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，主轴电动机装配有编码器或者在主轴上安装外置式的编码器，作为主轴位置检测。数控机床所用的进给伺服系统和主轴伺服系统按其所用的电动机来分有直流伺服系统和交流伺服系统两大类。从20世纪70～80年代用得较多的是直流伺服系统。而在直流伺服系统中又分晶闸管整流方式(以下简称为SCR速度控制系统)和晶体管脉宽调制方式(以下简称为PWM速度控制系统)两种。直流驱动系统在20世纪70年代初至80年代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展80年代初期推出了交流驱动系统，由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无须维护，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。初期是采用模拟式交流伺服系统，而现在伺服系统的主流是数字式交流伺服系统。交流伺服驱动系统走向数字化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理，增强了系统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

4．伺服系统伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

5．PLC数控系统的PLC基本指令为二进制位的逻辑运算指令和功能指令，功能指令主要有数据定义、数据变换，译码和代数运算等。数控系统用梯形图编制PLC顺序逻辑程序。由于有功能指令，使得PLC程序编制非常容易、简捷。梯形图可用两种方法编制。第一种用专用的编辑卡利用CRT显示画面在系统上现场编制。第二种在计算机上装入专用软件用计算机编制PLC程序，然后经RS-232C将梯形图程序传送到数控系统，再将调试好的程序写入数控系统的EPROM。6．检测装置数控机床测量系统是对数控机床执行件的实际位置进行测量，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给数控系统的装置。数控系统利用其本身的插补计算的理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位的正确与否，同时辅助伺服系统达到更精确的进给定位，以弥补机械精度的不足。实际反馈位置的采集是由位置检测装置来实现的。常用的位置检测装置有感应同步器、光栅位置检测装置、光电脉冲编码器、旋转编码器、磁尺位置检测装置等。对于高精度的数控机床而言，它的加工精度和定位精度将主要取决于检测装置，因此，检测装置的精度及性能是高精度数控机床的重要保证。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成数控机床的检测装置应该满足以下要求：①工作可靠，抗干扰性强；②满足速度和精度的要求；③使用维护方便，适合机床的工作环境；④成本低。数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。根据安装的位置及耦合方式，分为直接测量和间接测量两种；按测量方法分为增量式和绝对式两种；按检测信号的类型分为模拟式和数字式两大类；按运动形式分为回转型和直线型检测装置；按信号转换的原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等类检测装置。数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。常用的位置检测装置如表3-1所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成

7．辅助装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器（PLC）作数控机床的辅助控制装置。数控机床的机械手是加工中心换刀机构的核心部件。换刀时机械手在机床主轴（或刀架）与刀库之间，执行新旧刀具交换的任务，在一个换刀程序中要完成抓刀、拔刀、交换（新旧刀对调）装刀、复位等动作。通常有三个自由度，即抓刀与复位是一个自由度；拔刀与装刀是一个自由度；新旧刀具位置交换是一个自由度。换刀动作在加工过程中是一个辅助动作，要求换刀时间尽量缩短，目前多数机械换刀时间为5.8s，少数可达0.7s,要求机械手动动作迅速平稳可靠.特别是在高速旋转中交换刀具时，刀具不能从机械手中甩出来，因此机械手必须具有相应的锁紧机构。机械手完成各个动作是靠位置控制的，一个动作结束后，必须发出一个回答信号给PLC，以便启动下一个动作。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.1数控系统的组成数控机床的转位刀架是一种刀具储存装置，可以同时可以安装若干把刀具。主要用于数控车床，是数控车床中的一种专用的自动化机械。它不但可以储存刀具，而且在切削时要连同刀具一起承受切削力，在加工过程中完成刀具交换转位、定位夹紧等动作。在卸装过程中要认真分析它的转位定位和夹紧等机构的工作原理。数控机床的刀库是加工中心机床的关键部件之一，在加工中心机床中用来储存和运送刀具，它的结构形式很多，主要有盘式和链式两种结构形式，盘式刀库存储容量较小，链式刀库存储容量较大。在加工过程中进行换刀时控制系统选定刀具后，刀库必须把选定的刀具运送到特定的位置，准备由机械手取刀具或机床的主轴直接取刀。有的大型的加工中心还装有特殊刀具运输装置，从刀库上取出刀具送到换刀位置。就机械运动来讲，刀库的结构主要是由刀具的运送和定位机构组成。运送速度要快，定位要准。此外，刀具在刀库中装卡方法不同，刀库结构也不相同，但是要求各个刀具的刀柄在刀库中安装位置必须一致，并且固定可靠叉要便于新旧刀具交换（取下和装上）。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型数控系统的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种分类方法：1．按运动轨迹分（1）点位控制数控机床在点位控制数控机床中，工件相对于刀具运动，直到到达零件程序规定的位置后停止，在运动过程中不进行任何加工。刀具在定位点处执行切削任务。点位控制数控系统只准确控制坐标运动的最终位置，而对轨迹不作控制要求。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后进行减速，使之缓慢趋近定位点以减少定位误差。点位控制数控机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等，如图3-3所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

图3-3点位控制第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

(2)直线控制系统不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，且在移动中能以给定的进给速度进行加工。采用此类控制方式的设备有数控车床、数控铣床等，如图3-4所示。

图3-4直线控制第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

3）连续控制系统(C系统)连续控制系统又称为轮廓控制系统或轨迹控制系统。能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床、特种加工机床等，如图3-5所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

图3-5连续控制第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

2．按伺服系统分(1)开环控制系统以步进电机或电液伺服马达为驱动元件。输入的数据经过数控系统的运算分配指令脉冲，每一个脉冲送给环形分配器驱动步进电机或电液伺服马达，使其转动一个角度带动传动机构，从而使被控制对象移动。对实际传动机构的动作完成与否不进行检查，驱动控制指令发送出去后不再反馈回数控系统，称为开环控制，如图3-6所示和如图3-7所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

图3-7开环控制系统实物图图3-6开环控制系统框图第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

(2)闭环控制系统在数控设备的运动部件上装有测量元件，将运动部件的位置、速度信息及时反馈给伺服系统，伺服系统将指令位置、速度信息与实际信息进行比较并及时发出补偿控制命令。如果测量元件装在机械传动链中间部件上，如装在滚珠丝杠上，则该系统为半闭环系统，如图3-8（a）所示。如果测量元件装在机械传动链末端部件上，如装在机床工作台上，则该系统为全闭环系统(或简称为闭环系统)，如图3-8(b)所示。闭环控制方式的优点是精度高、速度快，但调试和维修比较困难。闭环控制系统由于有位置测量装置和反馈元件的联系，因此，系统的精度取决于测量装置的精度。目前采用的检测装置有感应同步器、磁尺、光栅等，从如图3-8(a)可以看出，在半闭环控制系统中由于末端件工作台没有完全包括在控制回路内，因而其控制精度比全闭环的要低，其实物图如图3-9所示。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

图3-8闭环控制框图（a）半闭环系统（b）全闭环系统第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

图3-9闭环控制实物第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

3．按功能水平分（1）简易数控系统由于简易数控系统的结构特点决定了简易数控系统主要用于加工普通精度的零件，简易数控系统采用的系统主要是单板机或PC系统，这些系统能够进行数码显示和CRT字符显示功能，另外简易数控系统机床的进给运动由步进电机完成，驱动模式为开环驱动模式，简易数控系统控制的轴数和联动轴数在三轴或三轴以下，系统进给分辨率为10m，简易数控系统快速进给速度可达10m／min。由于以上特点决定了这类机床结构通常比较简单，精度中等而且价格也低廉，一般不具有与外界进行信息交互的能力。简易数控系统型机床有经济型数控线切割机床、数控钻床、数控车床、数控铣床及数控磨床等。第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型（2）全功能数控系统全功能数控系统在某种程度上较简易数控系统要多，但是增多的功能也主要是以实用为主的功能。全功能数控系统与简易数控系统相比增加了图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，应用的计算机系统为十六位或三十二位，具有与外界进行信息交互的接口RS-232C，全功能数控机床的进给主要采用交流伺服驱动和直流伺服驱动两种，全功能数控系统能实现四轴或四轴以下联动控制，其进给分辨率为1m，快速进给速度为10~20m／min；另外全功能数控系统输入／输出的控制一般由可编程序控制器来完成。全功能数控系统的机床产品种类较多，价格比简易数控系统机床较贵，但性价比很好，现在全功能数控系统趋向于简洁化、实用化，这样全功能数控系统机床的价格走向有所降低第3章数控系统3.1数控系统

3.1.2数控系统的类型

(3)高档数控系统 高档数控系统比全功能数控系统以及简易数控系统在各个方面较复杂，它主要加工复杂的零件，其轴数较多。高档数控系统控制完成的工序不能分散，且具有高柔性化、高集成化和高自动化程度。由于高档数控系统的优点是其微机系统为三十二位以上微处理机系统，而且进给驱动主要采用交流伺服驱动，高档数控系统除具有全功能数控系统和简易数控系统的功能以外还至少能实现五轴或五轴以上的联动控制，最小进给分辨率为0.1m，最大快速移动速度能达到100m／min或更高，高档数控系统具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面，同时还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的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库。由于其智能功能，高档数控系统能实现加工条件的自动设定和计算机的联网和通信。由于高档数控系统功能齐全所以价格比全功能数控系统和简易数控系统的价格高很多，这类产品主要有五轴以上的数控铣床、大重型数控机床、五面加工中心和柔性加工单元等产品。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.1CNC系统硬件随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块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。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式的有利于更换和安装。CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.1CNC系统硬件大板式结构的特点是，一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板(完成一定功能的电路板)，如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心部分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能/价格比，也便于机床的一体化设计。大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。另外一种柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构，其特点是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板(称为硬件模块)，甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC系统，使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试制周期短，调整维护方便，效率高。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.1CNC系统硬件从CNC系统使用的微机及结构来分，CNC系统的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机结构两大类。初期的CNC系统和现有一些经济型CNC系统采用单微处理机结构。而多微处理机结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS和CIMS运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.2CNC系统软件

CNC软件分为应用软件和系统软件。CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。下面分别叙述它们的作用。1．输入数据处理程序输入数据处理程序是接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.2CNC系统软件

2．插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边进行插补运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。3．速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。第3章数控系统3.2计算机（CNC）系统结构3.2.2CNC系统软件

4．管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。5．诊断程序诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

1、软件结构的说明

华中数控系统的软件结构如图3-10所示。图中虚线以下的部分称为底层软件，它是华中数控系统的软件平台，其中RTM模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理调度。NCBIOS模块为基本输入输出系统，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。RTM和NCBIOS两模块合起来统称NCBASE，如图中双点画线框所示。图中虚线以上的部分称为过程控制软件（或上层软件），它包括编辑程序、参数设置、译码程序、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。对不同的数控系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减均在这一层进行；各功能模块通过NCBASE的NCBIOS与底层进行信息交换。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

图3-10华中数控系统的软件结构第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

2、NCBASE的功能（1）实时多任务的调度该功能由RTM模块实现。调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。根据任务要求的调度机制和任务的状态，调度核心对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得CPU的控制权，并监控任务的状态。系统中各个任务只能通过调度核心才能运行和终止。如图3-11所示描述了各个任务与调度核心的关系，图中的实线表示从调度核心进入任务或任务在一个时间段内未能运行完而返回调度核心的状态；图中虚线表示任务在时间段内运行完毕返回调度核心的状态。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

图3-11多任务调度图

第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

（2）设备驱动程序对于不同的控制对象，如加工中心、数控铣床、数控车床、数控磨床等，硬件的配置可能不同，而不同的硬件模块其驱动程序也不同。华中数控系统就很好地解决了这个问题。在配置系统时，所有硬件模块的驱动程序都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG中说明（格式为：DEVICE=驱动程序名）。系统在运行时，NCBIOS根据NCBIOS.CFG的预先设置，调入对应模块的驱动程序，建立相应的接口通道。（3）位置控制位置控制是NCBIOS的一个固定程序，主要是接收插补运算程序送来的位置控制指令，经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后，输出速度指令值给位置控制模块。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.1华中系统

（4）插补器华中数控系统为多通道（可为四通道）数控系统，每个通道都有一个插补器，相应就创建一个插补任务。其任务主要是完成直线、圆弧、螺纹、攻丝及微小直线段（供自由曲线和自由曲面加工用）等插补运算。（5）PLC调度PLC调度的主要任务是：故障的报警处理；M、S、T处理；急停和复位处理；虚拟轴驱动处理；刀具寿命管理；操作面板的开关处理；指示灯及突发事件处理等。

（6）内部监控实现对CNC系统各部分故障的监控。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.2德国SIEMENS系统

SIEMENS公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。随着微电子技术的发展，越来越多地采用大规模集成电路(LSI)，表面安装器件(SMC)及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。采用SIMATICS系列可编程控制器或集成式可编程控制器，用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话功能，具有多种语言的显示。SIEMENS公司的CNC装置主要有SINUMERIK3／8／810／820／850／880／805／802／840系列，如图3-12所示。SIEMENS840D系统连接图如图3-13所示。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.2德国SIEMENS系统

图3-12SIEMENS系统第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.2德国SIEMENS系统

图3-13SIEMENS840D系统连接第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统

FANUC系统是日本富士通公司的产品，其中文译名通常为发那科。FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。FANUC系统性能稳定，操作界面好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户。使用该系统的操作员队伍十分庞大，因此有必要了解该系统的一些软、硬件上的特点。可以通过常见的FANUC0系列了解整个FANUC系统的特点。（1）刚性攻丝主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步，从而实现高速高精度攻丝，如图3-14所示。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统

图3-14刚性攻丝第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统（2）复合加工循环复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。比如定义了工件的最终轮廓，可以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。如图3-15所示的复合加工循环。图3-15复合加工循环图第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统(3）圆柱插补适用于切削圆柱上的槽,能够按照圆柱表面的展开图进行编程。如图3-16所示的圆柱插补图。图3-16圆柱插补图第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统（4）直接尺寸编程可直接指定诸如直线的倾角、倒角值、转角半径值等尺寸，这些尺寸在零件图上指定，这样能简化部件加工程序的编程。如图3-17所示的直接尺寸编程图。

图3-17直接尺寸编程图第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统（5）记忆型螺距误差补偿可对丝杠螺距误差等机械系统中的误差进行补偿，补偿数据以参数的形式存储在CNC的存储器中。（6）CNC内装PMC编程功能PMC对机床和外部设备进行程序控制。（7）随机存储模块MTB(机床厂)可在CNC上直接改变PMC程序和宏执行器程序。由于使用的是闪存芯片，故无需专用的RAM写入器或PMC的调试RAM。（8）显示装置如图3-18所示FANUC系统的显示装置。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统

图3-18显示装置图第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统

FANUC系统构成如图3-19所示的系统硬件图。图3-19系统硬件图第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统如图3-19所示总体上描述了系统板上应该连接的硬件和应具有的功能。如图3-20所示FANUC0i系列控制单元构成及连接部件示意图，每一个文字方框中表示的部件，都按照图中所列的位置（插座、插槽）与系统相连接。第3章数控系统3.3数控系统举例

3.3.3日本FANUC系统

图3-20FANUC0i系列控制单元构成及连接第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.1数控系统电磁兼容性要求数控机床的工作环境通常是强磁环境，所以为了使数控系统能在强磁环境下正常运转，必须有一系列技术规范，保证其正常工作。电磁兼容标准的主要来源有：①CISPR出版物。是IEC下设的一个特别委员会。它成立的初衷是避免无线电业务中出现障碍，目前世界各国对用电设备的无线电骚扰的限制大多取材于它。②IEC/TC77制定的IEC61000系列标准TC77是IEC下设的一个技术委员会，工作范围有：整个频率范围内的抗扰度；低频范围内（≤9kHz）的骚扰发射现象。③美国军用标准。我国军用标准主要取材于它，其中电磁兼容的标准号为GJB151和GJB152。④其他。国外先进企业的内控标准，国内自主科研成果而制定的标准。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.1数控系统电磁兼容性要求

1.电压暂降和短时中断抗扰度数控系统对于电压暂降和短时中断抗扰度的要求是当数控系统运行时，交流输入电源任意时间电压幅值降为额定值的70%并且保持的时间为500ms，两次间隔降落的时间为10s；交流输入电源任意时间电压短时中断3ms，相继中断间隔时间为10s。电压暂降和短时中断各进行3次，数控系统应能在这种工况下正常的工作。２.浪涌（冲击）抗扰度数控系统的浪涌（冲击）抗扰度也是系统正常工作的一个重要指标要求，与系统的电压暂降和短时中断抗扰度类似，系统工作时，分别在交流输入电源相线之间叠加峰值为1kV的浪涌（冲击）电压；在交流输入电源相线与保护接地端（PE）间叠加峰值为2kV浪涌（冲击）电压。浪涌（冲击）重复率为1次/min，极性为正/负极。试验时正/负各进行5次，数控系统同样应能够正常的工作。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.1数控系统电磁兼容性要求

３.电快速瞬变脉冲群抗扰度数控系统正常工作，除了能满足电压暂降和短时中断抗扰度、电压暂降和短时中断抗扰度外，还必须能够满足电快速瞬变脉冲群抗扰度，这种电快速瞬变脉冲群抗扰度要求系统工作时，分别在交流供电电源端和保护地端（PE）之间，加入峰值2kV、重复频率5kHz脉冲群，时间1min。数控系统能正常工作。同样在I/O信号、数据和控制端口电缆上用耦合夹加入峰值1kV，重复频率5kHz脉冲群，时间1min。完成这一系列的操作不影响该系统的正常运转即为具有电快速瞬变脉冲群抗扰度。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术接地的含义是提供一个等电位点或电位面，为了防止共地线阻抗干扰，在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为三类，即保护地线（安全接地）、工作地线（工作接地）、屏蔽地线（屏蔽接地）。1．安全接地为了保护人身和设备的安全、免遭雷击、漏电、静电等危害一般都要进行安全接地。设备的机壳、底盘所接地线称保护地线，与大地连接。同时，保护地线也有基本的要求。（l）安全接地形式通常采用TT或TN-S接地形式作为机床数控系统电源安全接地的两种常用形式，但不能采用TN-C接地形式。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术①如图3-21所示TT系统的特点是外露可电导部分有独立的接地保护，不传导故障电压；由于电源系统有两个独立接地体，发生接地故障时接地故障电流较小，不能采用过电流保护兼作接地故障保护，而采用剩余电流保护器；因采用剩余电流保护器保护线路，双电源（双变压器、变压器与柴油发电机组）转换时采用四极开关，易产生工频过电压。使用场所大部分是等电位联结有效范围外的户外用电场所，城市公共用电，高压中性点经低电阻接地的变电所。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术

图3-21TT系统第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术②如图3-22所示TN－S系统特点是PE线与N线分开，PE线非故障时不流过电流，外露可电导部分不带电压，比较安全，但多一根导线；PE线在系统内传导故障电压。使用场所有防电击要求高，爆炸和有火灾危险场所，建筑物内装有大量信息技术设备。需要注意的是电气控制柜中最好不要引入中线，使用中线时必须予以明确的标识，通常在安装图、电路图及接线端子上；不允许中线与地线连接到电气柜的内部，也不允许共用一个端子PEN（PF与N短接的端子称PEN端子）。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术

图3-22TN-S系统第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术③TN-C系统如图3-23所示。图3-23TN-C系统第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术（2）接地极的制作方法及接地电阻通常人们借助埋入地下的金属棒、金属板来实现对大地的电气接触；不能把地下的金属管道作为接地地极，特别是自来水管，由于它们和土壤之间有大面积的接触，这种方法的接地电阻一般较小（小于3Ω）。简易做法有两种。第一种方法如图3-24所示，用1.2、1.6或1.9cm，长为1.8／2.4／3.0／3.6或4.8m的铜包钢棒（选择地势低、较潮湿的地方）将棒打人或埋人地下，由一根接地棒组成的单一电极，它的对地电阻往往大20Ω，一般采用多个金属棒并联构成接地电阻小于4Ω的接地极。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术

图3-24金属棒埋入地下作接地极第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术第二种方法是利用厚度≥5mm，表面积≥0.5m2的金属板（铜板为佳）埋人地底，如图3-25所示。

图3-25金属板埋入地下作接地极第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术（3）保护接地设计要点接地线与电气设备的机壳、底板等应可靠的搭接，设备的机壳（机箱）、底板等应保持电气上连续，保护接地电路的连续性应符合要求。电气设备都应设计专门的保护导线接线端子（保护接地端子），并且采用↓符号标记，也可用黄绿双色标记。不允许用螺丝在外壳、底盘等代替保护接地端子。数控系统控制柜内应安装有接地排（可采用厚度≥3mm铜板），接地排接入大地，接地电阻应小于4Ω。系统内各电气设备的保护接地端子用尽量粗和短的黄绿双色线连接到接地排上，如图3-26所示。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.2接地技术

图3-26保护接地

第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.3屏蔽技术

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果；当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。第3章数控系统3.4数控系统的电磁兼容性3.4.3屏蔽技术

屏蔽按其工作原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种类型。屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断辐射电磁噪声的传输途径。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。为防止噪声源向外辐射场，则应该屏蔽噪声源，这种方法称为主动屏蔽。为防止敏感设备受噪声辐射场的干扰，则应该屏蔽敏感设备，这种方法称为被动屏蔽。1．电场屏蔽电场是噪声源为高电压、小电流等形式的时候其辐射场的主要表现，抑制噪声源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生干扰的最佳方法是电场屏蔽。电场屏蔽的工作原理如图3-27所示，由于分布在电容间的耦合是电场感应的另一种形式，干扰源A和受感应物B的电位分别为和，那么和之